【机器视觉】-光源篇

前言

视觉系统的运作方式与你的视觉非常相似。你的眼睛是一个复杂的光学设备。它捕捉信息并将其发送到你的大脑，大脑对此有意义。

在机器视觉中，相机、灯光和镜头捕捉数据，并将数据发送到处理器，由视觉工具或算法进行解释。

  1. 人类光学系统
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  2. 机器视觉系统
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机器视觉系统构成-光源

光学基础

光的定义

光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波长在380～760nm之间。

对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的 般人的眼睛所能接受的光的波长在400-700nm之间

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光学中常用单位

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光谱

自然界中各种物体所表现出的不同色彩，都是由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的。所以，蓝色、绿色和红色就是组成各种色彩的基本成分。因此我们把这三个感色单元称为三原色。
三原色的光谱波长如下∶
440nm，波长约400~500纳米属蓝光范围;
540nm，波长约500~600纳米属绿光范围;
650nm，波长约600~700纳米属红光范困。
三原色在可见光光谱中各占三分之一，三原色中的一个与另外两个原色或其中一个原色相加，就可得到其它的颜色。
一些光源的光谱不是单一波长的，它们的光是由不同强度和波长的光混合组成的，人眼将许多这样的复合光的颜色与单色光的颜色看成是同样。比如橙色光可以由红色和绿色的光混合而成，和波长600nm的橙色光相比，我们眼睛无法区分这两种光的颜色
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光通量

光通量（luminous flux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼（传感器）对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。
光通量的单位是lm（流明，1lm等于由一个具有1cd（埃德拉）均匀的发光强度的点光源在1sr（球面度）单位立体角内发射的光通量，即1lm=t cd*sr。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要聚光，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。

发光强度

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd，
其他单位有烛光，支光。1cd即1000mcd是指单色点光源，在给定方向上的单位立体角发出的光通量。可以说，这个量是表明发光体在空间发射的汇聚能力的。

光照强度

光照强度是指单位面积上所接受光的光通量。简称照度，单位勒克斯（Lux）。用于表示光照的强弱和物体表面被照明程度。

显色性

什么是显色性？
显色性是表达光源再现物体颜色的能力，人为规定用“显色指数”来衡量，显示指数的数值区间是0—100。
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不同光源显色性也是不同的
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色温

色温是照明光学中用于定义光源颜色的一个物理量。即把某个黑体加热到一个温度，其发射的光的颜色与某个光源所发射的光的颜色相同时，这个黑体加热的温度称之为该光源的颜色温度，简称色温。其单位用"K"(开尔文温度单位)表示。

色温是表示光源光谱质量最通用的指标。一般用Tc表示。色温是按绝对黑体来定义的，绝对黑体的辐射和光源在可见区的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对来说要多些，通常称为"暖光";色温提高后，能量分布中，蓝辐射的比例增加，通常称为"冷光"。一些常用光源的色温为:标准烛光为1930K(开尔文温度单位);钨丝灯为2760-2900K;荧光灯为6400K;闪光灯为3800K;中午阳光为5000K;电子闪光灯为6000K;蓝天为10000K。

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光源色温不同，光色也不同，带来的感觉也不相同： 光源色温不同，光色也不同，带来的感觉也不相同
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颜色特性-色环

相似色：色环中相近的颜色，物体反射颜色与其相近的波长的光。
互补色：色环中相正对的颜色，物体吸收颜色与其互补的波长的光

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例子：
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光的折射

光的折射：光从一种透明 光的折射：光从一种透明介质斜射入另一种透明介质 斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。

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折射定律

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光的衍射

衍射（Diffraction Diffraction）又称为绕射，波遇到障碍物或小孔 ）又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。

波长越长的光越容易产生衍射。
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光的反射

光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。
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光的偏振

光的偏振(polarization of light)振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光(非偏振光)。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
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偏振镜：
偏振镜(Polarizer)，也叫偏光镜，简称PL 镜，是一种滤色镜。偏振镜的除色功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过，即具有二向色性，因此自然光通过偏振片后，透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作，所以它是普遍使用的偏振器。通过调节两个偏振片的方向可以过滤掉某些强反光。在彩色和黑白摄影中常用来消除或减弱非金属表面的强反光，从而消除或减轻光斑。

