通過(guò)使用濾鏡，可以減少拍攝圖像的對(duì)比度，減少圖像處理時(shí)間。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)現(xiàn)在在許多工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中很常見(jiàn)。 在構(gòu)建這些系統(tǒng)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須仔細(xì)評(píng)估要檢查的產(chǎn)品類型，以及如何正確選擇照明和光學(xué)元件以增加捕獲圖像的對(duì)比度。 在此過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的吞吐量將得到改善，因?yàn)樘幚硭东@的圖像以提取相關(guān)信息所用的時(shí)間將更少。

然而，在開(kāi)始任何特定應(yīng)用的任何特定照明選擇之前，了解應(yīng)使用何種類型的照明系統(tǒng)是重要的。 今天，許多制造商根據(jù)要檢查的產(chǎn)品的類型提供各種類型的LED照明產(chǎn)品。 例如，盡管平坦的漫反射表面可能最好使用環(huán)形光照射，但是平坦的鏡面物體可能需要漫射的軸上光源或陰天照明器來(lái)增加要檢查的特征的對(duì)比度。

雖然這種照明的選擇是重要的，選擇光波長(zhǎng)來(lái)照亮部分也是重要的。 使用哪個(gè)頻率將取決于部件的屬性，因?yàn)檫@將決定哪些波長(zhǎng)將被反射和吸收。 通過(guò)選擇與要提取的感興趣特征相匹配的波長(zhǎng)并選擇相同顏色的光源，該特征將顯得更亮，反之亦然。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以選擇使用光學(xué)濾波器來(lái)執(zhí)行此任務(wù)，而不是嘗試多個(gè)波長(zhǎng)。 例如，通過(guò)用廣譜白光照明物體，帶通濾波器可以放置在相機(jī)的前面以選擇提供最佳對(duì)比度的特定波長(zhǎng)。 以這種方式，可以廉價(jià)地確定照明波長(zhǎng)的正確選擇。

中性密度

光學(xué)濾光片在減少發(fā)光強(qiáng)度，增加系統(tǒng)分辨率，消除眩光，分離顏色，色彩校正以及當(dāng)然增加被成像物體的對(duì)比度方面也證明是有用的。 在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，例如電弧焊接檢測(cè)，可能需要減少相機(jī)捕獲的光量。 在這樣的應(yīng)用中，可以使用中性密度（ND）濾光片來(lái)均等地減少所有波長(zhǎng)的光。 使用這種濾光片，可以部署具有較大光圈的照相機(jī)，從而減小場(chǎng)景的景深，從而更好地將物體圖像與背景分離。

許多制造商根據(jù)它們的光密度（OD） - 通過(guò)濾光器傳輸?shù)墓夤β?- 在數(shù)學(xué)上給出如OD = -Log10（Im / In）來(lái)指定這些濾光片的特性，其中Im是測(cè)量的強(qiáng)度，In是事件強(qiáng)度。 因此，例如，具有0.5的分?jǐn)?shù)透射率（Im / In）的中性密度濾光器將具有0.3的光密度。 一些ND濾光片是在光譜的可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)指定的，并且不會(huì)按比例阻擋UV或IR的所有波長(zhǎng)。 這在使用CCD或CMOS成像器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中可能是重要的，這些成像器在UV和IR區(qū)域都可能是敏感的。

正因?yàn)槿绱耍S多公司提供這種特別為機(jī)器視覺(jué)和科學(xué)應(yīng)用定制的ND濾光片。 例如，Edmund Optics公司的TECHSPEC UV-NIR中性密度濾光片可以將光線從紫外線衰減到NIR（190-1700 nm），并且可以提供12.5,25和50 mm的直徑尺寸以及0.3,0.5的光學(xué)密度，1.0,1.3,1.5和2.0。

帶通濾波器

雖然中性密度濾光片用于減少照相機(jī)傳感器上的光線，但是可以使用帶通濾光片來(lái)增加圖像對(duì)比度，同時(shí)選擇性地使波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)。 由于光學(xué)系統(tǒng)的軸向或軸向色差將減小，所以圖像對(duì)比度有效地增加。 在表現(xiàn)出這種軸向色差的系統(tǒng)中，透鏡的折射率隨波長(zhǎng)而變化很小。 由于對(duì)于藍(lán)光（較短的波長(zhǎng)），透鏡的折射率比紅光（較長(zhǎng)的波長(zhǎng)）大，所以不同的波長(zhǎng)將沿著軸線聚焦在不同的焦點(diǎn)上（圖1）。

