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光源是机器视觉系统中最重要的组件之一，光源的选择是否合理，直接影响输入图像数据的质量与应用效果。本任务将介绍不同类型光源的特点及适用对象，搭建机器视觉系统对各类型光源进行试验，并介绍光源的相关知识。
机器视觉中光源的作用是显现被测物体的重要特征，同时抑制不需要的特征。合理有效的照明可以获得高质量的图像，降低后期图像处理算法的难度，提高结果的精度和可靠性，从而提高机器视觉系统的稳定性。
本任务将搭建机器视觉系统，使用HCvisionQuick机器视觉软件采集图像，选用不同类型的光源对被测物体进行照明，比较各光源照明的效果与特点，分析不同类型光源的适用对象。
（1）认识各类型的光源。
（2）掌握各类型光源的特点。
（3）掌握组合光源的应用。
LED光源因其响应速度快、使用寿命长、耗能低、亮度高等优势，被广泛应用于机器视觉系统中。LED光源按其形状可分为环形光源、条形光源、底部背光源、球积分光源、同轴光源；按其发光波段可分为红外光源、可见光光源、紫外光源。
环形光源，如图4-1所示，其LED阵列呈圆锥状排列。光线按照一定倾角照射被测物体表面，通过被测物体的表面特征对光线进行反射，从而得到高对比度图像，如图4-2所示。环形光源主要应用于边缘检测、表面缺陷检测等。
图4-1 环形光源
图4-2 环形光源的应用
环形光源可以根据不同大小、颜色和角度进行区分。光源大小由光源直径（或发光面直径）表示，单位为mm。光源颜色由颜色的英文首字母表示，如白色光源表示为W，红色光源表示为R。
环形光源的光照角度单位为度，光线与水平面的角度大于等于45°的称为高角度环光；光线与水平面的夹角小于45°的称为低角度环光。高角度环光多适用于检测外轮廓，低角度环光多适用于检测工件表面的划痕或表面凹凸不明显的字符，如图4-3所示。
图4-3 高角度环光与低角度环光效果比较
另外还有一些没有标明角度的环形光源，称为环形无影光源或环形漫射光源，如图4-4所示。这种光源由两个参数组成，即光源直径（或发光面直径）和光源颜色。环形无影光源发出的光比一般的环形光源更加均匀，适合反光比较强的物体。
图4-4 环形无影光源
条形光源由LED阵列组成，如图4-5所示，可根据需要定制不同的长度和宽度。多个条形光源可自由组合，照射角度也可任意调整，具有很强的灵活性，广泛应用于各种检测场景。
图4-5 条形光源
条形光源除光源颜色外，一般还有两个参数，即光源长边的长度（或发光面长度）和光源短边的长度（或灯珠的个数），单位都为mm。
底部背光源是置于被测物体底部的光源，如图4-6所示，常用于检测透明物体的划痕、污点或工件的外轮廓等。使用底部背光源时，被测物体置于镜头与背光源之间，如图4-7所示。底部背光源除光源颜色外，一般还有两个参数，即光源长边的长度（或发光面长度）和光源短边的长度（或发光面长度），单位都为mm。
图4-6 底部背光源
图4-7 底部背光源的应用
相比于前向照明获取的图像易受阴影干扰，背向照明获取的图像中，工件的边缘轮廓清晰，对比明显，检测精度更高，如图4-8所示。
图4-8 前向照明与背向照明比较
底部背光源还有一类变种，称为开孔背光源，即在光源中心处开一个孔，如图4-9所示，相机可以通过该孔拍摄图像。因此，开孔背光源置于被测物体正上方处照明。
图4-9 开孔背光源
球积分光源，也称碗光源或穹顶光源，如图4-10所示。其LED灯珠发出的光直接照射到碗状物内表面，经内表面高反射率涂层进行漫反射后，光线均匀地照射到被检测物体表面，如图4-11所示。球积分光源的参数由光源颜色与光源的直径长度（或发光面直径长度）组成，长度单位为mm。
图4-10 球积分光源
图4-11 球积分光源的应用
此类漫射光源先把光投射到粗糙的反射表面上，产生无方向且柔和的光，接着再投射到被测物体上，故其光线的均匀性很好。对于表面平整光洁的高反射物体，直接照明方式易产生强反光。漫射照明方式适合高反射物体和表面粗糙不平整的物体，如金属、玻璃等反射较强物体的表面检测。
同轴光源如图4-12所示，其发光面位于侧面，发出的光线经半透半反镜（分束镜）成为与镜头同轴的光线，从而获得更均匀、更明亮的照明，如图4-13所示。同轴光源参数由光源颜色和光源的长度（或发光面的长度）两个参数组成，长度单位为mm。
图4-12 同轴光源
图4-13 同轴光源的应用
因其光束经分束镜照射到工件，亮度均匀，能够凸显物体表面的不平整，克服表面反光造成的干扰，故同轴光源适用于反光强的工件表面的字符检测，或平整光滑表面的碰痕、划痕、裂纹和异物检测等。
