揭秘工業(yè)圖像處理如何及時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振影像

通過對(duì)偏振光的了解，在工業(yè)圖像處理中可以減少反射和高光，或增加精細(xì)結(jié)構(gòu)的對(duì)比度，甚至連作用于表面以下的材料張力等物理特性也可以可視化。

為了確定偏振信息，到現(xiàn)在為止，4個(gè)不同方向的偏振濾光片的連續(xù)圖像和后續(xù)的PC處理是必要的。有了索尼的Polarsens技術(shù)，只需一次取像即可。額外的數(shù)據(jù)預(yù)處理將來自虹科偏振相機(jī)的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為有用的圖像格式，以便在主機(jī)中進(jìn)行更有效的進(jìn)一步處理或評(píng)估。

偏光

迄今為止，在圖像處理中主要采用特殊照明、濾光鏡和光學(xué)配件的另一個(gè)特點(diǎn)是波的偏振。偏振并不是描述光束本身的方向，而是描述光粒子（光子）與傳播方向垂直擺動(dòng)的波幅方向，非極化光波在不同的方向上振蕩。白熾燈或太陽光就是例子。 如果光子只向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，就是線性偏振光。特殊的偏光片可以吸收或減弱在所有平面（即其偏光軸）上振蕩的入射光，從而形成近乎線性的偏光。 ? ?

反射與極化有什么關(guān)系？

在高度反射的表面，如玻璃、光線可以被偏轉(zhuǎn)。根據(jù)物體的觀察角度，可能會(huì)在觀察者的方向發(fā)生不必要的反射。下面以汽車為例，說明汽車車窗是如何因這種光線反射而變得不透明的。室內(nèi)的物體或人就這樣幾乎無法辨認(rèn)--變得幾乎 "看不見"。 如果光的反射發(fā)生在非金屬表面（如這里的玻璃），物理過程會(huì)導(dǎo)致光的自然偏振。這意味著可以通過使用適當(dāng)?shù)钠駷V光片來減少這種特殊的偏振光成分，從而減少眩光效應(yīng)，未極化的部分光仍然可以通過濾鏡。

擋風(fēng)玻璃上的光反射可以通過偏振濾鏡來消除

僅靠偏振濾鏡是無法消除金屬表面的反光的！在金屬表面上，光沒有偏振，只是反射。因此，盡管有偏振相機(jī)，但根據(jù)應(yīng)用情況，絕對(duì)有必要在照明上安裝一個(gè)額外的偏振濾光片，以抑制干擾光的反射。

偏振對(duì)圖像處理的重要性

對(duì)于光的純感知或數(shù)字化，無論是偏振光還是非偏振光，都沒有技術(shù)上的區(qū)別。在數(shù)字圖像處理中，主要是對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照明，使某些特征可見。但在與光的關(guān)系上，人們總是要與干擾性的反射和褪色作斗爭(zhēng)，這往往使重要的特征沒有被發(fā)現(xiàn)。 如果鏡像抹去了信息，例如，因?yàn)槠囁緳C(jī)的臉被擋風(fēng)玻璃上的反光所遮擋，在圖像采集后，用任何圖像處理技術(shù)都無法恢復(fù)。特別是在工業(yè)圖像處理中，為了盡可能地減少干擾影響，常采用漫射散射光。然而，根據(jù)不同的應(yīng)用，最佳照明可能非常昂貴。 可以通過有針對(duì)性地過濾干擾影響，讓本質(zhì)變得明顯。關(guān)于偏振光的知識(shí)，它是如何產(chǎn)生的，如何影響它，提供了解決的方法。偏振濾鏡在圖像處理中用于減少反射或高光，但也用于增加對(duì)比度。它們?cè)趹?yīng)力分析中也很有用，可以將表面以下的物理特性可視化。

偏振極化優(yōu)勢(shì)：
由于光不僅具有表面偏振性，還具有機(jī)械應(yīng)力或光折射等其他物理特性，因此可以使普通圖像傳感器無法檢測(cè)到的物體特征和缺陷變得可見。

?

