《机器视觉算法与应用》读书及实践(2)——光源

正确使用光源是机器视觉的第一步，今天这篇文章，我们来谈谈机器视觉中与光源相关的几个话题：

单色光及黑体辐射；
常见光源的类型；
光与物体的相互作用；

1、单色光及黑体辐射

我们知道光是一种电磁波，可见光的波长范围是380~780纳米。在光谱上，比可见光波长更短的是紫外线，比可见光波长更长的是红外线。可见光经过棱镜折射会产生不同颜色的光，我们把这些光称为单色光。严格来说，这里的单色光也不是绝对的单色，其波长也是一个范围，比如，蓝紫色光的波长范围为380~430纳米，而蓝色光的波长范围为430~480纳米；在机器视觉中，我们研究单色光的目的是使被测物体的某些特性增强。比如：绿色背景上的红色被测物需要增强，就可以使用红光去照射。这种情况下红色物体会更加明亮，同时绿色背景会变得暗淡；

对于由多个不同波长组成的非单色光，如果想知道其光谱特性，可以与黑体辐射光谱相比较。黑体辐射是一种热辐射源，其光谱与其温度直接相关。下面这张图是黑体在不同温度下电磁辐射波谱：

图中横坐标是波长，纵坐标是辐射能量，紫色到红色部分是可见光，K是热力学温度单位"开尔文"，不同的K线表明在不同温度下其辐射光的波长范围；这种光谱与黑体的温度相关，因此也被称为色温。后续我们说某个光源的色温范围在3000~3400K，就可以从上图中看出其波长的范围；

2、常见光源的类型

机器视觉中常用的光源包括：卤素灯、氙灯、荧光灯和发光二极管。

卤素灯是白炽灯的一种，它是在白炽灯中添加碘或溴等卤族元素气体以防止钨丝氧化。卤素灯比较亮，可以产生色温范围3000~3400K的连续光谱，但是发热大，电能转换效率低，并且寿命短，随着使用时间的延长其亮度降低很快；另外卤素灯不能用作闪光灯；
氙灯是在密闭的玻璃体中充满氙气，通电后氙气被电离产生色温范围在5500~12000K的非常亮的白光。氙灯可以做成短弧灯(点亮时间在1~20us)、长弧灯及闪光灯(200次/秒)，其缺点是供电复杂，并且在几百万次闪光后会出现老化现象；
荧光灯与氙灯类似，也是一种气体放电光源。通过电流激发惰性气体中的水银蒸汽使其产生紫外线。紫外线照射到灯管上的荧光粉从而产生可见光。早期的荧光粉(磷酸盐的卤粉)发光效率低、光衰大、不稳定。后来飞利浦公司于1974年研发了红、绿、蓝三基色荧光粉，其发光效率高，色温范围在2500~6500K，是荧光灯历史上的重要里程碑；荧光灯由交流电供电，因此会产生与供电频率相同的闪烁，对于机器视觉应用来说，应使用不低于22KHz的供电频率从而避免产生图像的明暗变化。荧光灯价格便宜，缺点是寿命短、易老化、光谱分布不均匀，并且不能作为闪光灯；
发光二极管(LED)是一种能产生类似单色光的、光谱非常窄的光源。通过改变流过二极管的电流，可以改变其亮度；通过使用不同半导体材料可以产生不同颜色的光；发光二极管寿命长(超过10万小时)、相应速度块、几乎没有老化现象、并且还可以作为闪光灯，是目前机器视觉中使用最多的一种光源；