對(dui)于一個機器視(shi)覺(jue)系統來說，但(dan)很多人會忽略一個極(ji)其關鍵(jian)的角(jiao)色——光源(yuan)。它就(jiu)像視(shi)覺(jue)系統的“太陽”，決定(ding)了(le)這個世界能(neng)被“看”得(de)多清楚。你(ni)想(xiang)想(xiang)，在伸手(shou)不見(jian)五指的漆黑夜里(li)，就(jiu)算給你(ni)一雙鷹眼，你(ni)也(ye)啥都看不見(jian)，對(dui)吧？機器視(shi)覺(jue)也(ye)是同一個道(dao)理。一個設(she)計拙劣(lie)的打光方(fang)案(an)，能(neng)讓最頂尖的相機和(he)軟件瞬間(jian)變成(cheng)“睜眼瞎”；而一個精心設(she)計的光源(yuan)，卻能(neng)化腐朽(xiu)為神奇，讓普通(tong)的硬(ying)件也(ye)能(neng)出(chu)色地完成(cheng)任(ren)務(wu)。今天(tian)，我們就(jiu)聊(liao)一聊(liao)光源(yuan)怎么選，光又該(gai)怎么打。

一、光源的選型

第一(yi)步，咱(zan)得搞清(qing)楚(chu)你(ni)要檢測(ce)的物(wu)體(ti)(ti)是什么材(cai)質。它的表(biao)面(mian)是鏡面(mian)反(fan)光得像不銹鋼(gang)，還是粗糙漫反(fan)射得像一(yi)張(zhang)A4紙？它是透明的像玻璃(li)瓶，還是高吸(xi)收(shou)率(lv)的像黑色橡膠？不同的材(cai)質，對光的反(fan)應是天差地別的。摸清(qing)了(le)物(wu)體(ti)(ti)的底細，接下來就是挑選光源類型了(le)。

環形光源

像手(shou)術室(shi)里的(de)(de)無影燈，它能提供(gong)均勻的(de)(de)照(zhao)明，能很好地(di)消(xiao)除陰影，適合用來給(gei)一般的(de)(de)平(ping)面物(wu)體(ti)打底光，看看有(you)沒有(you)劃痕、凹凸什么的(de)(de)。

條形光源

靈活性超高，你可以單(dan)獨用一(yi)條，或者幾條組(zu)合成一(yi)個角(jiao)度，特別擅長勾勒物體的邊緣輪(lun)廓(kuo)，或者給長條形的區域提供均勻(yun)照明(ming)。

圓頂光源

要(yao)是遇到(dao)那種反(fan)光(guang)能當(dang)鏡子(zi)用(yong)的物體，比如金屬表(biao)面、玻璃蓋板(ban)上的劃傷檢測，就(jiu)可以使用(yong)圓(yuan)頂光(guang)，它通(tong)過半球(qiu)形的漫反(fan)射內壁把光(guang)打得(de)特別均(jun)勻(yun)柔和(he)，能完美地消除反(fan)光(guang)，讓底下的瑕疵(ci)無所遁形。

同軸光光源

同軸光(guang)像(xiang)是給相機鏡(jing)(jing)(jing)頭戴(dai)上(shang)了一副“魔法眼鏡(jing)(jing)(jing)”，它的光(guang)線方向與相機鏡(jing)(jing)(jing)頭軸線平(ping)行，特別適合用來檢(jian)測光(guang)滑表面(mian)上(shang)的極其細微的劃痕、凹凸不平(ping)（比如手機屏幕的麻點），或者精確(que)測量(liang)鏡(jing)(jing)(jing)面(mian)物體(ti)的高度。

背光源

它通常(chang)是(shi)個方形的(de)面板，讓(rang)物(wu)體擋在光和相機中間，能產生非常(chang)高對比度的(de)輪廓剪影，是(shi)尺寸(cun)測量、定(ding)位和檢查物(wu)體形狀缺失的(de)絕對利(li)器(qi)。

