消除镜镜面反射干扰方法研究

消除镜镜面反射干扰方法研究

张华林

杭州海康机器人技术有限公司 杭州 310052

摘要：镜面反射会造成图像过曝，失去物体原有信息，对成像干扰一直是机器视觉业界难题。本文针对镜面反射的理论基础分析了不同物体表面镜面反射特性，并针对不同物体表面反射特性研究了漫反射、多角度、同轴光、偏振等等不同光学系统方案来解决镜面反射问题，并针对实际不同场景给出了具体解决方案。

关键词：机器视觉：镜面反射：漫反射：偏振光

1引言

在机器视觉应用场景中，如检测金属、铝箔表面、反光膜片、光滑表面的物品时，镜面反射会造成局部反射光过强，使图像过曝，从而失去物体原有信息，干扰机器视觉检测。由于镜面反射是受物体材质本身影响，在成像系统受限条件下，很难通过有效手段消除镜面反射干扰。常规解决方案通过偏振来消除镜面反射，但偏振光只能消除一定角度的反射光，无法消除所有的镜面反射光干扰，如何有效消除所有的偏振光干扰，是机器视觉应用工程师必须面对的难题。

2镜面反射

根据几何光学基本定律，光线在两种均匀介质分界面上传播时一部分光线被反射回去，称为反射光线^[1]。一部分继续传播为折射光线，此处只分析反射光线成像情况。

通常情况下可以辨别物体之形状和存在，是由于光的漫射之故，物体表面反射回光线各个方向都有，因而能够清晰的突出物体表面的轮廓和颜色特性。当表面平滑的物体，形成光的镜面反射，物体表面只反射回了单一角度的光线，无法接收到物体不同位置的信息，此时镜面反射只能观察到亮斑，无法看清物体。

3反射光线特征分析

菲涅尔公式是光学中的重要公式，用它能解释反射光的强度、折射光的强度、相位与入射光的强度的关系。根据菲涅尔公式，可以将一束自然光振动矢量分解为垂直入射面的S分量和平行与入射面的P分量。当光通过不同的介质界面时，入射光分为反射光和折射光两部分，折射定律和反射定律决定了他们的方向，而这两部分光的强度和振动的取向，都需要用电磁理论中的菲涅耳公式^[2]来解释。

3.1 光的直线传播

光在均匀介质中沿直线传播，通常简称光的直线传播。它是几何光学的重要基础，人眼或者相机就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的。

根据光的直线传播特征形成了如小孔成像，影子、镜面成像等。根据光的直线传播路径，利用透镜，反光灯杯，反光镜灯罩等进行人为光束路径改变，从而可以自由选择想要的目标光线。

3.2光的偏振

光是一种电磁波，电磁波是横波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。光在介质表面反射特征可以分为自然光和偏振光，根据菲涅尔公式，当自然光从空气(n=1)进入折射率为n的介质(如某些玻璃或者金属绝缘体)为例，由麦克斯韦方程组解得，电介质的折射率是实数n，金属的折射率是复数。同样地代入上文提到过的菲涅耳公式，可以做出其s分量跟p分量的反射比曲线图^[3]。

针对电介质在入射角等于56.3°时(布儒斯特定律)，p分量的反射比为0，意味着此时所有的反射光都是s分量的光。通过再加一个偏振片，就可以把s分量全部滤掉，也即滤去了全部反射光，这是电介质的情况。

而针对金属，无论是过滤s部分还p部分，另一部分的光还是会被反射到镜头里，所以偏振镜怎么转，金属的反光都不会被过滤掉。

以上考虑的是自然光入射情况，假设一束振幅为A的线偏振光以i的入射角从空气入射到折射率为n的介质，其折射角为γ，入射的线偏振光的偏振膜与入射面的夹角为α，那么与入射面平行和入射面垂直的分分量为（平行分量和垂直分量分别用P、S表示），根据菲涅尔公式，反射光的平行入射面与垂直入射面的分量分别为：

式3.2-1

式3.2-2

从上面的结论可以得出：

（1）当线偏振光从光疏介质入射到光密介质，反射光仍然为线偏振光，其旋转的角度与入射角及入射线偏振光的震动面的方位有关。反射光的反射率R不但与入射角i有关，而且也与入射的偏振光的偏振面方位α有关。

（2）当线偏振光从光密介质入射到光疏介质，并且入射角I’[4]。

因此当线偏振光照射物体时，镜面反射光线仍然为线偏振光，震动方向与入射角度和入射方位有关；当线偏振光照射物体时，漫反射光线后各个震动方向偏振光都存在，实际已经是自然光，则线偏振光经过漫反射后成为自然光。

4反射光的消除

根据镜面反射在金属表面和非金属表面的反射特征可以看出，光的镜面反射主要是由于光的入射和出射方向决定的。以及光存在偏振特性，在金属或者非金属表面存在不同的偏振特性^[5]。

因此针对镜面反射的原理和特性可以采用改变入射方向来使镜面反射光无法进入相机从而消除镜面反射光。或者采用光的偏振来消除光源的镜面反射光。

（1）光的直线传播

（2）光的偏振

4.1光的直线传播消除

如何利用光的直线传播特征解决镜面反射干扰，实际应用其实就是利用不同的补光角度，消除直射光线进入相机。采用不同的反射和折射光路系统实现光路的偏折。针对镜面反射光线特征，可以采用如下照明方式解决反光干扰：

（1）采用低角度光源照明：被测物体表面大部分反光都不进入摄像头；

（2）采用漫反射圆顶光源照明：获得各个方向均匀的照明；

（3）采用背光源

（4）采用同轴光源照明：使物体表面反射光和CCD相机在同一轴线上，有效消除图像重影，非常适合与镜面光滑表面的检测。

（5）相机镜头位置与光源成一定角度,使发生反射的光射向其他地方.

4.2偏振消反光

根据介质表面的反射光特征，针对一般电介质，折射率为实数，反射光P光和S光比例区分较大，可以通过采用偏振镜消除P光，从而在镜头前增加偏振镜消除反射光。

针对金属，由于折射率为复数，反射光P分量和S分量比例相近，无法通过偏振镜消除。根据线偏振光在镜面反射和漫反射特征可以看出，镜面反射后线偏振光仍然是偏振光，而漫反射反反射后线偏振光是自然光。因此针对金属镜面反射光消除，在光源和镜头前都增加偏振镜，即可消除镜面反射光干扰。偏振镜的效果并不能消除所有的反光，它的作用是消除了某些振动方向的光，而保留了一定方向的光，起到减弱了反光的作用。

5 结语

镜面反射是物体的材质的本身物理特性，遵循基本的光学传播原理。本文根据光学的直线传播特点和不同材质如电介质和金属表面的偏振特性，利用不同的照明方式和偏振应用方式能够解决现有几乎所有场景下的镜面反射问题，尤其是对金属偏振特殊性进行了分析。针对机器视觉成像中镜面反射干扰问题，给出了合理的解决方案，具有重大借鉴意义。

参考文献：

[1].赵建林.高等光学[M]．国防工业出版社.2002(9)

[2].梁铨廷.物理光学[M]．电子工业出版社.2008(4)

[3].郁道银，谈恒英.工程光学.第二版[M].机械工业出版社.2016(1)

[4].刘雨龙.线偏振光反射特点分析[J].盐城工学院学报.2006(4)

[5].郭硕鸿.电动力学[M].高等教育出版社.2008(6)