机器视觉(系列二)----图像采集之照明综述
上集我们一起做了个简短入门：
在机器视觉中，照明的目的是使被测物的重要特征显现，而抑制不需要的特征。为了达到此目的，我们需要考虑光源与被测物之间的相互作用。其中一个重要的因素就是光源和被测物的光谱的组成。我们可以用单色光照射彩色物体以增强被测物相应特征的对比度。照明的角度可以增强某些特征等。
因此，我们本文主要介绍以下内容：
- 电磁辐射简介
- 光源的类型
- 光与被测物的相互作用
- 如何利用照明的光谱
- 如何利用照明的方向
本文主要从以上五个方面进行系统的介绍图像采集的相关照明的知识。
一. 电磁辐射简介
要系统的了解光源照明，就必须要了解电磁辐射，这里我们回顾一下电磁辐射的相关知识，我们都知道，光是一定波长范围内的电磁辐射。人眼可见的光称为可见光，其波长范围为380~780nm，波长比此短的称为紫外光(UV)。更短的电磁辐射为X射线和伽马射线。波长比可见光更长的光称为红外线(IR)。比红外线更长的波长为微波和无线电波。
来重温一下下面的光谱表：
这里我们在科普一下色温的概念：
色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上讲，色温是指绝对黑体从绝对零度(一273℃)开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后．逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。当加热到一定的温度．黑体发出的光所含的光谱成分．就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”(开尔文)、如果某一光源发出的光，与某一温度下黑体发出的光所含的光谱成分相同．即称为某K色温、如100 W灯泡发出光的颜色，与绝对黑体在2527K时的颜色相同，那么这只灯泡发出的光的色温就是：2527K+ 273K=2800K。
单一波长的光我们称为单色光，对于由多个波长组成的光，我们通常将其与某一温度下黑体辐射的光谱来做比较，称为某K(开尔文)色温。如下图：不同的色温代表不同的光谱组成。
通过上面的回顾，我们了解了波长和色温的知识，那么在学习如何使用光源之前，我们得先了解一下常见光源的类型都有哪些？
这里略去不同光源的发光内在详细原理，我们简单介绍一下机器视觉常用光源的类型以及不同光源的特点。
- 白炽灯
原理：灯丝中传输电流产生光
色温：3000K~3400K
优点：亮度高，产生连续光谱以及工作电压低等
缺点：发热严重，寿命短，不能用作闪光灯，随着老化亮度下降。
- 氙灯
原理：氙气被电离产生光
色温：5500K~12000K
优点：亮度高，可做闪光灯
缺点：供电复杂昂贵，几百万次闪光后出现老化
- 荧光灯
原理：电流激发水银蒸汽产生紫外辐射，紫外辐射使得管壁磷盐涂层发荧光
色温：3000K~6000K
优点：价格便宜，照明面积大
缺点：寿命短，老化快，光谱不均匀，不能用作闪光灯
- 发光二极管(LED)
原理：电流激发半导体发光
色温：类似单色光
优点：寿命长，可做闪光灯，直流供电，亮度可控，功耗小，发热低
缺点：性能与环境温度有关
以上四种光源为图像处理常用的光源，那么我们该如何选择光源呢？要想知道如何选择光源，除了根据项目的应用场景，光源的优缺点，我们还得考虑光源与被测物体间的相互作用，根据不同的被测物体，选择具体的光源。
三. 光与被测物间的相互作用
光与被测物体间的相互作用有多种方式，如下图：
落到物体的光用黑箭头来表示，其中：
- 镜面反射，不多解释，入射光和反射光在同一平面，并且与法线夹角相等。
- 漫反射，由被测物表面的粗糙程度等微粒结构决定
- 定向透射，光线定向透过物体，由内部和表面结构决定
- 漫透射，光线类似漫反射式的穿透物体。
- 背反射，在两个透明介质分界面上产生的反射
- 物体吸收，物体本身吸收部分能量
除了镜面反射外，上述的各个物理量均取决于投射到物体的光的波长，不透明物体特有的颜色就是由与波长相关的漫反射及吸收决定的。而透明物体的颜色是与波长相关的投射决定的。
基本上光线与物体之间的相互作用分为以上六种。但是实际的物体要比上述简单模型复杂的多。比如有的物体是由几层不同的材料组成的，表层对于一定波长的光透明，而反射其他波长的光，下一层又可能反射部分从上一层透过的光，因此，为实物找一个合适的光源通常需要大量的实验。
