導(dǎo)語(yǔ)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)的搭建中，我們往往將大量精力花在相機(jī)分辨率、鏡頭畸變和光源打光的選擇上。然而，你是否遇到過(guò)這樣的情況：

明明光打得很足，圖像依然灰蒙蒙一片？

金屬工件反光嚴(yán)重，算法根本無(wú)法抓取特征？

用了昂貴的濾光片，畫面邊緣卻出現(xiàn)了詭異的顏色偏差？

其實(shí)，一個(gè)低成本的濾光片（Filter），往往能解決成千上萬(wàn)的硬件升級(jí)都解決不了的問(wèn)題。它是光學(xué)系統(tǒng)中的“對(duì)比度增強(qiáng)器"。

今天，我們基于實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，深入聊聊機(jī)器視覺濾光片的兩大核心流派、致命的“藍(lán)移"陷阱，以及如何用幾十塊錢的玻璃實(shí)現(xiàn)10倍的對(duì)比度提升。

01 有色玻璃 vs 鍍膜干涉：誰(shuí)是你的較佳選擇？

在機(jī)器視覺領(lǐng)域，濾光片主要分為兩大門派：有色玻璃濾光片（Colored Glass）和鍍膜干涉濾光片（Coated Interference）。了解它們的底層邏輯，是選型的第壹步。

1. 有色玻璃濾光片：穩(wěn)重的老實(shí)人

這類濾光片通過(guò)在玻璃材料中摻雜特定元素來(lái)改變吸收和透過(guò)光譜。

• 優(yōu)點(diǎn)： 成本相對(duì)較低；最重要的是，它對(duì)角度不敏感。 無(wú)論你用的是廣角鏡頭還是傾斜拍攝，它的透射波長(zhǎng)都不會(huì)發(fā)生漂移。

• 缺點(diǎn)： 截止波段較寬（Cut-on wavebands），透射曲線的坡度較緩，透過(guò)率通常不如鍍膜濾光片高。

圖 1：多款不同顏色玻璃濾光片的透射曲線

2. 鍍膜干涉濾光片：精準(zhǔn)的特種兵

通過(guò)在基底上沉積高低折射率交替的介質(zhì)層，利用光的干涉原理工作。

• 優(yōu)點(diǎn)： 截止非常陡峭（Sharp cut-off），透過(guò)率較高，阻斷能力（OD值）更強(qiáng)。

• 缺點(diǎn)： 成本較高，且存在角度敏感性（詳見下文）。

劃重點(diǎn)： 絕大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用并不需要OD 4以上的光密度。盲目追求高OD值只會(huì)增加不必要的成本。

圖 2：長(zhǎng)通、短通濾光片透射曲線示例（a）以及帶通、陷波濾光片透射曲線示例（b）

02 警惕隱形殺手：“藍(lán)移"現(xiàn)象（Blue Shift）

這是很多工程師容易“翻車"的地方。

當(dāng)你使用鍍膜干涉濾光片配合廣角鏡頭（短焦距）時(shí)，必須格外小心。

干涉濾光片通常是針對(duì)0°入射角設(shè)計(jì)的。但在機(jī)器視覺中，濾光片通常安裝在鏡頭前方。廣角鏡頭的視場(chǎng)角（FOV）很大，意味著邊緣光線會(huì)以較大的角度穿過(guò)濾光片。

物理原理：隨著入射角（AOI）的增加，光線穿過(guò)濾光片膜層的光程變長(zhǎng)，導(dǎo)致中心波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)——這就是“藍(lán)移"。

后果：

• 如果你用的是50mm鏡頭（窄角），藍(lán)移可能不明顯。

• 如果你用的是4.5mm鏡頭（廣角），圖像中心的波長(zhǎng)可能是準(zhǔn)確的，但圖像邊緣的波長(zhǎng)已經(jīng)發(fā)生了偏移，甚至導(dǎo)致目標(biāo)特征在邊緣“消失"。

圖 3：帶通濾光片在 15° 入射角下的藍(lán)移示例。需注意，不僅中心波長(zhǎng)向短波方向偏移，濾光片的透過(guò)曲線斜率也會(huì)變緩。虛線曲線為濾光片在 0° 入射角下的理想狀態(tài)。