選完了類型(xing)，參數也得(de)(de)跟(gen)上。光的顏色(se)(se)（波長）很重要(yao)(yao)。要(yao)(yao)找出產品上的紅(hong)色(se)(se)標簽(qian)？試試用(yong)紅(hong)色(se)(se)的光去打，標簽(qian)會變得(de)(de)特別亮，而其他顏色(se)(se)會變暗，對比度一下就(jiu)拉(la)開了。這就(jiu)是利(li)用(yong)互補色(se)(se)原理來(lai)增強(qiang)特征。

光(guang)的(de)強(qiang)度(du)也不(bu)能忽視(shi)，太(tai)(tai)弱了信號不(bu)足，太(tai)(tai)強(qiang)了容易過(guo)(guo)曝(pu)，還可能把被測物給烤壞(huai)了。所(suo)(suo)以，選型就是(shi)一個(ge)(ge)不(bu)斷權衡和匹(pi)配的(de)過(guo)(guo)程，目標只有一個(ge)(ge)：讓你關心的(de)那個(ge)(ge)特征（比如瑕疵）和它(ta)所(suo)(suo)在的(de)背景（產品本體）之間(jian)的(de)對比度(du)達到(dao)最大，讓相(xiang)機能毫不(bu)費力地把它(ta)抓出來。

二、打光方案

光(guang)有(you)好光(guang)源還不夠，還得會怎么打光(guang)，核心就在于光(guang)線和物體的(de)幾何關系(xi)。這就好比攝影師給(gei)人拍照(zhao)，順光(guang)、逆光(guang)、側光(guang)，出來的(de)效果和情緒(xu)完全不同。在實際應用中，經(jing)過長期實踐，形成了(le)若干種經(jing)典且有(you)效的(de)打光(guang)方式。

正面照射

光源(yuan)和相機(ji)在差不多同一(yi)側，光線直接照亮被(bei)測物(wu)表(biao)面然后反射回相機(ji)。這(zhe)種(zhong)方(fang)式適(shi)用于(yu)大部分表(biao)面特征明顯的(de)二維檢測，比(bi)如(ru)讀(du)取二維碼、檢測包裝印刷缺陷(xian)。但(dan)它有個天敵，反光。一(yi)旦物(wu)體表(biao)面光滑，討(tao)厭的(de)耀(yao)斑就(jiu)會(hui)淹沒掉關鍵信息。

低角度照射

把光(guang)(guang)源放在一(yi)個側(ce)下方角(jiao)度，幾乎貼著物體表面(mian)打光(guang)(guang)。對于(yu)一(yi)個完美(mei)光(guang)(guang)滑的表面(mian)，光(guang)(guang)線(xian)會(hui)直接滑走(zou)，不會(hui)進入(ru)相機(ji)，所以(yi)畫面(mian)一(yi)片漆(qi)黑（形(xing)成暗場(chang)）。但一(yi)旦表面(mian)有哪怕一(yi)丁點的凸起或凹陷(xian)，比如劃(hua)痕、磕碰，這些地方就會(hui)把光(guang)(guang)散射(she)開來，其中一(yi)部分光(guang)(guang)就會(hui)在漆(qi)黑的背景上形(xing)成一(yi)條非常醒目的亮(liang)線(xian)。這下，瑕疵想藏(zang)都藏(zang)不住了。適合檢測(ce)金屬表面(mian)的劃(hua)痕、玻璃上的裂紋。

背光照射

這理(li)解起來最簡(jian)單(dan)，就是(shi)把物(wu)(wu)體(ti)(ti)放(fang)在光源和相機中間(jian)，物(wu)(wu)體(ti)(ti)把光擋住。相機看(kan)到的(de)(de)(de)不是(shi)一個被照亮的(de)(de)(de)表面，而是(shi)一個清晰的(de)(de)(de)、高對比(bi)度(du)的(de)(de)(de)黑(hei)色(se)剪影。這種方式剝離了一切顏(yan)色(se)、紋理(li)的(de)(de)(de)干擾，只專注于物(wu)(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)外形(xing)輪(lun)廓(kuo)。用來檢查零件的(de)(de)(de)形(xing)狀是(shi)否(fou)完整、孔徑大小是(shi)否(fou)符合(he)標準，或者定位物(wu)(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)精確位置，是(shi)再(zai)合(he)適不過了。