既然我们了解了光与物体的相互作用，那么我们该怎么利用光谱的特性呢？
四. 如何利用照明的光谱
关于光谱的利用，我们从两个角度进行分析：光谱的吸收以及光谱的过滤。
- 光谱的吸收
我们知道彩色物体之所以呈现出彩色，是因为它反射了一部分光谱，而吸收了其他光谱。比方说蓝色的物体之所以呈现出蓝色，是因为该物体吸收了其他波段的光谱，而反射回来蓝色光谱，所以我们看到的该物体呈现出蓝色。那么我们可以利用这一特性，来增强我们需要的特征。比如使用合适的照明光源使其光谱范围正好是希望看到波长范围被物体反射，不希望看到的波长范围被物体吸收。举个栗子：如果绿色背景上有红色物体，那么我们可以用红色照明，这时红色物体会更加明亮，而绿色背景将变得暗淡。为了更具体的我们看一幅图：
上图为在不同颜色的光照下的PCB电路板所呈现的图，根据上面的原理以及上面的图片可以得到，使用白光可以得到相对较好的平均对比度如上图a，而使用某一颜色的光可以显著提高一些特征的对比度，比如红色光照下，左下方的橘黄色芯片的对比度显著增加，在这种照明下，该元件就比较容易分割出来，而在蓝色光照下五个电阻中间那个浅蓝色电阻的对比度比较好。
然而，由于CCD和CMOS传感器对于红外光比较敏感，所以也常用红外光来增强某些特征，如下图，PCB的走线在红外光下比较明显，而由于走线上覆盖有无光泽的绿色阻焊剂（这里留一个问题，为什么上图中的绿光下，绿色阻焊剂没有显现出来？大家可以在文末留言交流），在可见光下则很难看到。如下：
- 光谱的过滤
上面图中的效果可以通过白光加不同颜色的滤镜得到，但是白光这样被过滤，则发光效率大大降低，通常情况下是直接采用彩色照明。然而滤镜在机器视觉中的用途有很多，比如上面我们说到CCD和CMOS对红外敏感，因此常常需要加上红外截止滤光片来避免图像过亮以及图像颜色变化。反过来，如果被测物是用红外照明的，那么使用红外透射滤光片则能抑制可见光部分，而仅让红外光通过，将非常有助于得到好的图像。
还有一种非常有用的滤光片称为偏振片，光线在金属和绝缘体表面反射时光线会产生部分偏振，使得成像炫亮，这样使炫亮部分的某些特征不得显示出来。所以此时在相机前面加上偏振片并调整方向来抑制偏振光。由于非偏振光反射后只有部分偏振，所以更好的抑制某些反射的方法是首先使光线称为偏振光，然后再落到物体表面。如下图：
如上图，安装在光源钱的滤光片称为起偏镜，加在摄像机前的滤光片称为检偏镜，如果将检偏镜和起偏镜正交的话，反射造成的偏振光就被检偏镜抑制了。我们来看一张效果图：
上图a为直接环形光照明下的PCB板，可看到焊点及其他金属元件的镜面反射，而使用了起偏镜和检偏镜的图像b，镜面反射则几乎全部被抑制。
在我们有效的利用照明中光谱的成分的同时，照明的方向性通常也可以用在机器视觉中来增强被测物的必要特征。
五. 如何利用照明的方向
在介绍常见的照明组合之前，先介绍几个概念：
- 正面照明：相机和光源在物体的一侧
- 背光照明：相机和光源在物体的两侧
- 明场照明：大部分的光反射到相机里
- 暗场照明：大部分的光没有反射到相机
上面的划分标准基本相互独立，因此常见的照明方式有以下几种组合：
- 明场漫射正面照明
应用：常用于防止产生阴影，并减少或防止镜面反射，也可以用于透过被测物体的透明包装等
构造如下图：
上图a为前端安装了漫射扳的LED平板或环形光，b为在光源前安有漫射扳和45°半透半反镜的同轴漫射光，c为安装有漫射扳的半球光源，d光源是LED环形光，由半球表面作为漫射扳的半球照明。
- 直接明场正面照明
应用：常用于使空洞或感兴趣区域产生阴影以及会产生镜面反射的物体的图像
构造：
上图a为聚焦的环形光，b为含45°角的半透半反镜的同轴远平行照明
- 直接暗场正面照明
应用：易于突出被测物的缺口及凸起，常用于划痕，纹理或雕刻文字等物体的成像
构造：
通常有LED环形光构成。
- 明场漫射背光照明
应用：常用于得到不透明物体的轮廓
构造：
上图a为明场漫射背光照明，这种照明通常有光源前装有漫射扳的LED平板灯或荧光灯组成；b对于厚度较大的被测物，其在摄像机一侧的部分可能产生反射。
- 明场平行背光照明应用：
应用：会是被测物轮廓非常锐利，配合远心镜头使用，适合测量应用。
构造：
本文我们从电磁辐射说起，回顾了波长以及色温的概念，学习了光源的类型，光源与物体的作用方式，如何利用光谱以及几种常见的照明方式，希望大家通过本文能了解机器视觉中相关照明的知识。欢迎大家文末留言交流。