机器视觉光源概述（选型参考）
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目錄
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機器視覺光源概述
一、光源的作用
二、常見的視覺光源
三、光源基本性能
總結
機器視覺光源概述
??光源分為兩大類：自然光源和人造光源。自然光源主要是指日光，還包括星光等。能被有效利用的主要是日光，星光只能用作導航的參照物。早期的人造光源主要是燃燒燃料的一些燈具，如蠟燭、油燈。
一、光源的作用
?? 機器視覺系統的核心是圖像的采集和處理。所有信息均來源于圖像，圖像的質量對整個視覺系統極為關鍵。一幅好的圖像可以提高整個系統的穩定性，從而大大降低圖像處理算法的難度，同時提高系統的精度和可靠性，合理有效的照明方案尤為重要。
一幅好的圖像應該具備如下條件：
?? 1. 對比度：要求目標與背景灰度值一般相差30以上，過渡像素滿足精度檢測要求。
?? 2. 均勻性：要求圖像整體灰度均勻，不均勻但灰度差不影響圖像處理。
?? 3. 真實性：與顏色有關的需要顏色真實，亮度適中，不過度曝光。
?? 4. 背景盡量淡化。
?? 光源是影響圖像質量的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量。目前尚沒有一個通用的機器視覺照明設備。因此，針對每個不同的案例，需要選擇合適的照明裝置，以達到最佳照明效果。
光源的主要作用：
?? 1.照亮目標，提高目標亮度；
?? 2.形成最有利于圖像處理的成像效果；
?? 3.克服環境光干擾，保證圖像穩定性；
?? 4.用作測量的工具或參照。
二、常見的視覺光源
?? 機器視覺常用的光源主要有 LED燈、激光、光纖鹵素燈、 氙燈、高頻熒光燈等。
LED燈
??使用壽命約30000-100000小時； 優點：可以使用多個LED達到高 亮度，可組合不同的形狀，響應速度快，波長可以根據用途 選擇。
光纖鹵素燈
??使用壽命約1000小時左右； 優點：亮度高； 缺點：響應速度慢，幾乎沒有光亮度和色溫的變化。
氙（xiān）燈
??使用壽命約1000小時左右； 優點：亮度高，色溫與日光接近； 缺點：響應速度慢，發熱量大， 壽命短、工作電流大、供電安全要求嚴格、易碎。
熒光燈
??使用壽命約1500-3000小時； 優點：擴散性好、適合大面積均勻照射；缺點：響應速度慢，亮度低。
LED光源的優勢
??1、LED光源的響應速度比其他光源更快，一般為納秒級。
??2、LED燈的設計壽命一般在50000小時以上，頻閃使用壽命更長。
??3、與其它類型光源比較，LED光源的光電轉化效率更高，節能環保。
??4、LED燈可以根據需求，選擇不同的波段、色溫、顯色指數等光學參數。
視覺常用光源綜合性能對比
三、光源基本性能
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光通量
?? 光通量(luminous flux)指人眼所能感覺到的輻射功率，它等于單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量并不相等。光源的輻射能通量是指對人眼所引起視覺的物理量。即單位時間內某一波段內的輻射能量與該波段的相對視見率的乘積。人眼對不同波段的光，視見率不同;故不同波段的光輻射功率相等，而光通量不等。
發光效率
?? 光源發出的光通量與其所消耗的電功率的比值，稱為光源的發光效率，單位為流明每瓦特(lm/w)；例如，某功率為2W的光源，發射出的光通量為260lm，則該光源此時的發光效率為130 lm/w。
發光強度
?? 光強是發光強度的簡稱。表示光源在單位立體角內光通量的多少。 發光強度是指光源在指定方向上的單位立體角內發出的光通量， 也就是說光源向空間某一方向輻射的光通密度。符號用I表示，國際 單位是candela(坎德拉)簡寫cd。光強代表了光源在不同方向上的 輻射能力。通俗的說發光強度就是光源所發出的光的強弱程度。
光照度
?? 被照面單位面積接受的光通量，稱為光照度，單位為勒克斯(lx)，1 lx=1 lm/m2 。光照度是衡量拍攝環境的一個重要指標。
均勻性
?? 通常指光源發出的光線在某一受照面的一定范圍內的照度值均 勻，亮度一致，則稱為光源在該受照面的照度均勻。光源在該受照面的均勻性受到光源本身的設計以及光源的工作距離和工作角度等影響。
平行性
?? 理想點光源的光線經過特殊透鏡模組，能夠形成出射方向相同 的平行光線。光源平行性越好，光斑就越不容易隨照射距離的變化而發生形狀大小的改變。平行光源多用于鏡面材料的缺陷檢測、激光雕刻識別等。
色溫