搭建一套机器视觉系统，如图4-14所示，换用不同的光源进行照明，比较不同光源的照明效果，并尝试使用光源组合进行照明。
图4-14 机器视觉系统
活动流程如图4-15所示。
图4-15 选择机器视觉硬件活动流程
（1）搭建机器视觉系统。
搭建机器视觉系统，并在软件中打开相机。
（2）选用环形光源进行照明。
将环形光源连接到视觉处理器上，如图4-16所示。在软件中打开光源并调节到合适亮度，调节镜头光圈并对焦，使获取的图像清晰，如图4-17所示。
图4-16 环形光源
图4-17 环形光源照明时的成像
（3）选用条形光源进行照明。
将光源更换为条形光源，如图4-18所示。在软件中打开光源并调节到合适亮度，调节镜头光圈并对焦，使获取的图像清晰，如图4-19所示。
图4-18 条形光源
图4-19 条形光源照明时的成像
（4）选用底部背光源进行照明。
将光源更换为底部背光源，将被测物体置于光源上方，如图4-20所示。由于使用底部背光源照明象棋时，其边缘存在阴影渐变且缺少细节，故此步骤更换成更为合适的样品。在软件中打开光源并调节到合适亮度，调节镜头光圈并对焦，使获取的图像清晰，如图4-21所示。
图4-20 底部背光源
图4-21 底部背光源照明时的成像
（5）选用球积分光源进行照明。
将光源更换为球积分光源，如图4-22所示。在软件中打开光源并调节到合适亮度，调节镜头光圈并对焦，使获取的图像清晰，如图4-23所示。
图4-22 球积分光源
图4-23 球积分光源照明时的成像
（6）选用同轴光源进行照明。
将光源更换为同轴光源，如图4-24所示。在软件中打开光源并调节到合适亮度，调节镜头光圈并对焦，使获取的图像清晰，如图4-25所示。
图4-24 同轴光源
图4-25 同轴光源照明时的成像
在使用球积分光源对高反射物体进行照明时，观察发现获取的图像中心处有一圆形阴影，如图4-26所示。这是因为球积分光源中间圆孔区域供镜头与相机透过拍摄图像，而不反射光线，故在成像中心处出现圆形阴影。
图4-26 球积分光源照明时中心处阴影
为消除图像中心阴影，可在球积分光源上方放置一个同轴光源，如图4-27所示。在软件中调节其亮度，使两个光源的亮度一致，即可消除图像中较暗的圆形区域，如图4-28所示。
图4-27 球积分光源与同轴光源组合
图4-28 使用组合光源照明效果
在机器视觉系统的实际应用中，一种光源往往不能达到理想的效果，所以经常会使用两种及以上光源进行组合。当有些工件需要检测多个项目时，在一种光源不能兼容两个项目的情况下，可以使用两种及以上光源进行组合，通过分别控制光源亮光来实现。
光是一定波长范围内的电磁辐射。人眼可见波长范围为380~780 nm的光，称为可见光（visible light）。波长比可见光长的光称为红外光（infrared），比可见光短的光称为紫外光（ultraviolet），如图4-29所示。
图4-29 电磁波谱
人眼的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、彩度（或饱和度）。这三种特性可以统称为颜色的三属性。明度是指人眼对物体的明暗感觉。色调是指彩色彼此相互区分的特性，可见光谱中不同频率的辐射在视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。彩度表示物体颜色的浓淡程度或颜色的纯度。
在可见光波段，红、绿、蓝三色光按不同的比例混合，能产生任何一种其他颜色的光，因此称红、绿、蓝为三基色，以此可建立起RGB色彩模式，如图4-30所示。颜色的主要合成关系如表4-1所示。如果两种颜色含有完全相同的基色成分，则称这两种颜色为相同色；如果两种颜色的组合成分有差异但差异不大，则称这两种颜色为相近色；如果两种颜色没有任何共同成分，则称这两种颜色为对比色；如果两种颜色以适当比例混合生成白色，则称这两种颜色为互补色。
图4-30 颜色的生成与互补
表4-1 颜色的生成与互补
为了方便应用，将可见光波段的颜色依顺序围成一个圆环，首尾相接，使红色连接到另一端的紫色，便得到一个圆环，称为色环，如图4-31所示。色环中距离较近的颜色为相近色或相邻色，距离较远的颜色为对比色，关于圆环中心对称的颜色为互补色。
图4-31 色环
在选择光源颜色时，使用与被测物本身颜色相近或相同的光源颜色照明，获取的图像中被测物的亮度相对较高；反之，使用被测物颜色的对比色或互补色照明，获取的图像中被测物的亮度相对较低，显得较暗。在实际应用中，通过选择合适的光源颜色可以过滤某些背景的干扰，也可以加强图像的对比度。
