视觉光源.docx

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视觉光源

视觉光源

   做机器视觉，一定会涉及到光源，它在机器视觉中有重要的作用，直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

   所以我们说光源起到的作用：

就是获得对比鲜明的图像。

图像的质量好坏，也就是看图像边缘是否锐利,具体来说：

1、将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大

2、尽量消隐不感兴趣部分

3、提高信噪比，利于图像处理

4、减少因材质、照射角度对成像的影响

控制光源反射方

图像的边缘锐利程度对比

常用的有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。

先简单介绍一下后面两种。

       卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。

它真正发光的是卤素灯炮，功率很大，可达100多瓦。

高亮度卤素灯炮，通过光学反射和一个专门的透镜系统，进一步聚焦提高光源亮度。

卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的。

适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。

但它的缺点就是卤素灯炮寿命只有2000小时左右。

       高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率，消除图像的闪烁。

适合大面积照明，亮度高，且成本较低。

但需要隔一定时间换灯管一定要进口的才过关，国内的高频做的不行，老有闪烁，国外最快可做到60KHz。

相对来说，目前LED光源最常用。

主要有如下几个特点：

1、使用寿命长，10000-30000小时。

2、由于LED光源是采用多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。

3、有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。

针对不同检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。

下面我们具体讨论以下LED光源的分类。

     LED光源可以分为2大类：

一类是正面照明，一类是背面照明。

      正面照明用于检测物体表面特征，背面照明用于检测物体轮廓或通明物体的纯净度。

     正面光源按照光源结构分，有环形灯、条形灯、同轴灯和方形灯。

当然环形灯用得最多，包括直射环形，漫反射环形,Dome灯等。

     我们说直接照射环形、漫反射环形 、Dome灯，这三种的区别如下。

     比如直接照射环形，适合不反光物体的检测；

漫反射环形，适合反光物体检测。

直射环形（垂直照射）

带角度环形

低角度环形

水平照射环形

       Dome灯，也算漫反射的一种，但它是通过半球型的内壁多次反射，可以完全消除阴影。

主要用于检测球型或曲面物体。

       直接照射环形按照射角度分，有直射环形（垂直照射）,带角度环形,低角度环形和水平照射环形等。

可以理解就是：

每个LED的光轴和环形灯外壳之间的夹角，依次为0°，20°，60°,90°（具体型号可能会稍有变化）。

不同的角度适合不同的检测要求。

前面两种为明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测；后面两种为暗视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都不进摄像头，故背景呈黑色，只有物体高低不平之处的反光进入摄像头，比如金属表面划痕的检测，背景呈黑色，划痕呈白色。

同时，直射环形（垂直照射）和带角度环形的区别在于，前面一种的照射距离较远，后者较近。

低角度环形和水平照射环形的区别也是这样。

       同时，漫反射环形也有直射和低角度之分。

直射漫反射

低角度漫反射

       条形灯，有两个应用。

一个是宽幅检测，2个或4个条形组合使用，另一个是线扫描的照明。

      前面一个?

?

?

条形灯组合使用，它的最大特点是每个方向的光源照射角度可调，因为光源的照射角度对我们最终的图象效果有很大影响。

灵活性比较大，但调试时也相对费事一些。

      另外一个应用，就是线扫描照明。

因为现在linescan项目多起来了，所以想多介绍一些。

linescan相机每次都是采集一条线，且曝光时间短，对光源亮度要求很高。

光源需要采用聚光型，集中照到一条线上，这样才能准确控制你的图象稳定。

Linescan的照明，常用的有几种办法：

超高亮LED+聚光镜、光纤+聚光镜、高频荧光灯+聚光镜。

超高亮LED+聚光镜，寿命长不用说，但成本较高，照射距离可能会受一些限制；光纤亮度高，但成本贵；高频荧光灯，成本较低，但需要隔一定时间换灯管。

       接下来介绍同轴灯。

       同轴灯主要用于检测反光程度很厉害的平面物体，比如玻璃。

它的特点是：

里面有一块45度安装的半透半反玻璃。

LED发出的光线，先通过全反射垂直照到被测物体，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头。

这样就既消除了反光，又避免了图象中产生摄像头的倒影。

       但是有一点提醒一下，同轴灯可以消除反光，但只适合检测平面的物体，而不适合检测有弧度的物体。

因为同轴灯让CCD只能接受到和物体垂直，也就是和镜头同轴的光线，所以就叫同轴灯啊。

       当然同轴灯还有一种，就是点光源。

因为点光源是和同轴镜头配合使用。

事实上，只是把上面同轴灯45度半透半反的玻璃，移植到镜头里面去了。

所以这时选的是同轴镜头。

       背面照明

       背光的作用就是让透光和不透光的部分，区分开来：

透光的地方呈白色，不透光呈黑色。

这样取得一个黑白对比的图片。

       在背光的选型上面，一个就是需要均匀性好，第二个就是看穿透力。

如果需要穿透力强的话就可以选，红外光。

因为波长长穿透力更强

       提到这个问题，顺便介绍一下光源的颜色选型。

         一般有红、绿、蓝、白、红外。

其中红色用得最多，因为红色LED成本低,并且黑白CCD芯片对660nm光线最敏感。

兰色适合检测物体表面质量，因为波长短。

当然，紫外的散射性更好，因为波长更短。

而白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或着被测物体的颜色在变化的。

绿色的亮度很高，且波长和兰色接近，所以有时可用绿色代替兰色。

红外用于半透明等的物体检测

       波长越长，穿透力越强；波长越短，扩散性越好。

什么是绿色照明?

