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工业相机的图像质量

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豪哥的世界
2018.02.27 16:43 字数 2031

工业图像处理领域的图像质量

对于资深摄影师来说,好的图像质量意味着一张有锐度,高亮度,高对比度的图像。在工业图像处理领域,图像质量包含更多维度的含义。

假设你有两台满足需求的工业相机,从外观看都差不多,那么如何判断哪台相机可以获取更好的画质呢?

我们先看一下EMVA1288的数据表。EMVA1288(网址:http://www.emva.org)是欧洲机器视觉委员会制定的标准,目的是用于评估相机和传感器的图像质量和灵敏度衡量。

1288标准数据表.png

数据表中的很多值都很好,但,是不是值越高越好呢?很多人可能对传感器和像素值比较熟悉,觉得是最重要的图像质量影响因素。

传感器和像素大小、量子效率、分辨率

传感器是相机的核心,因为它确实是最重要的部件。传感器包含了很多携带像素信息的光电二极管,这些像素信息从光子能量转化而来,变为电子信息,电子信息进而转化为可以用于软件处理的图像。电子信息中获得的光子信息有个比例,叫做量子效率(Quantum Efficiency QE in %),因此,在同样的光子信息量下,越多的电子信号数量生成,量子效率越高,而量子效率越高,图像质量越好。

以单反数码相机为例,它具备大传感器,而普通相机带有更小的传感器。在理想状态下,两个相机都可以得到高质量图像。但一旦到了黑暗环境,单反相机拍出来的图像质量更好。大的传感器可以获取到更多的光子信息,而普通相机会通过闪光灯快速补偿没有获得的信息。如果你设置了普通相机不用闪光灯,它就会调整ISO,那么就会增加了图像的噪度。

简单来说,传感器越大,图像质量越高。下面是传感器大小的对比


传感器大小对比.png

接着,除了传感器大小影响图像质量之外,像素数量和在传感器表面的大小也是影响图像质量的重要因素。

一台单反相机(全尺寸)和普通相机(4/3"),都有1500万像素,很显然,如果传感器大小不变,普通相机中传感器内像素会更小以便获得同样的分辨率,如果传感器表面的像素过多,也会造成噪度更大和更小的光感,这样过大的像素也会在成图像质量下降。

实际上,像素一般会综合传感器,镜头和之间物体的距离来确定,像素大小对于获得的光信息数量至关重要。

举个例子,它就像数以百万级的小铁桶在接着雨水,捕获区域越大,收集到的光子信息越多。通过曝光,每个桶里面的数值越精确,一般我们会有256个不同的灰度值,0代表全黑,255代表全白,正如传感器感知到的数值。一旦桶里面的雨水已经满了,即像素已经收集好了,溢出的信息都会变为255即全白来处理,也就是说,图像信息丢失了。


阴影部分.png

比如这张图片中,阴影部分需要经过较长的曝光时间来收集足够的光子信息,因为细节部分还是不够细腻,而白云部分又有些过曝,就像水桶装满后溢出了。假如你现在压缩曝光时间,那么正常的像素点就会变得没有时间获取到足够的光子信息,这些像素点就会变得黑了一些。这就是单反相机具有更好图像质量的原因。

事实上,具有大像素的相机可以获取到更多的灰度细节信息。

动态范围

相机的图像获取到细节多少我们有个指标,叫做动态范围,它是衡量光敏感度的比例范围值。前面图片的例子中,相机的动态范围可以满足获取亮暗细节的需求。

在工业视觉系统应用中,交通场景中的相机需要相机具有较宽的动态范围,以便获取汽车行驶速度。

在车牌旁边的区域内,往往显得比较亮,而驾驶员旁边的区域就显得比较暗。

行驶中的汽车.png

宽动态范围的相机可以获取到亮暗不同区域的清晰图像(车头和驾驶员),而窄动态范围的相机只能获取到单一区域的清晰图像(车头或者驾驶员)。

信噪比

噪度也是衡量图像质量的另一个关键指标。看这张图中放大后的颗粒,有着明显的噪度。

我们用信噪比来衡量图像质量,假设我们在开车中听着音乐,车里面的音乐我们认为是信号,而除此之外有大量的噪音存在,我们把它们进行对比得出信噪比,音乐效果越好,信噪比越高,效果越差,信噪比越低。

回到我们单反相机和普通相机的例子,单反相机有较好的的信噪比,它获取到更多的光子信息和很少的噪度信息。

越高的信噪比,图像中的颗粒感越少,图像质量越高。

传感器技术在这里扮演了重要角色。CMOS传感器技术近几年发展的不错,它有如下优势

  • 强大
  • 高敏感度
  • 快速
  • 价格低

但只有相机制造商特别注意关键细节,才能发挥出传感器的全部潜力,图像质量不仅仅包括这些相机技术和传感器属性,我们应该全面考虑整体的视觉系统。

锐度和对比度

好的图像质量还需要有锐度,对比度。
比如在一个流水线中,需要对产品进行条形码的拍摄,对黑白的中间过度区域识别的越好,效果越好,这就需要相机具有好的锐度和对比度。


条形码.png

如何对比工业相机的成像质量

不管你的需求是什么,都需要注意对多个相机进行对比。如果相机的传感器大小一样,那么对比就会比较容易,这里有一些对比需要具备的条件可以供参考。

  • 被拍摄物
  • 光源
  • 相机和物体的距离
  • 曝光时间
  • ROI,感兴趣区域
  • 镜头
  • 增益
  • 镜头的F-number

如果需要对比的相机,传感器大小不一样,就没有那么简单了。
我们需要变换相机和物体的距离,镜头,ROI等来对比。

所以我们要对比相机,那么应该让相机制造商提供EMVA1288数据表的条目指标,并测试相机在实际场景中的表现。

显然,还有很多其他工具/指标可以评估图像质量,但这些是最为基本的。

  • 亮度
  • 锐度
  • 量子效率
  • 传感器和像素大小
  • 分辨率
  • 动态范围
  • 信噪比
  • 对比度
机器视觉系统
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