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机器视觉光源概述

一、光源的作用

二、常见的视觉光源

三、光源基本性能

总结

机器视觉光源概述

光源分为两大类：自然光源和人造光源。自然光源主要是指日光，还包括星光等。能被有效利用的主要是日光，星光只能用作导航的参照物。早期的人造光源主要是燃烧燃料的一些灯具，如蜡烛、油灯。

一、光源的作用

机器视觉系统的核心是图像的采集和处理。所有信息均来源于图像，图像的质量对整个视觉系统极为关键。一幅好的图像可以提高整个系统的稳定性，从而大大降低图像处理算法的难度，同时提高系统的精度和可靠性，合理有效的照明方案尤为重要。

一幅好的图像应该具备如下条件：
1. 对比度：要求目标与背景灰度值一般相差30以上，过渡像素满足精度检测要求。
2. 均匀性：要求图像整体灰度均匀，不均匀但灰度差不影响图像处理。
3. 真实性：与颜色有关的需要颜色真实，亮度适中，不过度曝光。
4. 背景尽量淡化。

光源是影响图像质量的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量。目前尚没有一个通用的机器视觉照明设备。因此，针对每个不同的案例，需要选择合适的照明装置，以达到最佳照明效果。

光源的主要作用：

1.照亮目标，提高目标亮度；
2.形成最有利于图像处理的成像效果；
3.克服环境光干扰，保证图像稳定性；
4.用作测量的工具或参照。

二、常见的视觉光源

机器视觉常用的光源主要有 LED灯、激光、光纤卤素灯、氙灯、高频荧光灯等。

LED灯

使用寿命约30000-100000小时；优点：可以使用多个LED达到高亮度，可组合不同的形状，响应速度快，波长可以根据用途选择。

光纤卤素灯
使用寿命约1000小时左右；优点：亮度高；缺点：响应速度慢，几乎没有光亮度和色温的变化。

氙（xiān）灯
使用寿命约1000小时左右；优点：亮度高，色温与日光接近；缺点：响应速度慢，发热量大，寿命短、工作电流大、供电安全要求严格、易碎。

荧光灯
使用寿命约1500-3000小时；优点：扩散性好、适合大面积均匀照射；缺点：响应速度慢，亮度低。

LED光源的优势
1、LED光源的响应速度比其他光源更快，一般为纳秒级。
2、LED灯的设计寿命一般在50000小时以上，频闪使用寿命更长。
3、与其它类型光源比较，LED光源的光电转化效率更高，节能环保。
4、LED灯可以根据需求，选择不同的波段、色温、显色指数等光学参数。

视觉常用光源综合性能对比

三、光源基本性能

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。光源的辐射能通量是指对人眼所引起视觉的物理量。即单位时间内某一波段内的辐射能量与该波段的相对视见率的乘积。人眼对不同波段的光，视见率不同;故不同波段的光辐射功率相等，而光通量不等。

发光效率
光源发出的光通量与其所消耗的电功率的比值，称为光源的发光效率，单位为流明每瓦特(lm/w)；例如，某功率为2W的光源，发射出的光通量为260lm，则该光源此时的发光效率为130 lm/w。

发光强度
光强是发光强度的简称。表示光源在单位立体角内光通量的多少。发光强度是指光源在指定方向上的单位立体角内发出的光通量，也就是说光源向空间某一方向辐射的光通密度。符号用I表示，国际单位是candela(坎德拉)简写cd。光强代表了光源在不同方向上的辐射能力。通俗的说发光强度就是光源所发出的光的强弱程度。

光照度
被照面单位面积接受的光通量，称为光照度，单位为勒克斯(lx)，1 lx=1 lm/m² 。光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。

均匀性
通常指光源发出的光线在某一受照面的一定范围内的照度值均匀，亮度一致，则称为光源在该受照面的照度均匀。光源在该受照面的均匀性受到光源本身的设计以及光源的工作距离和工作角度等影响。

平行性
理想点光源的光线经过特殊透镜模组，能够形成出射方向相同的平行光线。光源平行性越好，光斑就越不容易随照射距离的变化而发生形状大小的改变。平行光源多用于镜面材料的缺陷检测、激光雕刻识别等。

