光源系统的认知

    光源是机器视觉系统中的关键组成部分，在机器视觉系统中十分重要。适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定机器视觉系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种:

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，保证图像的稳定性。

4)用作测量的工具或参照。

    由于没有通用的机器视觉照明设备，因此针对每个特定的应用实例，要设计相应的照明装置，以达到最佳效果。机器视觉系统中光源的价值也正在于此。

学习光源基础知识

    光源是能够产生光辐射的辐射源，一般分为自然光源和人造光源。自然光源是自然界中存在的辐射源，如太阳等。人造光源是人为地将各种形式的能量(热能、电能、化学能)转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。光源的基本参数如下。

辐射效率和发光效率

    在给定波长γ1~γ2范围内，某一光源发出的辐射能通量与产生这些辐射能通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。

    机器视觉系统设计中，在光源的光谱分布满足要求的前提下，应尽可能选用辐射效率较高的光源。某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，称为该光源的发光效率。在照明领域或者光度测量系统中，一般应选用发光效率较高的光源。

光谱功率分布

    自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上将辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么，经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。

空间光强分布

    对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不同的。若在空间某一截面上， 自原点向各径向取矢量，则矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的断点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。

光源的色温

    黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于非黑体辐射，常用黑体辐射的特性近似地表示其某些特性。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。

    辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么，黑体的这一温度就称为该辐射源的分布温度。辐射源辐射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于某种颜色可以由多种光谱分布产生，因此色温相同的光源，其相对光谱功率分布不一定相同。对于一般光源，若它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，则用相关色温表示该光源。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则黑体的这一温度称为该光源的相关色温。

光源的颜色

    光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如，高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用一种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。国际照明委员会(CIE)规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的“试验色"。

光源的寿命

    机器视觉系统多用于工业现场，系统与器件的维护是用户关心的重要问题。采用长寿命光源降低后期维护费用是用户的广泛需求。常用的几种可见光源有白炽灯、荧光灯、汞灯和钠灯等，这些光源的一个最大缺点是光能不能保持长期稳定，衰减较快。以荧光灯为例，在使用的第一个100h内，光能将下降15%，随着使用时间的增加，光能还将不断下降。因此，如何使光能在一定程度上保持稳定，是实用化过程中亟需解决的问题。

    发光二极管(LED)光源作为一种新型的半导体发光材料，在寿命方面具有非常明显的优势。

    根据纽约特洛伊照明研究中心进行的独立研究测试所获得的结果可知，普通5mm LED在20mA驱动电流下工作时，光衰情况为: 2000 ~ 2500h，光衰到70%； 6000h，光衰到50%。

    另有资料显示，如果驱动电流降低到10mA，普通5mm LED的衰减速度将大大降低，半衰期可达10000~30000h。新型的大功率LED在寿命上又达到了一个新的高度， 20000h光衰到80%，并且此后的衰减非常缓慢，半衰期可达到100000h上。LED用作工业检测设备光源的优势非常明显，是今后机器视觉系统光源制作的首选器件。

色光混合规律

    光的三原色是红、绿、蓝，三原色中任意一色都不能由另外两种原色混合产生，而其他色光可由这三色光按照一定的比例混合出来。

(1)色光连续变化规律——由两种色光组成的混合色中，如果一种色光连续变化，则混合色也连续变化

(2)补色规律——三原色光等量混合，可以得到白光。如果先将红光与绿光混合得到黄光、黄光再与蓝光混合，也可以得到白光。这两种颜色称为补色。最基本的补色有一对：红一青、绿一品红、蓝一黄。补色的一个重要性质：一种色光照射到其补色的物体上，则这种色光将被吸收。如用蓝光照射黄色物体，则呈现黑色。

(3)中间色规律——任何两种非补色光混合，可产生中间色。其颜色取决于两种色光的相对能量，其鲜艳程度取决于两者在色相顺序上的远近。

(4)代替规律——颜色外貌相同的光，不管它们的光谱成分是否一样，在色光混合中都具有相同的效果。凡是在视觉上相同的颜色都是等效的，即相似色混合后仍相似。

    色光混合的代替规律表明，只要在感觉上颜色是相似的便可以相互代替，所得的视觉效果是相同的。以上四种规律是色光混合的基本规律，这些规律可以指导机器视觉光源系统设计。例如，可以根据目标的颜色不同来选择不同光谱的光源照射，利用补色规律和亮度相加原则得到突出目标亮度、削弱背景的目的，以达到最终突出目标的效果。