何谓绿色照明？

绿色照明是国际上通用的对采用节约能源、保护环境照明系统的形象说法。

绿色照明就是通过推广高效节能灯，替代白炽灯等低效照明光源，逐步建立起一个优质高效，经济舒适，有益环保和改善人们生活质量的照明环境。

是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光控制设备和控光器件），充分利用天然光，改善提高人们工作、学习、生活条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

      照明节能只是绿色照明工程中的一个重要组成部分，一般情况下可以通过选用电光转换效率高的光源产品、高效率的灯具配合恰当的光源、低电能损耗的照明电器、合理的照明供电系统、合理的照明控制系统等多个方面的多种手段来达到照明节能的目的。

      对于照明节能的概念，在《中华人民共和国节约能源法》（1998年1月1日实施）等法律、法规文件中都有提及，从1996年开始，国家经贸委/联合国开发计划署（UNDP）/全球环境基金（GEF）共同实施了“中国绿色照明工程促进项目”，在此项目即将结束时，重新修订了我国《建筑照明设计标准》（2004年12月1日实施），新标准号为GB50034-2004，在新的照明标准中对多种建筑的大多数功能区域提出了“照明能效”标准要求，用每平米内的耗电量（即，功率密度）作为衡量标准，所有在实施日期后新设计的项目均强制执行此设计标准，符合其中照明能效标准的要求。

照明常识

一、照明术语

　　1）光通量：

光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量，单位：

流明（Lm）。

一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。

如85W无极灯的光能量为5100Lm，而135W无极灯的光能量为8100Lm；

　　2）光效：

光源将电能转化为可见光的效率，即光源消耗每一瓦电能所发出的光，数值越高表示光源的效率越高。

从经济（能效）方面考虑，光效是一个重要的参数。

单位：

流明/瓦（lm/w）。

　　如85W无极灯的光能量为5100Lm，则其光效为5100Lm/85W=60lm/W

　　3）光强（luminousintensity）单位：

坎德拉（cd）　

　　光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度。

　　1cd=1lm•sr-1

　　即1单位立体角内发射1流明的光，光强为1坎德拉。

sr为球面度是立体角的单位。

立体角的最大数值为4π球面度。

例如，一只85W　　无极灯的光通量为5100lm，则它的平均光强为：

5100lm/4πsr=406cd

　　4）照度：

单位被照面上接收到的光通量称为照度。

如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1（lx）。

单位：

勒克斯（lx）。

　　1勒克斯（lx）相当于每平方米被照面上光通量为1流明（lm）时的照度。

夏季阳光强烈的中午地面照度约5000lx，冬天晴天时地面照度约2000lx，晴朗的月夜地面照度约0.2lx。

　　照明推荐的维持照度值范围：

照度范围（lx）

评价的平面　

　应用场所

1～10

水平垂直

舒适环境、普通仓库保安、比较随意的体育训练场所

10～15

水平

货物装卸、要求不高的工作地区、车库

50～100

水平垂直　

要求严格之工作地区、体育活动、运动场航空服务区、广告

100～150

水平垂直

　俱乐部和竞赛性运动、销售区广告、体育比赛

500～1000

垂直　

　有观众的体育比赛

1000～2000

垂直　

电视直播的体育比赛

　　照度的一些常用数据

　　晴天室外300－－－2000Lm?

根据时间不同而定?

　　阴天室外50－－－500Lm晴天室内角落20Lm

　　月夜0.02－－－－0.2Lm一般办公室要求的光照度在100～200Lm；一般学习的光照度应不少于75Lm；

　　5）亮度：

光源在该方向上的单位投影面中单位立体角内发射的光通量，单位：

坎德拉cd/m2,即每平方米光强为1坎德拉，

　　太阳的亮度为2×109cd/m2

　　白炽灯的亮度约为（3-5）×106cd/m2

　　普通荧光灯的亮度只有6~8×103cd/m2

　　6）平均寿命：

指灯的光通维持率达到国家标准规定的要求并能继续燃点至50%的灯达到单只灯寿命时的累计时间（即50%的灯失效时的寿命），单位：

小时（h）

　　7）色温：

当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体的温度就称为该光源的色温。

“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成分则越多，而红色的成分则越少。

例如：

白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K左右，而日光色荧光灯的色温则是6400K左右，单位：

开尔文（K）。

　　白炽灯的色温一般在2700K左右、日光灯的色温在2700-6400K左右、钠灯的色温在2000K左右。

　　8）显色指数：

衡量光源显现实照物体真实颜色能力的参数。

显色指数高（0-10