圖1：出現(xiàn)色差是因?yàn)閷?duì)于藍(lán)光（較短的波長(zhǎng)），透鏡的折射率比紅光（較長(zhǎng)的波長(zhǎng)）更大。 不同的波長(zhǎng)將被聚焦在沿軸線的不同焦點(diǎn)上。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇消色差或消色差透鏡將兩個(gè)或三個(gè)波長(zhǎng)的光線分別聚焦在同一平面上來(lái)補(bǔ)償這種影響。 使用較便宜的鏡頭，也可以使用消除UV和IR光譜的帶通濾波器來(lái)減少這種類型的色差。 在許多成像應(yīng)用中，這種帶通濾波器被用于增強(qiáng)圖像內(nèi)特定特征的對(duì)比度。

如果這個(gè)特征的顏色是已知的，正確選擇照明和過(guò)濾器可以使用黑白攝像機(jī)來(lái)增加所需物體的對(duì)比度（圖2）。 在這里，來(lái)自中西部光學(xué)系統(tǒng)的許多綠色，藍(lán)色和紅色帶通濾波器被用于過(guò)濾用白光照亮的推針的圖像。 可以看出，使用這些濾波器可以選擇性地突出每種顏色。 在這種應(yīng)用中使用單色相機(jī)而不是彩色相機(jī)的另一個(gè)好處是可以獲得更高的分辨率。

圖2：來(lái)自中西部光學(xué)系統(tǒng)的綠色，藍(lán)色和紅色帶通濾波器用于過(guò)濾用白光照射的推針的圖像。 可以看出，使用這些濾波器可以選擇性地突出每種顏色。 （a）原始圖像（b）沒(méi)有濾波器的環(huán)境光（c）淡綠色帶通濾波器（d）暗紅色帶通濾波器（e）藍(lán)色帶通濾波器。

如今，大多數(shù)為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的彩色相機(jī)都使用單色成像器，拜耳濾波器陣列將紅色，綠色和藍(lán)色光傳遞給選定的像素。 為了獲得彩色圖像，然后在相機(jī)中執(zhí)行拜耳（Bayer）插值算法（通常在FPGA中）。 這種插值會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量稍差的彩色圖像，而分辨率和邊緣偽像會(huì)丟失。

然而，使用具有彩色濾光片的單色相機(jī)，不需要這樣的內(nèi)插，并且所捕獲的圖像的分辨率將會(huì)提高，所有其他參數(shù)相等。 在指定這些帶通濾波器時(shí)，濾波器制造商為其客戶提供許多重要特性，包括光密度（OD），峰值傳輸，中心波長(zhǎng)，濾波器帶寬和阻塞范圍。

雖然峰值傳輸提供了最大光傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)，但是帶寬是半功率波長(zhǎng)之間的差異或半峰全寬FWHM（圖3）。 例如，Schneider Optics的帶通濾波器在465 nm至865 nm范圍內(nèi)可用，半峰寬從50 nm到100 nm，直徑74毫米。

圖3：峰值傳輸提供了最大光傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)，帶寬是半功率波長(zhǎng)或半高全寬（FWHM）之間的差值。

色度技術(shù)公司還生產(chǎn)具有方波透射分布的濾光片，在一系列波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供相同的峰值透射率。 這些濾波器通常提供95％的傳輸，對(duì)不需要的波長(zhǎng)（≥OD6）具有很高的抑制水平。

減少眩光

盡管可以使用專用透鏡或帶通濾波器來(lái)減少色差并增加圖像中物體的對(duì)比度，但是使用專門(mén)的照明（例如陰天照明裝置）可以減少直接高強(qiáng)度光反射的影響并且在使用軸上照明時(shí)可能導(dǎo)致眩光。 在系統(tǒng)光路中采用光學(xué)偏振濾光片，也可以減少這種眩光。

通過(guò)在光源前放置一個(gè)偏振器，光線將變成線性偏振。 從物體直接反射的光也將被線性偏振，而任何漫射光將被反射為非偏振。 因此，通過(guò)在相機(jī)前面放置第二個(gè)偏振器，只有漫反射光會(huì)被成像，減少眩光。 盡管使用這樣的偏振器將衰減來(lái)自鏡面的直接反射，但是通過(guò)完美偏振器的非偏振光將衰減通過(guò)它的50％的光，并降低正被成像的物體上的光的強(qiáng)度。 根據(jù)被成像物體的結(jié)構(gòu)，反射光也會(huì)被衰減。

這種線性偏振濾光器由它們透射的光的百分比來(lái)指定。 這些偏振器的數(shù)據(jù)表顯示了偏振器如何以單一，平行和交叉配置使用。 這里，單個(gè)偏振器的透光率顯示了通過(guò)單個(gè)偏振器的光的百分比，而平行配置將采用兩個(gè)偏振器的偏振軸在相同方向上對(duì)齊。

如果兩個(gè)偏振器的偏振軸以90度交叉，則光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光線將少得多（圖4）。 在這個(gè)例子中，來(lái)自Newport的可見(jiàn)偏振器的透射圖被示出為單個(gè)，平行和交叉配置。

圖4：偏振器的透射圖表顯示了在單一，平行和交叉配置中使用濾波器的效果