光源是指能发出一定波长范围电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光）的物体，可以分为自然光源（天然光源）和人造光源。其中，人造光源有白炽灯、卤素灯、氙灯、荧光灯、LED灯等。
白炽灯是最传统的钨丝灯，其优点是光谱连续、显色指数高，缺点是能效低、寿命短，如图4-32所示；卤素灯是白炽灯的改进，优点是光谱连续且接近自然光、显色指数高、频闪小，缺点是热效应明显、响应速度慢，如图4-33所示；氙灯的优点是亮度高、色温与日光接近，缺点是响应速度慢、热效应明显、寿命短，如图4-34所示；荧光灯的优点是扩散性好、适合大面积均匀照射，缺点是响应速度较慢、亮度较暗，如图4-35所示；LED灯的优点是能效高、热效应小、光线稳定、成本低，缺点是光谱较窄且不连续。
图4-32 白炽灯
图4-33 卤素灯
图4-34 氙灯
图4-35 荧光灯
（1）光通量。
光通量（luminous flux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积，单位为流明（lm）。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，因此不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。相机与人眼的感光范围和感光能力不同，在相同光通量下，相机与人眼感受的光的强弱也有差异。
（2）发光强度。
发光强度（luminous intensity），在光度学中简称光强或光度，用于表示光源给定方向上单位立体角内光通量的物理量，国际单位为坎德拉（cd）。发光强度的定义考虑人的视觉因素和光学特点，是在人的视觉基础上建立起来的。
（3）光亮度。
光亮度（luminance）又称发光率，是指一个表面的明亮程度，用L表示，即光源在垂直其光传输方向的平面上的正投影单位表面积单位立体角内发出的光通量。也可理解为在某方向上单位投影面积的面光源沿该方向的发光强度。
（4）光照度。
光照度（illuminance），可简称照度，其计量单位的名称为勒克斯（lx），简称勒，表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
（5）光出射度。
光出射度（luminous exitance）是表征光源自身性质的一个物理量。光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值，用lm/m 2 表示，但与照度测试和lux不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。
（6）色温。
色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上说，色温是指绝对黑体从绝对零度（-273℃）开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后，逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。当加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为开尔文（K）。
红外（infrared，IR）光源能产生红外波段的辐射，其中，近红外波段的波长范围为0.78~1.4μm。红外光源的形状与可见光光源形状无异，区别仅在于其发出的是红外波段的辐射，而不是可见光波段。在实际应用中，常利用红外光源的穿透性，消除工件表面的薄膜干扰，如图4-36所示。
图4-36 可见光与红外光源对比
紫外（ultraviolet，UV）光源能产生紫外波段的辐射，波长范围为10~400 nm。紫外光具有荧光效应，常用于人民币的真假检测和无影胶（UV胶）的检测，如图4-37所示。
图4-37 可见光与紫外光源对比
（1）LED光源的优势不包括（ ）。
A.使用寿命长
B.耗能低
C.光谱连续
D.亮度高
（2）使用最为灵活的光源是（ ）。
A.环形光源
B.条形光源
C.球积分光源
D.同轴光源
（3）照明最为均匀的光源是（ ）。
A.环形光源
B.条形光源
C.球积分光源
D.同轴光源
（4）适合检测外轮廓的光源是（ ）。
A.底部背光源
B.环形光源
C.条形光源
D.球积分光源
（5）红色的互补色是（ ）。
A.黄色
B.绿色
C.青色
D.蓝色
参考答案：（1）C
（2）B
（3）D
（4）A
（5）C