仿狗机器人视觉照明系统优化方案

照明是影响机器视觉系统输入情况的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果[218]。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用案例，要选择合适的照明装置，以达到最佳照明效果。照明系统的核心是光源，光源有可见光的和不可见光的。常用的可见光源有白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯。可见光照明的缺点是光能难以保持稳定，从而影响照明效果。如何使光能在一定程度上保持稳定，是可见光源在实用化过程中急需解决的问题。另一方面，环境光可能影响图像的质量，所以可采用添加防护屏的方法来减少环境光的影响。按光源照射方法，照明系统可分为背向照明、前向照明、结构光照明和频闪光照明等。背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式便于安装。结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们产生的畸变，解调出被测物的三维信息。频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，摄像机拍摄时要求与光源同步。

1.光源

（1）白炽灯。

白炽灯（见图3-11）通过在灯丝中传输电流产生光来照明。通常情况下，灯丝是用钨制成的。电流加热灯丝使其产生热辐射。灯丝的温度非常高，其辐射在电磁辐射谱线的可见光范围内。灯丝在真空或充有卤素气体的密闭玻璃灯泡中，常见的卤素气体为碘或溴，以防止灯丝氧化。在灯泡里充满卤素气体比起抽真空可使灯泡的寿命大大延长[219]。白炽灯的优点是相对较亮，而且可以产生色温为3 000～3 400 K的连续光谱。白炽灯的另一个优点是其可以在低电压状态下工作。缺点是发热严重，仅有5%左右的能量转换为光，其他都以热的形式散发了。白炽灯的另一个缺点是寿命短，而且不能用作闪光灯。此外，白炽灯老化快，随着时间的推移，其亮度会迅速下降[220]。

（2）氩灯。

氩灯是在密闭的玻璃灯泡中充上氩气，氩气被电离产生色温在5 500～12 000 K的非常亮的白光[221]。氩灯常被做成连续发光的短弧灯或长弧灯，还可以做成每秒可闪200多次的极亮的闪光灯，如图3-12所示。短弧灯每次亮的时间可以短至1～20μs。氩灯的缺点是供电复杂且售价昂贵。此外，在几百万次闪光后氩灯会出现老化。

图3-11　白炽灯

图3-12　氩灯(www.xing528.com)

（3）荧光灯。

与氩灯类似，荧光灯也是一类气体放电光源，通过电流激发在如氩、氖等惰性气体环境中的水银蒸气，产生紫外光辐射。这些紫外光使得封装惰性气体的管壁上的磷盐涂层发出荧光，产生可见光。使用不同的涂层，可以产生3 000～6 000 K色温的可见光。荧光灯由交流电供电，因此会产生与供电频率相同的闪烁次数。在机器视觉的应用中，为了避免图像明暗的反复变化，需要使用不低于22 kHz的供电频率。荧光灯的优点是价格便宜，照明面积大。缺点是寿命短、老化快，光谱分布不均匀，在有些频率下有尖峰出现，而且不能当作闪光灯使用。

图3-13　发光二极管（LED）

（4）发光二极管。

发光二极管（LED）是一种电致发光的半导体器件，能产生类似单色光的窄光谱光线，如图3-13所示。其发光亮度与通过二极管的电流相关。灯光颜色取决于所用半导体材料的成分。发光二极管可以制作成红外、可见光及近紫外等多种类型，也可做成白光LED。实际上白光LED内部产生的光是蓝色的，通过在半导体上加上黄磷涂层将蓝光转换为白光。LED光源的一大优点是寿命长，寿命超过100 000 h都非常常见。另外LED可用作闪光灯使用，响应速度很快，而且几乎没有老化现象。由于LED采用直流供电方式，因此，亮度非常容易控制。另外LED光源功耗小，发热小。主要缺点是LED的性能与环境温度有关。环境温度越高，LED的性能越差，寿命越短。由于相比而言，LED的优点比缺点多得多，所以它是目前机器视觉中应用最多的一种光源。

2.光与物体间的相互作用

光与物体间有多种相互作用方式。反射发生在不同介质的分界面上；物体表面的粗糙程度等微细结构，决定了光线有多少发生漫反射，又有多少发生镜面反射。漫反射在各个方向上散射的光线基本是均匀的。对于镜面反射，入射光与反射光在同一个平面，而且它们与反射面法线的夹角是相等的。因此，被测物的形状等宏观结构决定了镜面反射的方向。然而在现实中，镜面反射几乎不可能像镜子一样是理想的。发生在金属或绝缘材料（如玻璃或者塑料）表面上的反射使光线产生部分偏振。偏振的产生源于漫反射和镜面反射，但实际上主要是由镜面反射决定的。物体表面反射光的多少由双向反射率分布函数（BRDF）表示。双向反射率分布函数是光线入射方向、观察方向及波长的函数。将双向反射分布函数在两个方向上积分，即可得到表面的反射率，表面反射率仅取决于波长。

在两个透明的介质分界面上也会发生反射，这样产生了背反射，从而导致了重影。光线通过物体产生透射。当光线到达不同介质的分界面时，光的传播方向发生改变产生折射。物体的内部和表面结构决定透射为漫透射或定向透射。透过物体的光线多少称作透射率。同反射率一样，透射率也取决于光线的波长。入射光除反射和透射外剩下的光线都被吸收，吸收就是入射光在物体内部被转换成热。如果假定落到一个物体上的光为I，反射光为R，透射光为T，吸收为A，根据能量守恒定律可有：I=R+T+A。通常黑色的物体能吸收大量的光。除镜面反射外，上述各个物理量均取决于投射到物体的光的波长。不透明物体特有的颜色就是由与波长相关的漫反射及吸收决定的。而透明物体的颜色是与波长相关的透射决定的[85]。实际的物体要比上述复杂得多。比如有的物体是由几层不同的材料组成的，表层对于一定波长的光透明，而反射其他波长的光，下一层又可能反射部分从上一层透过的光。如此一来，为实物找一个合适的光源常常需要进行大量的实验。