机器视觉算法与应用：2.1 照明

今天药忘吃喽~ 2023-03-14 13:19 10阅读 0赞

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# 2.1 照明 #

照明的目的：**使被测物的重要特征显现，而抑制不需要的特性**。  
照明的重要影响因素：**光源、被测物的光谱**。

### 2.1.1 电磁辐射 ###

![电磁辐射][format_png_pic_center]

**电磁辐射**：伽马射线 < X射线 < 紫外线 < 可见光 < 红外线 < 微波 < 无线电波。  
黑体：一个理想的辐射源，只释放自己的电磁辐射，而不会反射或透射其它辐射源的电磁辐射。  
**光谱辐射**：单位面积的黑体在单位立体角内、单位波长内辐射出的能量。

![format_png_pic_center 1][]

### 2.1.2 光源类型 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">常见光源</th> 
   <th align="left">优点</th> 
   <th align="left">缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>白炽灯</strong></td> 
   <td align="left">相对较亮<br>可在低电压下工作</td> 
   <td align="left">发热严重<br>寿命短，不能用作闪光灯，老化快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>氙灯</strong></td> 
   <td align="left">可用作短弧灯、长弧灯、闪光灯</td> 
   <td align="left">供电复杂且昂贵<br>百万次闪光后出现老化</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>荧光灯</strong></td> 
   <td align="left">价格便宜<br>照明面积大</td> 
   <td align="left">光谱分配不均匀，在有些频率下有尖峰<br>寿命短，不能用作闪光灯，老化快。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>发光二极管</strong></td> 
   <td align="left">寿命长<br>可作闪光灯，响应速度快，几乎无老化<br>亮度易控制。<br>光源能耗小，发热小</td> 
   <td align="left">性能、寿命与环境温度成反比</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 2.1.3 光源与被测物间的相互作用 ###

![光与被测物相互作用][format_png_pic_center 2]

1.  反射分为**镜面反射**、**漫反射**和**背反射**。被测物表面的粗糙程度等微细结构决定光线产生的镜面反射和漫反射。被测物的形状决定镜面反射的方向。背反射会产生重影。
2.  发生在金属或绝缘材料（如玻璃、塑料）表面的反射使光线产生部分偏振。偏振由镜面反射和漫反射产生，但由镜面反射决定。
3.  透射分为**定向透射**和**漫透射**。被测物的内部和表面结果决定透射为定向透射或漫透射。
4.  入射光=反射+透射+**吸收**。
5.  除镜面反射外，其它物理量都取决于入射光的波长。

### 2.1.4 利用照明的光谱 ###

1.  使用**不同颜色的光源**可使被测物反射希望看到的光，而吸收不希望看到的光。
2.  **滤镜**用于避免图像过亮、抑制部分光线等。
3.  调整**偏振片**（如起偏镜、检偏镜）方向可抑制偏振光。

### 2.1.5 利用照明的方向性 ###

1.  **明场照明**即光源与被测物成一定角度，使得绝大部分光反射到摄像机。**暗场照明**即光源与被测物成一定角度，使大部分光没有反射到摄像机，仅使照射到被测物特定部分的光反射到摄像机。
2.  光源可以**漫射**或**直射**。漫射时，光在各个方向的强度几乎是一样的；直射时光集中在非常窄的空间范围内。平行光照明时，光源发出单向平行光。
3.  根据光源、摄像机与被测物的相对位置，光源还可分为**正面光**或**背光**。正面光即光源和摄像机在被测物的同一侧；背光即光源和摄像机在被测物两侧。透射光即被测物透明色时的背光。

![format_png_pic_center 3][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><strong>明场漫射正面照明</strong></th> 
   <th align="left">优点</th> 
   <th align="left">缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">a</td> 
   <td align="left">易于构造</td> 
   <td align="left">LED平板或环形光比被测物大得多，否则照明不均匀；<br>摄像机轴向没有光；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">b</td> 
   <td align="left">照明较均匀</td> 
   <td align="left">半透半反镜可能产生鬼像</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">c、d</td> 
   <td align="left">照明非常均匀</td> 
   <td align="left">摄像机对着被测物的方向没有光</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![format_png_pic_center 4][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><strong>明场直接正面照明</strong></th> 
   <th align="left">作用</th> 
   <th align="left">缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">a</td> 
   <td align="left">使孔洞或感兴趣区域产生阴影</td> 
   <td align="left">光线分布不均匀</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">b</td> 
   <td align="left">采集会产生镜面反射的被测物的图像</td> 
   <td align="left">需要远心镜头</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![format_png_pic_center 5][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">照明方式</th> 
   <th align="left">作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">暗场直接正面照明</td> 
   <td align="left">突出被测物的缺口及凸起，如划痕、纹理、雕刻文字等。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![format_png_pic_center 6][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">照明方式</th> 
   <th align="left">作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">明场漫射背光照明</td> 
   <td align="left">对于不透明被测物，只显示其轮廓；对于透明被测物，可检测其内部部件；<br>只适用于厚度不大的被测物。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![format_png_pic_center 7][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">照明方式</th> 
   <th align="left">作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">明场平行背光照明</td> 
   <td align="left">克服明场漫射背光照明中因被测物过厚造成反射的情况，常用于测量；<br>需要远心镜头。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[format_png_pic_center]: /images/20230312/4ca3a03d897c4abb8989f6540c604e1e.png
[format_png_pic_center 1]: /images/20230312/8b4c279acee746acb30e13276c0c6860.png
[format_png_pic_center 2]: /images/20230312/fbd171f1fef344bd84ba421d842c8bcb.png
[format_png_pic_center 3]: /images/20230312/89b438d01d8f40d28dea9edf93beb2ee.png
[format_png_pic_center 4]: /images/20230312/6e356b959f4a4bc192968b36796bbdb0.png
[format_png_pic_center 5]: /images/20230312/18e8520f203740569e2ccf00f81d3cf3.png
[format_png_pic_center 6]: /images/20230312/9bc8169ba2374f4e978e67f3ee3b1425.png
[format_png_pic_center 7]: /images/20230312/ce9909a3da824ca49ad82070cebccc9c.png