?? 色溫是表示光線中包含顏色成分的一個計量單位。從理論上講， 色溫是指絕對黑體從絕對零度(-273℃)開始加溫后所呈現的顏色。 黑體在受熱后，逐漸由黑變紅，轉黃，發白，最后發出藍色光。當加熱到一定的溫度，黑體發出的光所含的光譜成分，就稱為這一溫 度下的色溫，計量單位為“K”(開爾文)、如果某一光源發出的光， 與某一溫度下黑體發出的光所含的光譜成分相同，即稱為某K色溫。
顯色性
?? 顯色性是光源的光照射到物體上所產生的客觀效果和對物體真實顏色的顯現程度。光源的顯色性是由顯色指數(Ra)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光(太陽光)照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對顏色顯現能力較強，在其照射之下看到的顏色就比較接近自然原色，比較逼真；顯色性低的光源對顏色的顯現能力就比較差，在其照射下看到的物體顏色與自然原色差異也比較大。光源的色溫與顯色性并沒有直接的關系。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同。一般工業上，光源顯色指數為Ra=90-100，顯色性優秀， 應用于色彩精確比對的場所；Ra=80-89，顯色性良好，應用于色彩需要正確判斷的場所。OPT標準的LED燈色溫在5000 ~ 7000K范圍， 顯色指數70-90，高顯指的色溫在2700 ~ 5600K范圍，顯色指數大于95。
壽命
?? LED燈珠壽命通常在50000小時以上，與傳統光源燈絲熔斷停止發光不同，LED不會直接停止發光，而是光通量隨時間流逝而下降，通常以光源的光通量下降到初始的50%作為壽命時長。熱量是影響LED光源壽命的主要因素，通過優化LED光源電氣設計和散熱設計，采用頻閃觸發控制光源工作，降低LED工作溫度，能夠有效延長LED光源的壽命。
顏色
?? 光本質上是一種電磁波，在整個電磁輻射波譜中，可見光只占 其中一小部分，波長在380nm ~ 780nm之間的那部分可以為人眼所感知，稱為可見光。對不可見光，一般將波長在10nm-400nm之間的光稱為紫外光，將波長在770nm ~ 1mm之間的光稱為紅外光。
?? 1）電磁波譜如圖所示：
?? 2）可見光與近不可見光波段波譜
?? 3）常見LED顏色光譜
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顏色合成與互補
??從紫色經由藍、青、綠、黃、橙到紅色的顏色漸變中，紅、綠、 藍三色中的任意一種均不能由其他兩種調配出來，而且它們經一定比例混合，可以組成包括白光在內的任意顏色，因此稱為光的三基色。以此為基底可以建立一種顏色空間，即常說的RGB空間，一 種顏色對應該空間中的一個點。除此之外，還有很多其他的顏色空間，例如HSI、CIE、CMY、CMYK(印刷)等。顏色的主要合成關系 如下表所示，如果兩種顏色含有完全相同的基色成分，則稱這兩種顏色為相同色；如果兩種顏色的組合成分有差異但差異不大，則稱這兩種顏色為相近色；如果兩種顏色沒有任何共同成分、則稱這兩種顏色為對比色；如果兩種顏色以適當比例混合生成白光、則稱這兩種顏色為互補色。
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顏色的合成
??光照射到物體表面，反射光的顏色主要與物體表面的自然色一 致；光穿過透明的物體之后，透射光的顏色主要與透明體顏色一致。 如果入射的顏色和物體本身顏色一致或者比較接近，則反射率或者透射率會比較高，反之如果入射光與物體的自然色是對比色，則反射率或者透射率會比較低。
??入射和透射示意圖
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??為了方便應用，可以把可見光波段的顏色首尾相接組成一個圓 環，即所謂的色環。色環中，距離比較近的顏色為相近色或者相鄰 色，圓環中心對稱的為互補色，離得比較遠的為對比色。在光照環境中，使用與物體本色相鄰或相同的顏色照射，物體在圖像中的亮 度會相對比較高；反之，如果使用對比色光照，則會使物體在圖像中顯得比較暗。如下圖所示，分別使用三種顏色光照射三基色圖片的效果，左邊從上到下依次是紅、綠、藍光照拍攝的彩色圖片，右邊是對應的黑白圖片。從中可以發現，與照射光相同的顏色將融入到白色背景中去，而與之互補的顏色將變成黑的。因此，選擇合適顏色的光照可以過濾某些干擾背景，也可以加強對比效果。
總結
??1、光源可以提高圖像的質量，從而提高整個機器視覺系統的穩定性，從而大大降低圖像處理算法的難度，同時提高系統的精度和可靠性。
??2、常見光源有：LED燈、光纖鹵素燈、氙燈、熒光燈。
??3、光源的基本性能主要是：光通量、發光效率、發光強度、光照度、均勻性、平行性、色溫、顯色性、壽命、顏色等。
??4、關于光源的具體應用，見機器視覺中的光源（二）。
總結
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