巨細(xì)無遺

通過更多的光照或消除干擾影響，想看到的材料缺陷或物體特征不一定就能夠被看清。在下面的圖片示例中，只覺得對(duì)我們來說重要的影像內(nèi)容彰顯得清楚，或者說它們的光照強(qiáng)度增加了。不盡然光線是由污漬和劃痕的反射而產(chǎn)生的偏光。

利用極化程度，在玻璃檢測(cè)過程中污漬和劃痕變得明顯 在這里，只有通過可視化的 "偏振程度 "才能非常清晰地看到指紋和劃痕，偏振光線比非偏振光線更加清晰可見。但普通的相機(jī)傳感器并不能記錄光的偏振情況。這意味著信息在采集過程中會(huì)丟失。 要計(jì)算這樣的圖像，就必須用數(shù)字來捕捉這個(gè)場(chǎng)景的光的偏振。這樣就可以對(duì)已經(jīng)數(shù)字化的圖像進(jìn)行后續(xù)處理，或者看到 "看不見 "的特征。比如索尼的Polarsens技術(shù)，這種偏振的量化就非常容易實(shí)現(xiàn)。這意味著，如果使用虹科GV-5080CP-P（GigE?Vision）或U3-3080CP-P（USB3 Vision）等相機(jī)，其中包括索尼IMX250MZR單聲道Polarsens傳感器，可以在一張圖像中捕獲偏振信息。 采用索尼IMX250MZR單偏振傳感器的虹科偏振相機(jī)有GigE Vision和USB3 Vision兩種版本。 一張圖像就足以將極化信息與圖像內(nèi)容一起采集。無需偏振光源或偏振濾鏡等特殊配件。這得益于索尼傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

位于光電二極管和微透鏡之間的 "四向偏振器"，通過線性偏振濾光片的原理，在一幅圖像中生成四個(gè)偏振方向（0°、45°、90°或135°）的傳感器原始圖像。對(duì)偏振濾光片的每個(gè)角度測(cè)量不同的強(qiáng)度。2x2簇中的四個(gè)相鄰像素與其四個(gè)不同的偏振濾光片構(gòu)成一個(gè) "計(jì)算單元"。 這樣一來，傳感器真正的500萬像素被分成了4個(gè)較小的圖像，每個(gè)圖像為一個(gè)偏振角度，但它們的圖像內(nèi)容反映的是同一個(gè)時(shí)刻。?

攝像機(jī)上的偏振

攝像機(jī)中偏振信息的成分選擇和數(shù)據(jù)預(yù)處理 從相機(jī)固件2.4版本開始，虹科uEye CP偏振相機(jī)能夠通過像素預(yù)處理，利用 "四向偏振器?"的原始圖像數(shù)據(jù)，獨(dú)立確定單次圖像采集的偏振光方向和程度。這使得新的圖像信息可以通過偏振數(shù)據(jù)計(jì)算和可視化，例如，使對(duì)比度可見。 通過預(yù)定義的、可選擇的圖像組件，用戶可以，例如，直接從傳感器的原始數(shù)據(jù)中過濾掉干擾性的光線反射，或者在圖像傳輸?shù)絇C之前，就使反射物體的特征在幾乎完全黑暗的環(huán)境中可見——只需點(diǎn)擊一下。

?"相機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理"優(yōu)勢(shì)：

-?簡(jiǎn)單?：簡(jiǎn)化了圖像處理工程師的工作，他們已經(jīng)從相機(jī)中接收到了進(jìn)一步處理的最佳數(shù)據(jù)。
? -?高效?：節(jié)省PC資源。攝像機(jī)和PC有效地共享工作。
??-?符合視覺要求?：來自攝像機(jī)的結(jié)果數(shù)據(jù)可用于任何標(biāo)準(zhǔn)視覺應(yīng)用程序，而無需額外或特殊軟件。

總結(jié)

偏振是光的一種屬性，可以識(shí)別人眼看不到的物體屬性，也是 "正常 "的圖像傳感器。這使得它在反射或半透明表面的應(yīng)用中成為數(shù)字圖像處理的重要工具。通過SONY IMX250MZR傳感器和機(jī)載像素預(yù)處理，虹科偏振相機(jī)能夠通過一次圖像采集確定圖像場(chǎng)景的所有必要的偏振信息，并將這些信息以不同的像素格式提供給上位機(jī)作進(jìn)一步處理或直接評(píng)估。 FPGA加速算法使相機(jī)不僅僅是提供傳感器數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)，它們已經(jīng)提供了有意義的評(píng)估，可以通過GigE或USB3視覺接口被任何符合GenICam的應(yīng)用進(jìn)一步使用。因此，虹科偏振相機(jī)成為圖像處理的一部分，減少了主機(jī)的計(jì)算負(fù)荷。

編輯：黃飛