避坑指南： 如果必須使用廣角鏡頭，且對(duì)波長(zhǎng)選擇要求不高，有色玻璃濾光片往往是比干涉濾光片更安全、更具性價(jià)比的選擇。

03 實(shí)戰(zhàn)演練：如何用濾光片“化腐朽為神奇"？

濾光片的核心使命只有一個(gè)：增強(qiáng)對(duì)比度（Contrast）。

案例一：膠囊分揀——從8.7%到86.5%的飛躍

假設(shè)我們要分揀混合在一起的紅色和綠色膠囊。

在白光背光下，使用黑白相機(jī)拍攝，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：紅色膠囊和綠色膠囊在灰度圖上幾乎是一樣的灰色。

數(shù)據(jù)說(shuō)話：此時(shí)兩者的對(duì)比度僅為 8.7%。這遠(yuǎn)低于機(jī)器視覺系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行建議的20%較低對(duì)比度。環(huán)境光稍有波動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)誤判。

解決方案：根據(jù)色輪原理（Color Wheel），使用與物體顏色相反的濾光片可以加深其顏色（變暗），使用相同顏色的濾光片可以使其變亮。

我們?cè)阽R頭前加一片綠色有色玻璃濾光片：

• 綠色膠囊變亮（光線透過(guò)）；

• 紅色膠囊變暗（光線被吸收）。

結(jié)果：對(duì)比度瞬間飆升至 86.5%！提升了近10倍。我們沒(méi)有更換昂貴的相機(jī)，沒(méi)有重新設(shè)計(jì)光源結(jié)構(gòu)，僅用一片濾光片就解決了問(wèn)題。

圖 4：同一視覺系統(tǒng)檢測(cè)下的四個(gè)液囊樣品，本圖為彩色顯示

圖 5：采用單色相機(jī)拍攝的膠囊，獲得的對(duì)比度為 8.7%

圖 6：使用單色相機(jī)搭配綠色有色玻璃濾光片拍攝膠囊，所得對(duì)比度為 86.5%

案例二：消除眩光——偏振片的妙用

面對(duì)金屬、玻璃等高反光物體，眩光是特征提取的死敵。

此時(shí)，你需要“雙偏振"方案：

1.在光源前加裝起偏器（Polarizer）；

2.在鏡頭前加裝檢偏器（Analyzer）。

關(guān)鍵操作：必須將兩個(gè)偏振片的偏振軸調(diào)整為正交（90°垂直）狀態(tài)。這樣，物體表面直接反射的強(qiáng)光（保持了原偏振態(tài)）會(huì)被鏡頭前的檢偏器阻擋，而漫反射光則能進(jìn)入成像。

圖 7：無(wú)濾光片拍攝圖像（a），存在強(qiáng)眩光；

加裝偏振濾光片拍攝圖像（b），眩光得到抑制

04 總結(jié)與建議

在機(jī)器視覺設(shè)計(jì)中，濾光片不應(yīng)是“補(bǔ)救措施"，而應(yīng)是“設(shè)計(jì)初衷"。

1.簡(jiǎn)單場(chǎng)景： 優(yōu)先考慮有色玻璃濾光片，便宜、耐用、無(wú)視角度問(wèn)題。

2.精密測(cè)量： 需要極窄帶寬或陡峭截止時(shí)，選擇鍍膜干涉濾光片，但務(wù)必計(jì)算鏡頭的視場(chǎng)角，警惕“藍(lán)移"。

3.光控與反光： 善用中性密度片（ND）控制亮度，善用偏振片消除眩光。

不要讓低對(duì)比度成為你系統(tǒng)的瓶頸。

還沒(méi)找到合適的濾光方案？

不同的波段、不同的鏡頭焦距、不同的光源環(huán)境，都需要匹配特定的濾光片。

如果您正在為機(jī)器視覺系統(tǒng)的成像質(zhì)量發(fā)愁，或者在選型上有困惑，歡迎聯(lián)系我們。

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