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視覺(jué)知識(shí)庫(kù)

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機(jī)器視覺(jué)中的光源照明技術(shù)

在機(jī)器視覺(jué)的實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都需要使用由光源提供的燈光照明來(lái)提高圖像的亮度和對(duì)比度。同時(shí)，光源并不僅僅是為照亮物體而設(shè)計(jì)的，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，光源和照明方案的好壞往往會(huì)決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的第一步可能是二值化，它將圖像中的被測(cè)物體（前景）和背景二值化為1和0，1代表前景，0代表背景。好的光照系統(tǒng)會(huì)極大地突出物體和背景之間的差異，從而大大簡(jiǎn)化了圖像分割的算法；提高物體邊緣與背景之間的陡峭變化，從而提高了對(duì)物體的測(cè)量精度。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)恼彰鲿?huì)使整個(gè)圖像的光照不均勻，從而給二值化帶來(lái)困難；會(huì)產(chǎn)生陰影或者過(guò)曝光，從而丟失圖像的重要細(xì)節(jié)；會(huì)增加圖像傳感器轉(zhuǎn)換圖像的噪音，從而加大圖像處理的難度和降低測(cè)量的精度等。所以首先對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的光源進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)是極其重要的。

不同的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)總是不一樣的，這是因?yàn)橛绊懻彰鞣桨傅囊蛩胤浅６唷＠绻獾膹?qiáng)度、顏色、均勻性、光源的結(jié)構(gòu)、大小、照射方式以及被測(cè)物體的光學(xué)特性、距離、物體大小、背景特性等。當(dāng)然，物體本身的特性、工作環(huán)境情況等是最重要的因素。

照明設(shè)計(jì)涉及三個(gè)主要方面：光源的種類和特性、目標(biāo)及其背景的光反射和傳送特性、光源的結(jié)構(gòu)。最佳光源和照明方式的選擇需要理論知識(shí)，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的大量試驗(yàn)也很重要。

表1列出了主要幾種光源的相關(guān)特性。

光源

顏色

壽命（小時(shí)）

發(fā)光亮度

特點(diǎn)

鹵素?zé)?

白色，偏黃

5000-7000

很亮

發(fā)熱多，較便宜

熒光燈

白色，偏綠

5000-7000

亮

較便宜

LED燈

紅，黃，綠，白，藍(lán)

60000-100000

較亮

發(fā)熱少，固體，能做成很多形狀

氙燈

白色，偏藍(lán)

3000-7000

亮

發(fā)熱多，持續(xù)光

電致發(fā)光管

由發(fā)光頻率決定

5000-7000

較亮

發(fā)熱少，較便宜

表1  各種光源對(duì)比

其中LED光源憑借其諸多的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)有：
?可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；
?可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時(shí)調(diào)節(jié)亮度；
?通過(guò)散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；
?使用壽命長(zhǎng)（約3萬(wàn)小時(shí)，間斷使用壽命更長(zhǎng)）；
?反應(yīng)快捷，可在10微秒或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大亮度；
?電源帶有外觸發(fā)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，起動(dòng)速度快，可以用作頻閃燈；
?運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)的LED，會(huì)在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)；
?可根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

LED光源有紅、綠、藍(lán)、白四大類。紅色最常用，紅色波段的光線對(duì)CCD最敏感，穿透能力強(qiáng)；藍(lán)光的對(duì)物體表面擴(kuò)散能力強(qiáng)，即對(duì)表面凹凸敏感，適合表面質(zhì)量的檢測(cè)；綠光的亮度高，同時(shí)也適合特殊顏色物體的檢測(cè)，如照到綠色被測(cè)物體上，可以讓背景呈白色；白色為中性顏色，適合拍彩色圖片，或著拍黑白圖片，但被測(cè)物體有多種顏色。另外，還有紅外和紫外光源。當(dāng)然，紅外的穿透能力最強(qiáng)，所以有人用紅外攝像頭“偷拍”；紫外對(duì)物體表面的細(xì)微特征都能夠反映出來(lái)，如刑偵照片就是如此。