工业机器视觉系统中光源选型和打光方法

对于一个机器视觉系统来说，但很多人会忽略一个极其关键的角色——光源。它就像视觉系统的“太阳”，决定了这个世界能被“看”得多清楚。你想想，在伸手不见五指的漆黑夜里，就算给你一双鹰眼，你也啥都看不见，对吧？机器视觉也是同一个道理。一个设计拙劣的打光方案，能让最顶尖的相机和软件瞬间变成“睁眼瞎”；而一个精心设计的光源，却能化腐朽为神奇，让普通的硬件也能出色地完成任务。今天，我们就聊一聊光源怎么选，光又该怎么打。

一、光源的选型

第一步，咱得搞清楚你要检测的物体是什么材质。它的表面是镜面反光得像不锈钢，还是粗糙漫反射得像一张A4纸？它是透明的像玻璃瓶，还是高吸收率的像黑色橡胶？不同的材质，对光的反应是天差地别的。摸清了物体的底细，接下来就是挑选光源类型了。

环形光源

像手术室里的无影灯，它能提供均匀的照明，能很好地消除阴影，适合用来给一般的平面物体打底光，看看有没有划痕、凹凸什么的。

条形光源

灵活性超高，你可以单独用一条，或者几条组合成一个角度，特别擅长勾勒物体的边缘轮廓，或者给长条形的区域提供均匀照明。

圆顶光源

要是遇到那种反光能当镜子用的物体，比如金属表面、玻璃盖板上的划伤检测，就可以使用圆顶光，它通过半球形的漫反射内壁把光打得特别均匀柔和，能完美地消除反光，让底下的瑕疵无所遁形。

同轴光光源

同轴光像是给相机镜头戴上了一副“魔法眼镜”，它的光线方向与相机镜头轴线平行，特别适合用来检测光滑表面上的极其细微的划痕、凹凸不平（比如手机屏幕的麻点），或者精确测量镜面物体的高度。

背光源

它通常是个方形的面板，让物体挡在光和相机中间，能产生非常高对比度的轮廓剪影，是尺寸测量、定位和检查物体形状缺失的绝对利器。

选完了类型，参数也得跟上。光的颜色（波长）很重要。要找出产品上的红色标签？试试用红色的光去打，标签会变得特别亮，而其他颜色会变暗，对比度一下就拉开了。这就是利用互补色原理来增强特征。

光的强度也不能忽视，太弱了信号不足，太强了容易过曝，还可能把被测物给烤坏了。所以，选型就是一个不断权衡和匹配的过程，目标只有一个：让你关心的那个特征（比如瑕疵）和它所在的背景（产品本体）之间的对比度达到最大，让相机能毫不费力地把它抓出来。

二、打光方案

光有好光源还不够，还得会怎么打光，核心就在于光线和物体的几何关系。这就好比摄影师给人拍照，顺光、逆光、侧光，出来的效果和情绪完全不同。在实际应用中，经过长期实践，形成了若干种经典且有效的打光方式。

正面照射

光源和相机在差不多同一侧，光线直接照亮被测物表面然后反射回相机。这种方式适用于大部分表面特征明显的二维检测，比如读取二维码、检测包装印刷缺陷。但它有个天敌，反光。一旦物体表面光滑，讨厌的耀斑就会淹没掉关键信息。

低角度照射

把光源放在一个侧下方角度，几乎贴着物体表面打光。对于一个完美光滑的表面，光线会直接滑走，不会进入相机，所以画面一片漆黑（形成暗场）。但一旦表面有哪怕一丁点的凸起或凹陷，比如划痕、磕碰，这些地方就会把光散射开来，其中一部分光就会在漆黑的背景上形成一条非常醒目的亮线。这下，瑕疵想藏都藏不住了。适合检测金属表面的划痕、玻璃上的裂纹。

背光照射

这理解起来最简单，就是把物体放在光源和相机中间，物体把光挡住。相机看到的不是一个被照亮的表面，而是一个清晰的、高对比度的黑色剪影。这种方式剥离了一切颜色、纹理的干扰，只专注于物体的外形轮廓。用来检查零件的形状是否完整、孔径大小是否符合标准，或者定位物体的精确位置，是再合适不过了。

同轴照射

它通过一块特殊的分光镜，让光线沿着与相机镜头轴线完全平行的方向射出。当这束“正”光打到非常平整的镜面上时，它会原路返回，相机看到的就是一片均匀的亮。但如果表面有那么一丁点的不平（比如细微的划痕或凸起），光线就会发生漫反射，无法全部返回相机，那个瑕疵点就会在明亮的背景上呈现为一个暗点。这种方式对于检测高反光表面上的微小瑕疵，效果极其出色。

当然，现实世界的检测需求往往更加复杂，单一的打光方式有时无法满足所有要求。这时候就需要组合打光方式上场了。组合打光就像是给视觉系统配上了多盏不同功能的"聚光灯"，各自负责照亮不同的特征。比如在检测易拉罐时，我们可能会用穹顶光来压制罐身整体的弧形反光，同时再用一个小角度的条形光专门打亮罐底的喷码，这样就能同时获得干净的背景和清晰的字符。

聊了这么多，我们可以下一个结论了：在机器视觉系统里，光源和打光方案绝不是配角，而是奠定整个项目成败的基石。它花费可能只占整个系统的5%-10%，但它起到的作用，绝对超过了50%。一个好的打光设计，能极大地降低后续图像处理算法的复杂度，提高系统的稳定性和可靠性，真正做到事半功倍。而一个坏的设计，则会让你在软件的坑里不停地填坑，事倍功半，最后项目还可能失败。

所以，下次当你规划一个机器视觉检测项目时，千万别一上来就埋头研究用多高分辨率的相机、多厉害的算法。不妨先停下来，拿出点时间，好好地端详一下你要检测的物体，思考一下它的物理特性。你会发现，很多时候，最高效、最可靠的解决方案，恰恰就藏在这一束恰到好处的光线里。