同軸照射

它(ta)通過一(yi)(yi)(yi)塊特(te)殊的(de)(de)分光鏡(jing)，讓(rang)光線沿著與相(xiang)機鏡(jing)頭軸(zhou)線完全平行的(de)(de)方向(xiang)射出。當這束(shu)“正”光打到非常平整的(de)(de)鏡(jing)面(mian)上(shang)時(shi)，它(ta)會(hui)原路返回，相(xiang)機看到的(de)(de)就是(shi)一(yi)(yi)(yi)片(pian)均勻的(de)(de)亮。但(dan)如果(guo)(guo)表(biao)面(mian)有(you)那么(me)一(yi)(yi)(yi)丁(ding)點(dian)的(de)(de)不平（比如細(xi)微的(de)(de)劃(hua)痕(hen)或凸起），光線就會(hui)發生(sheng)漫(man)反射，無法全部返回相(xiang)機，那個瑕(xia)疵點(dian)就會(hui)在明(ming)亮的(de)(de)背(bei)景上(shang)呈現為一(yi)(yi)(yi)個暗點(dian)。這種(zhong)方式對于檢(jian)測高反光表(biao)面(mian)上(shang)的(de)(de)微小瑕(xia)疵，效果(guo)(guo)極其出色。

當然，現實(shi)世界的(de)檢(jian)測(ce)需(xu)求往往更加復(fu)雜，單一的(de)打(da)光(guang)方(fang)式(shi)有(you)時(shi)無法滿足所有(you)要求。這(zhe)時(shi)候就需(xu)要組合打(da)光(guang)方(fang)式(shi)上場了。組合打(da)光(guang)就像是給視覺系(xi)統配上了多(duo)盞不(bu)同(tong)(tong)功能的(de)"聚光(guang)燈"，各自負責照(zhao)亮(liang)不(bu)同(tong)(tong)的(de)特征(zheng)。比如(ru)在檢(jian)測(ce)易拉罐時(shi)，我(wo)們可能會(hui)用穹頂光(guang)來壓制罐身(shen)整體(ti)的(de)弧形(xing)反光(guang)，同(tong)(tong)時(shi)再用一個(ge)小角度的(de)條形(xing)光(guang)專門打(da)亮(liang)罐底的(de)噴碼(ma)，這(zhe)樣就能同(tong)(tong)時(shi)獲(huo)得干凈的(de)背(bei)景和清晰的(de)字符。

聊了這(zhe)么多(duo)，我們(men)可(ke)以下一個結論了：在機器視覺系統里(li)，光(guang)源和打光(guang)方案絕不(bu)是(shi)配角(jiao)，而是(shi)奠定整個項目成敗(bai)(bai)的(de)基石。它花費可(ke)能(neng)只占整個系統的(de)5%-10%，但它起到(dao)的(de)作用，絕對(dui)超過了50%。一個好的(de)打光(guang)設計，能(neng)極大地降低后(hou)續圖像處(chu)理算法的(de)復雜度，提高系統的(de)穩定性和可(ke)靠性，真正(zheng)做(zuo)到(dao)事半功(gong)倍。而一個壞的(de)設計，則(ze)會讓你在軟(ruan)件的(de)坑里(li)不(bu)停地填坑，事倍功(gong)半，最后(hou)項目還(huan)可(ke)能(neng)失敗(bai)(bai)。

所(suo)以(yi)，下(xia)(xia)次當你(ni)規劃(hua)一(yi)(yi)個機器視覺(jue)檢測項目時(shi)，千萬(wan)別一(yi)(yi)上來就埋頭(tou)研究用(yong)多高分辨率的(de)相機、多厲害的(de)算法。不妨先(xian)停(ting)下(xia)(xia)來，拿出點時(shi)間，好好地端詳一(yi)(yi)下(xia)(xia)你(ni)要檢測的(de)物體，思考(kao)一(yi)(yi)下(xia)(xia)它的(de)物理特性。你(ni)會發現(xian)，很(hen)多時(shi)候，最(zui)高效、最(zui)可(ke)靠的(de)解決方案，恰(qia)恰(qia)就藏在(zai)這(zhe)一(yi)(yi)束恰(qia)到好處的(de)光線里。