選擇光源應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性

判斷機(jī)器視覺(jué)的照明的優(yōu)劣，首先必須了解什么是光源需要做到的。光源應(yīng)該不僅僅是使檢測(cè)部件能夠被攝像頭“看見(jiàn)”。有時(shí)候，一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法支持工作，但是僅僅優(yōu)化一下光源就可以使系統(tǒng)正常工作。選擇光源時(shí)，應(yīng)該考慮如下系統(tǒng)特性。

(1)對(duì)比度

對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺(jué)來(lái)說(shuō)非常重要。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。對(duì)比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測(cè)的特征突出于其他背景。

光源的位置對(duì)獲取高對(duì)比度的圖像很重要。光源的目標(biāo)是要達(dá)到使感興趣的特征與其周圍的背景對(duì)光源的反射不同。預(yù)測(cè)光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

(2)亮度

當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是選擇更亮的那個(gè)。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況出現(xiàn)。第一，相機(jī)的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對(duì)比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當(dāng)光源的亮度不夠的時(shí)候，自然光等隨機(jī)光對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)最大。

(3)魯棒性

測(cè)試好光源的方法是看光源是否對(duì)部件的位置敏感度最小。當(dāng)光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時(shí)，結(jié)果圖像應(yīng)該不會(huì)隨之變化。方向性很強(qiáng)的光源，增大了對(duì)高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。在很多情況下，合適的光源需要在實(shí)際工作中與其在實(shí)驗(yàn)室中有相同的效果。合適的光源能夠使需要尋找的特征非常明顯，除了攝像頭能夠拍攝到部件外，合適的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對(duì)比度、亮度足夠，且對(duì)部件的位置變化不敏感。

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用關(guān)心的是反射光(使用背光除外)。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如果能夠控制好光源的反射，那么就可以獲得優(yōu)質(zhì)的圖像。

(4)光源可預(yù)測(cè)

當(dāng)光源入射到物體表面的時(shí)候，光源的反映是可以預(yù)測(cè)的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收(黑金屬材料，表面難以照亮)或者被部分吸收(造成了顏色的變化及亮度的不同)。不被吸收的光就會(huì)被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個(gè)定律大大簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺(jué)光源，因?yàn)槔硐氲男Ч梢酝ㄟ^(guò)控制光源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(5)物體表面

如果光源按照可預(yù)測(cè)的方式傳播，使機(jī)器視覺(jué)照明復(fù)雜化的原因是物體表面的變化。如果所有物體表面是相同的，在解決實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就沒(méi)有必要采用不同的光源技術(shù)了。但由于物體表面的不同，因此需要研究視野中的物體表面材料，并分析光源入射的反映。

(6)控制反射

如果反射光可以控制，圖像的優(yōu)劣與否就可以控制了。因此在涉及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機(jī)器視覺(jué)的光源設(shè)計(jì)就是對(duì)反射的研究。在視覺(jué)應(yīng)用中，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)物體以決定需要什么樣的光源的時(shí)候，首先需要問(wèn)這樣的問(wèn)題：“如何才能讓物體顯現(xiàn)？”“如何才能應(yīng)用光源使必需的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？”

影響反射效果的因素有：光源的位置，物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。

(7)表面紋理

物體表面可能高度反射(鏡面反射)或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個(gè)漫反射的表面，如一張不光滑的紙張，有著復(fù)雜的表面角度，用顯微鏡觀看的時(shí)候顯得很明亮，這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開(kāi)了；而一張光滑的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到表面并按照入射角反射。

(8)表面形狀

一個(gè)球形表面反射光源的方式與平面物體是不相同的。物體表面的形狀越復(fù)雜，其表面的光源變化也隨之而復(fù)雜。對(duì)應(yīng)一個(gè)拋光的鏡面表面，光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。

(9)光源均勻性

均勻的光源會(huì)補(bǔ)償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。不均勻的光會(huì)造成不均勻的反射。均勻關(guān)系到三個(gè)方面。第一，對(duì)于視野，在攝像頭視野范圍部分應(yīng)該是均勻的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，圖像中暗的區(qū)域就是缺少反射光，而亮點(diǎn)就是此處反射太強(qiáng)了。第二，不均勻的光會(huì)使視野范圍內(nèi)部分區(qū)域的光比其他區(qū)域多。從而造成物體表面反射不均勻(假設(shè)物體表面的對(duì)光的反射是相同的)。第三，均勻的光源會(huì)補(bǔ)償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。

在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)行業(yè)中，激光三角測(cè)量法被廣泛應(yīng)用。當(dāng)激光線投射到物體上時(shí)，相機(jī)從另一角度看激光線，在每個(gè)傳感器列上激光線的位置，物體在激光線下方移動(dòng)時(shí)，就可以收集到多個(gè)輪廓以形成3D圖像。