LED光源在图像处理中的应用及相关问题的探讨

　　摘要：由于LED是一种寿命长、功耗低、无辐射的节能环保型光源，LED光源在照明领域的应用，LED（LighyEmittingDiode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。LED光源在机器视觉的图像处理中也是应用很广泛的成像光源之一。本文从光学角度和光学成像角度进行了分析，并对应用在视觉系统的图像处理中LED光源的选择和分类，怎么样根据检测类型来选择合适的LED光源和布设光源时的方法和注意问题进行了详细阐述。
　　关健词：LED光源;光学原理;分类;应用
　　一、LED光源的特点
　　多变幻：LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。
　　高节能：直流驱动，超低功耗，电光功率达90%以上，同样照明效果比传统光源节能80%以上。
　　寿命长：LED光源无灯丝、工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，也就是5年到10年时间。
　　利环保：使用中不发出有害物质、无辐射。
　　高新尖：与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多边的特点。
　　所以在LED光源广泛应用于成像系统中作为照明，为物体光线照明，使摄像头能感光物体的外形、颜色、缺陷等。
　　二、光在图像处理中的作用
　　光是图像处理中不可缺少的因素，这有两个基本作用：一是有了光，才能有感光材料感光的可能，将感光材料置于黑暗环境，即使放置时间很长，也是无法感受光而得到影像的，二是有了光，才有了物体的形态，色彩和质感，而不同的光线对同一物体产生不同的形态，色彩和质感效果。因此，在机器视觉的图像处理上，要合理地选用光线。成像技术的用光是一项创造性的工作，成像上对光线的描述有六个因素，分别为光度、光质、光位、光型、光比和光色等。
　　光度是光的的最基本因素，它是光源发光强度和光线在物体表面所呈现亮度总和。
　　光质是指光的硬、软性质。所谓硬，指光产生的阴影的明晰而浓重，轮廓鲜明，反差高；所谓软，指光产生的阴影柔和、不明快、轮廓渐晕，反差低。硬光带有明显的方向性，它使被测物体产生鲜明的明暗对比，有助于质感的表现，硬光往往给人一种刚毅、富有生气的感觉。软光没有明显的方向性边疆适于反映物体的形态和色彩，但不善于表现物体的质感和细节。软光往往给人以轻柔、细腻之感受。光质的软硬同光源的大小及光源与被检测体距离有关。
　　光位也称光的方向，指光源相相对于被检测体的位置。光位决定着被检测体明暗所处的位置，同时也影响着被检测体的质感和形态。
　　光位可分为顺光、侧光、逆光、顶光、脚光和散射光等六种。
　　顺光常称正面光，这种光从正面射被检测体，用顺光拍检测体受光均匀，色彩还原真实、饱和，但缺乏应有的空间感和立体感，也不利于被检测体体质感受的表现。因此顺光缺乏立体感而成为忌用光。
　　侧光指从被检测体斜侧处射过来的光，侧光通常又分前侧光、正侧光和后侧光三种。前侧光一般指45º方位的正面侧光，前侧光是很常用的光位，它会使被检测体的凸起部位在光的照射下产生的阴影，由于阴影产生，正侧光一般为90º方位的光。正侧光比前侧光更能产生强烈的明暗对比，使被检测体产生戏剧性的阴阳效果。它能表现被检测体的表面和立体感。
　　三、LED 光源的综合应用
　　以上从光学角度进行了分析，在机器视觉的图象处理中不仅要靠LED光源光源来形成不同光质和光位的光线，而且要靠人为地营造出一种适合被测物体的测量类型的特殊的光场，下面就从图象处理的角度进行分析。物体的检测主要分为形休和表面两大类：
　　对形体的测量，如长度、形状、一致性、边缘数量等相同类型的测量，需要对物体的边缘进行强化。布设LED光源光源必须能使物体的形态完全真实地表现出来，而且成像出来的效果应具有很强的质感。能应用的LED光源光源类型有背光源、直线光源。
　　对表面的检测，如表面缺陷、表面灰度、标签等相同类型的测量，需要对物体表面进行强化，布设的LED光源光源必须能使物体的表面灰度的明暗变化，表面如有凹凸不平、缺陷和图案等，在光线的作用下都能在图像中表现出来，而且在灰度上有明显的区别。能应用的LED光源光源类型有环型光源、直线光源、全角度光源。
　　四、应用在图像处理中的LED光源分类
　　1、发光颜色
　　常用于成像系统中的LED光源的发光颜色主要有红、黄、绿、青、橙、紫、白色7种，发光颜色的选择要根据所检测物体的外观颜色来合理选择，根据光投射在表面反光所成像的效果来判断，什么颜色的光效果好就用什么颜色，没有特别的讲究，一般白色发光LED光源光源用得比较多一点，因为很多颜色对白色反射效果都很明显。
　　2、光线类型
　　按照发光光线的类型分常见的有：
　　环形光源---外形呈圆形（空心圆），所发出的光是一圈直线光，应用于表面检测如缺陷、灰度等。
　　平板光源---外形呈矩形或者圆形，所发出的光是一个面的平行直射光，应用于形体检测如尺寸、形状、一致性、边缘数量等
　　柱体光源---外形呈圆柱体或者长方体形，所发出的光是一束或者有宽度的的一束光，应用于表面检测如缺陷、灰度等。
　　全角度光源---外形呈半圆空心圆弧形，所发出的光是一个多角度、多方向的光线，而且LED光源光源的发光体的发光角度和强度都可以调节，此类光源用于外形不规则的物体成像效果非常好，应用于表面检测如缺陷、灰度等。
　　3、控制类型
　　LED光源光源的发光强度分为可调和固定的，可调的分为自动调整和手动调整。固定发光强度保持在固定的强度。可调整的能通过手动或者根据现场采光反馈来调整发光强度。
　　五、问题分析
　　在实际的成像过程中，最难做的就是表面不规则多形状的物体的成像处理难度最大，因为在它可能有柱体、圆锥、圆弧、半圆而且各段的在小和长度都是不相同的，这种物体仅靠选择一种合适的光源很难以实现，因为在同一个LED光源光源所发出的光作用在不规则的物体表面上所反射光的方向是不一样的，而且强弱也不一样，这就使成像效果会产生明暗非常强烈的反差，这样使物体表面根本不能真实地反映在图像上，也就不能准确进行分析检测了。要解决这个问题，就必须保证射在物体表面的各处的受光反射必须均匀，所以光靠LED光源光源所发出的光线是不能满足要求的，得利用特殊的反光材料在物体的有效范围内形成一个相对均匀的散射光场，这样既有避免杂光对成像的干拢，又使得物体表面反光成像相对均匀和反映真实的灰度，这样就能使视觉系统正确地对图像进行分析判断。
　　结论：
　　本文介绍了设计一套用于成像的光学系统的基本配置，和怎样根据检测类型正确选择LED光源类型，提出了怎么样根据物体外形和颜色来选择LED光源的发光颜色、发出光线类型、控制类型等参数，使相机采集高清楚、高质量的图像，而且采集的图像能真实地反映出所要检测的项目的特点，并在图像的灰度中反映出来，进行分析检测。