在一套完整的机器视觉系统中，照明系统是极其重要的一部分。如何选择光源方案，将直接影响后期的图像处理。照明可不是简简单单打亮就行，好的照明系统可以减少很多后期的图像处理工作，提升整个系统的工作效率。本文将用各种真实生动案例告诉你如何选择合适的照明系统。

认识各种照明方式
   在选择照明之前，我们先要明确几个问题：
      1. 表面是光滑，还是崎岖不平？
      2. 你要检测的兴趣点及其周围是光滑的，还是不光滑的？
      3. 对象是透明的，还是不透明的？
      4. 检测环境是否有杂光，是否有光源倒影？
      5. 条码或标记的颜色是怎样的？

   当物体表面十分光滑，像镜子一样会反射光时，拍摄时就会形成亮点，这样的图像均匀性差，不利于检测。这时我们就不能选择直接照明的方式进行打光了，而要选择散射光源。

   散射光源是在直射光远前面覆盖上一层漫反射的半透明材料，形成二次光源。散射光的均匀性会非常高，虽然会牺牲一定的亮度，但是对于镜面反射的材料，更均匀的发光面可以更有效的避免被测物表面形成亮点。

▲直接照明与散射照明的效果对比图。

   有些时候我们可能会面临这样的问题，我们需要检测的地方与不需要检测的地方并不是同样的表面，有的地方漫反射，有的地方镜面反射。这时候就要引入明场照明和暗场照明的概念了。

   明场照明就是用光源直接照射被测物来观测，暗场照明则是通过其他被测物反射或者衍射的光线来观测，形成了两种截然不同的打光方式。

▲明场照明与暗场照明的效果对比图。

   在直接照明中，很多由于被测物材料的不同，导致表面特征信息的丢失。而背光源就可以让透光和不透光的地方区别开来，透光的地方呈白色，不透光的地方呈黑色，这样就可以得到一个黑白对比强烈的图片。背光源在使用的时候要尽可能的保证射出的光是平行光，以保证不同强度的光照不会引起被测物轮廓的变化，从而提高整体检测的精度。

▲直接照明方式中，无法获取不同材料、不同颜色的橡胶尖牙特征，而使用背光源照明，就可以非常容易的看到这样的特征点。

当我们需要检测强烈反光表面的刻画、凹陷或者压印特征的时候，比如玻璃，就需要使用同轴光照明了。同轴光射出的光都是竖直向下的平行光，经过物体反射后，只有竖直向上的反射光才能被相机接收到，其他方向的光都散射到别的地方去了，并没有被相机接收到。由此我们就可以得到一张对比度强烈的优质图像。

▲同轴照明技术对于实现扁平物体，且有镜面特征表面的均匀照明很有用。

   在实际检测过程中，可能会由于现场杂光、表面反射等各种原因，造成表面有各种光晕、眩光。这时候我们就需要考虑偏振照明了，偏振方式在检测具有很好镜面反射特性的物体时能消除光源的影子。有关偏振光的原理请视友们移步《如何能边上班边看电影也没人发现？偏振能！》。

▲左图为没有加偏振片的成像效果，相机捕捉的画面中有光源的倒影。而右图为加了偏振片的效果，经过反射以后，只有我们需要的偏振光才能进入相机捕捉到。

   物体的颜色是由其反射光的波段决定的，因为其余波段都被吸收掉了，所以能够被相机捕捉到的波段才是其反射的波段，因此对于黑白相机来讲，光的波长能使得跟彩色一样的特征变亮或变暗。比如，在红、蓝字都有的表面，当使用红光照明时，蓝色字吸收掉所有的红光而呈现黑色，红字反射了所有的红光而呈现白色，由此得到了一张对比度强烈的优质图像。这样我们就可以通过不同波段的光源，来检测复杂颜色的表面。

▲通过红色和蓝色不同光源的照明，可以实现复杂图案的区分检测。

   如何在各种光源中进行选择？
   环形光源
   环形光源可是个大家庭，根据不同照射角度、不同颜色组合，衍生出了一般角度环形光、低角度环形光、垂直照射环形光、无影环形光等各种光源。环形光最大的能力是能够避免对角照射产生的阴影问题，从而更加突出物体的三维信息。

▲一般角度环形光，更适合突出物体三维信息。

▲低角度照射环形光源照射角度很低，照射面积相对较小，属于暗场照明的一种方式。它能突出原本难以看清边缘轮廓，更适合表现表面凸凹。

▲无影环形光源通过漫反射板形成二次光源，适用于曲面、表面凹凸，弧形表面，镜面反射体伤痕检测

▲平面照射环形光照明面积较大，光照均匀，更适合检测表面凹凸、大面积字符检测

   条形光源
   条形光源由 LED 成直线或其组合排列，照明效果符合直线性规律，用于照度高，指向性强的反射照明检测、线扫描相机缺陷检测，如印刷品检测、玻璃、布匹检测、LCD 面板检测、AOI 检测等。

▲在条形光源照射下，表面情况和字符清晰呈现。

   同轴光源
   同轴光源由类平行光，光源前面带漫反射板，可消除采集图像的重像，均匀性好，对于光洁表面的异常特征成像突出，广泛用于半导体、PCB 板以及金属零件的表面成像检测。