例子：
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光的过滤

通过滤光镜能够筛选某个波段的光通过。

滤光镜

滤光镜顾名思义，它具有过滤光线的作用，能够筛选某个波段的光通过。当我们想留下某个波段颜色的光线时，就选择可通过该颜色波段的滤镜，当想消除某个波段的颜色干扰时，就选择不可通过该颜色波段的滤镜。选取时需要注意的是，滤镜的接口尺寸是否与镜头的接口尺寸一致，通常装在镜头下方。比较常用的是单色带通滤光镜、可见光带通（截止/高通/低通）滤镜、红外带通滤镜、紫外带通滤镜等。
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光反射的两种情况

  1. 镜面反射
    一束平行光射到平面镜上，反射光是平行的，这种反射叫做镜面反射。物体表面是光滑的，如镜子、平静的水面。
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  2. 漫反射
    漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射这种反射称之为 这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。
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光源的选择

光源选择的重要性：

  1. 在机器视觉系统中，光源和光照方案的好坏往往会决定整个系统的成败
  2. 好的光照系统会极大地突出物体与背景之间的差异，从而大大的简化了图像处理的算法。 的差异，从而大大的简化了图像处理的算法
  3. 坏的光照系统会使整个图像的光照不均匀，从而给二值化带来困难；会产生阴影或者曝 从而给二值化带来困难；会产生阴影或者曝光过度，从而丢失图像的重要细节，从而加 光过度，从而丢失图像的重要细节，从而加大图像处理的难度和降低测量的精度等。 大图像处理的难度和降低测量的精度等

影响光源选择的外界因素

  1. 工作距离
  2. 照射区域
  3. 照射方式
  4. 安装上的特殊要求
  5. 照射的角度、光源的颜色、光源的强度、光源的均匀性、光源的偏振性

光源的分类

  1. 卤素灯和光纤
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  2. LED灯
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  3. 高频荧光灯
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三种光源的比较如下：
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注：日常使用的日光灯不适合用于机器视觉系统中，因为民用电源是50HZ或者60HZ的交流电，会出现光源跳动从而影响图像质量。目前机器视觉行业的趋势是使用LED光源。LED光源效率高，体积小，发热小，功耗低，响应快速，发光稳定，寿命长。

机器视觉采用的LED光源的分类

按照照明方式可以分成两个大类：1.前向照明光源。2.背向照明光源。

前向照明光源：一般用于检测物体表面特征。

背向照明光源：一般用于检测物体轮廓、物体轮廓尺寸测量、透明物体的表面检测

前向照明光源：

  1. 环形光
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  2. 同轴光
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  3. 条形光
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  4. 圆顶光
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  5. 线性光源
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  6. 侧面导光光源
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  7. 方形无影光源
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选择光源需要考虑的因素

检测目的？（外观缺陷、轮廓定位、OCR、尺寸测量等）

对象物特征：表面特征（粗糙还是光滑，曲面还是平面）？材质？颜色？

背景特征：背景颜色、材质、表面特征（粗糙还是光滑，曲面还是平面）？

环境：环境光影响？

拍摄视野范围（选镜头）

拍摄精度（选相机分辨率）

是否运动拍摄？检测速度多少（确定曝光时间）？

相机、镜头、工作距离是否有限制？

光源安装空间是否有限制？

光源尺寸计算原理分析

在机器视觉光学方案评估初期，经常会遇到这样的情况：知道用什么样的光源可以拍摄出好的效果图，
却不知道需要多大的光源？为了确定光源的尺寸，各工程师重复的做实验，不仅浪费了宝贵时间也影响效
率，那么有没有什么方法能够不用做实验就可以确定光源尺寸呢？答案是肯定的。下面就为大家介绍下不
做实验就可以确定光源尺寸的方法。
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如上图 1-1 所示， B,C 两点为视野边缘，假设使用同轴光，BC 为反光物体。若能使 B，C 边缘发亮
则整个视野均能被光源照亮，那么光源在什么位置照射能使 B,C 处的反光能够进入镜头呢，根据光路可逆
原理，我们可以想象光线从镜头发出，照射到 B,C 两点后会反射到什么位置。从上图可看出，角 a= b，从
镜头发出的光线经过 B,C 点反射后会经过 M,N 两点点。最后根据几何学的相关定理可证明出：

L=L’ wd=wd’ FOV/L=WD/(WD+wd) L=FOV*(WD+wd)/WD

以上公式的用处就是可以根据视野大小、镜头工作距离和光源工作距离来确定所需光源的光斑大小。

posted @ 2023-02-21 16:17  VisionCode  阅读(649)  评论(0)  编辑  收藏  举报