色温
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(-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。

显色性
显色性是光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实颜色的显现程度。光源的显色性是由显色指数(Ra)来表明，它表示物体在光下颜色比基准光(太阳光)照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色显现能力较强，在其照射之下看到的颜色就比较接近自然原色，比较逼真；显色性低的光源对颜色的显现能力就比较差，在其照射下看到的物体颜色与自然原色差异也比较大。光源的色温与显色性并没有直接的关系。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同。一般工业上，光源显色指数为Ra=90-100，显色性优秀，应用于色彩精确比对的场所；Ra=80-89，显色性良好，应用于色彩需要正确判断的场所。OPT标准的LED灯色温在5000 ~ 7000K范围，显色指数70-90，高显指的色温在2700 ~ 5600K范围，显色指数大于95。

寿命
LED灯珠寿命通常在50000小时以上，与传统光源灯丝熔断停止发光不同，LED不会直接停止发光，而是光通量随时间流逝而下降，通常以光源的光通量下降到初始的50%作为寿命时长。热量是影响LED光源寿命的主要因素，通过优化LED光源电气设计和散热设计，采用频闪触发控制光源工作，降低LED工作温度，能够有效延长LED光源的寿命。

颜色
光本质上是一种电磁波，在整个电磁辐射波谱中，可见光只占其中一小部分，波长在380nm ~ 780nm之间的那部分可以为人眼所感知，称为可见光。对不可见光，一般将波长在10nm-400nm之间的光称为紫外光，将波长在770nm ~ 1mm之间的光称为红外光。
1）电磁波谱如图所示：

2）可见光与近不可见光波段波谱

3）常见LED颜色光谱

颜色合成与互补

从紫色经由蓝、青、绿、黄、橙到红色的颜色渐变中，红、绿、蓝三色中的任意一种均不能由其他两种调配出来，而且它们经一定比例混合，可以组成包括白光在内的任意颜色，因此称为光的三基色。以此为基底可以建立一种颜色空间，即常说的RGB空间，一种颜色对应该空间中的一个点。除此之外，还有很多其他的颜色空间，例如HSI、CIE、CMY、CMYK(印刷)等。颜色的主要合成关系如下表所示，如果两种颜色含有完全相同的基色成分，则称这两种颜色为相同色；如果两种颜色的组合成分有差异但差异不大，则称这两种颜色为相近色；如果两种颜色没有任何共同成分、则称这两种颜色为对比色；如果两种颜色以适当比例混合生成白光、则称这两种颜色为互补色。

颜色的合成

光照射到物体表面，反射光的颜色主要与物体表面的自然色一致；光穿过透明的物体之后，透射光的颜色主要与透明体颜色一致。如果入射的颜色和物体本身颜色一致或者比较接近，则反射率或者透射率会比较高，反之如果入射光与物体的自然色是对比色，则反射率或者透射率会比较低。
入射和透射示意图

为了方便应用，可以把可见光波段的颜色首尾相接组成一个圆环，即所谓的色环。色环中，距离比较近的颜色为相近色或者相邻色，圆环中心对称的为互补色，离得比较远的为对比色。在光照环境中，使用与物体本色相邻或相同的颜色照射，物体在图像中的亮度会相对比较高；反之，如果使用对比色光照，则会使物体在图像中显得比较暗。如下图所示，分别使用三种颜色光照射三基色图片的效果，左边从上到下依次是红、绿、蓝光照拍摄的彩色图片，右边是对应的黑白图片。从中可以发现，与照射光相同的颜色将融入到白色背景中去，而与之互补的颜色将变成黑的。因此，选择合适颜色的光照可以过滤某些干扰背景，也可以加强对比效果。

总结

1、光源可以提高图像的质量，从而提高整个机器视觉系统的稳定性，从而大大降低图像处理算法的难度，同时提高系统的精度和可靠性。
2、常见光源有：LED灯、光纤卤素灯、氙灯、荧光灯。
3、光源的基本性能主要是：光通量、发光效率、发光强度、光照度、均匀性、平行性、色温、显色性、寿命、颜色等。
4、关于光源的具体应用，见机器视觉中的光源（二）。

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