▲同轴光源对于局部凹陷或刮痕有非常好的表现力。

   背光源
   背光源发光部分为一个漫射面，均匀性好，可用于镜面反射材料，也可用于获取物体边缘特征信息，如晶片或玻璃基底上的伤痕检测、LCD 检测、微小电子元件尺寸形状、靶标测试等。

▲背光源非常适合透明，或获取物体轮廓图像。

   点光源
   可组合使用作为重点照明或者补光照明，也可用作准平行光学系统的光源，配合专用镜头可形成明亮均匀的同轴光照明效果。非常适合用于检测目标比较小的物体，比如半导体芯片的bonding定位。

▲配合显微镜头或远心镜头，点光源可以为小视野检测提供非常好的照明。

   穹顶光源
   穹顶光源拥有一个半球形内壁，可以均匀的反射从底部360°发射出的光线，使得整个图像照度十分均匀。非常适用于曲面、表面凹凸、弧形表面检测或者金属、玻璃便面反光较强的物体表面检测。

▲穹顶光源非常适合表面不平整的包装、去除金属表面反光及纹路干扰。

   线光源
   线扫描光源可以达到非常长的长度以及超高亮度，从而配合线扫描相机视场进行使用。非常适合各种流水线连续检测场合使用。

▲配合线扫描相机，可以对印刷缺陷、包装等进行高速连续检测。

   红外光源
   红外光相比于可见光，有更高的穿透能力，散乱率低。红外光可以透过一部分印染材料，而不反射表面的印刷图案，原始材料的散乱光反射进入镜头成像。利用其透过率高的特性能更好地进行不透明物体内部特征检测，包装表面印字检测等。

▲可见光光源无法穿透半导体材料，无法区分图案后面的字符，也无法穿透不透明塑料瓶。红外光源独特的光谱特性，使其更能胜任这些检测。

   紫外光源
   紫外光波长短，由于其散乱率较高，散乱在物体表面，能有效观察物体表面，对于非常小且不明显的物体特征，有较好的表现力。

▲紫外线因其波长更短，因而折射率不同，即使是非常浅的伤痕也能够清晰看到。

    除此之外，还可以将以上所说的多种照明方式进行组合，这样能够照明具有多种表面特性的物体，使其具有各向光线较为均匀、较高的目标和背景对比度等特征。

   选择光源的过程
   选择机器视觉光源时应该考虑的主要特征：
   1、亮度：尽可能选亮的，当光源不够亮时，可能出现三种不好的情况：
       ①相机的信噪比不够，对比度下降，噪声增大；
       ②亮度不够，必须加大光圈，从而减小了景深；
       ③自然光等随机光对系统的影响会加大。
   2、光源均匀性：不均匀的光会造成不均匀的反射，关系到下面三个方面：
       ①视野范围部分应该是均匀的，图像中暗的区域就是缺少反射光，亮点即反射太强；
       ②不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多，造成物体表面反射不均匀；
       ③均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，及时物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。
   3、光谱特性：当分析多颜色特征的时候，色温是选择光源的一个重要参数。
   4、对比度：机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度。

   接下来就可以进行光源种类及照明方式的选择。根据目标及背景特性的区别，一般选择光源的种类及照明方式按照如下几个步骤进行：
   1、确定照明的类型(直射、漫射、透射光)
       ①确定要检测目标的内容(缺陷、外观检查、尺寸测定、有无、OCR、定位)
        通过表面的反射检测微小物体表面的形状，可以使用暗场照明；
        检查透明物体的透过率和不透明物体的轮廓，可以使用背光照明；
        检测平坦的、光滑的表面较深的特征，消除阴影，可以使用同轴照明。
     ②检查表面状态（镜面、糙面、曲面、平面、立体）：
       闪光曲面，考虑用散射圆顶光；
       闪光，平的，但粗糙的表面，尝试用同轴散射光。
   2、确定照明光源的外形及尺寸(环形光源、低角度、同轴光源、穹顶光源)
     ①检查目标的尺寸(照明的大小、照明下端到被测物表面的距离)：
       条形光源可灵活安装，照明面积较大，适合较大目标的拍摄；
       一般环形光源照射面积较大，可安装位置较高；
       低角度环形光源照射面积较小、安装位置距离目标很近；
       同轴光源照明面积有限；穹顶光源安装位置距离目标较近，适合拍摄较小的目标；
     ②安装环境(温度、外乱光等)：
       如果有环境光影响造成晕光现象，尝试用单色光源，配一个滤镜
     ③视场范围、动态还是静态(相机快门速度)：
       当单个光源不能有效解决问题时可考虑使用组合光源
       对于有频闪的光源，其曝光的频率和相机的采集频率需要匹配，频闪光源能产生比
       常亮照明强 20 倍的光
   3、确定照明光源的颜色(波长)
     ①检查目标及背景的颜色和材料特性：
   为了加大 前景与背景更大的对比度，可以考虑用黑白相机与彩色光源相结合：使用与物体颜色相同的光源照射，使其在相机中成白色区域；用与物体颜色补色的光源，使其在相机中呈黑色；
   若待检测物体表面比较均匀，且缺陷非常小，可使用波长较短的光源，必要时可以考虑使用紫外光源，塑料检测等可以尝试使用；
   对于需要通过透过率的差别来进行检测，可以使用红外光源，通常在印染包装表其材质或印字检测、可见光波段透过性不好的薄壁体内物件检测等。