偏振工業(yè)相機(jī)一些常見的學(xué)術(shù)問題

作者 |?徐嘉隆，虹科

利用光的偏振特性，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。

在千變?nèi)f化的工業(yè)場(chǎng)景中，有時(shí)由于高光或者反光，人的眼睛或者傳統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)無(wú)法看清或者看不到物體的表面特征，這對(duì)于工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)化生產(chǎn)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，偏振工業(yè)相機(jī)的出現(xiàn)，為一些表面光滑、反光嚴(yán)重的金屬或者玻璃表面的視覺檢測(cè)提供了最佳解決方案。

01

什么是偏振光？

光有神秘的第三屬性——偏振光，偏振光也稱為偏光。光是一種電磁波，電磁波是橫波，而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。

自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時(shí)，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時(shí)，偏振的程度也有變化。當(dāng)光照射在表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果利用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡片，讓它的透振方向與反射光的透振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。

利用光的偏振特性，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。

02

?光的反射與極化?

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(shuō)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(wú)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(guò)程會(huì)導(dǎo)致光的自然偏振。這意味著可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)钠駷V光片來(lái)減少這種特殊的偏振光成分，從而減少眩光效應(yīng)。

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▲擋風(fēng)玻璃上的光反射可以通過(guò)偏振濾鏡來(lái)消除

但是，僅靠偏振濾鏡是無(wú)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。

03

?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(wú)論我們面對(duì)的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(wú)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(guò)有針對(duì)性地過(guò)濾干擾影響，讓本質(zhì)變得明顯。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(wú)法檢測(cè)到的物體特征和缺陷變得可見。

04

可視化"偏振程度 "讓物體特征巨細(xì)無(wú)遺

通過(guò)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，看起來(lái)好像是內(nèi)容曝光更多或光線強(qiáng)度增加。事實(shí)并非如此，光線被污漬和劃痕的光線反射而極化。

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▲利用極化程度，在玻璃檢測(cè)過(guò)程中，污漬和劃痕變得明顯

在這里，只有通過(guò)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(guò)程中會(huì)丟失。

要計(jì)算這樣的圖像，就必須用數(shù)字來(lái)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，或者讓我們看到 "看不見 "的特征。比如索尼的Polarsens技術(shù)，它能通過(guò)同一圖片提供被照體不同方向的偏振信息并計(jì)算出偏振度，這些信息可用于表面劃痕檢測(cè)、微粒檢測(cè)、形變檢測(cè)和形狀識(shí)別等傳統(tǒng)傳感器難以駕馭的領(lǐng)域。此外，Polarsens的偏振傳感器還可去除物體表面強(qiáng)反射的影響，觀測(cè)到物體的真實(shí)狀態(tài)。

這意味著，如果使用虹科的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。

05

?虹科相機(jī)，帶4倍線性偏振鏡?

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(wú)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(guò)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(lái)，傳感器真正的500萬(wàn)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。

06

?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(guò)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(guò)偏振數(shù)據(jù)計(jì)算和可視化，例如，使對(duì)比度可見。

通過(guò)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(guò)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(lái)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(wú)需額外或特殊軟件。

07

?通過(guò)虹科 Vision Cockpit進(jìn)行配置??

虹科偏振相機(jī)的圖像格式可以通過(guò)任何兼容GenICam的軟件進(jìn)行設(shè)置和使用。我們?cè)贗DS Vision Cockpit的幫助下解釋攝像機(jī)參數(shù)的配置，您可以通過(guò)我們的軟件開發(fā)包IDS peak進(jìn)行安裝。圖像格式可以在ImageFormatControl節(jié)點(diǎn)中作為可單獨(dú)選擇的圖像組件找到。如果您打開的是固件2.4的相機(jī)，您可以在搜索欄中輸入例如 "組件 "來(lái)查找設(shè)置。

您可以通過(guò)IDS Vision Cockpit激活各個(gè)圖像格式，具體如下。

■?禁用圖像采集

■?使用 "組件選擇器 "選擇所需的圖像格式。

■?用 "組件啟用 "激活圖像格式。

■?重新開始圖像采集

相機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到所需的圖像格式（如 "8 位單聲道 "或 "24 位 RGB"）。

08

?利用虹科peak進(jìn)行編程

要在你自己的應(yīng)用程序中使用新的圖像格式，只需要幾行源代碼。下面的源碼塊顯示了在編程語(yǔ)言C#中用虹科 peak 對(duì)圖像格式進(jìn)行編程。

檢索所有可用的圖像組件

查詢當(dāng)前活動(dòng)的圖像組件

查詢當(dāng)前活動(dòng)的圖像組件

09

?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(guò)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(guò)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(guò)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。

親自測(cè)試一下，在圖像傳輸?shù)絇C之前，只需點(diǎn)擊一下，就能讓對(duì)象屬性可見。

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?虹科偏振工業(yè)相機(jī)??

虹科提供高效能USB和GigE接口的模塊相機(jī)，廣泛應(yīng)用于設(shè)備、工廠、機(jī)械工程、無(wú)人機(jī)以及非工業(yè)領(lǐng)域（如醫(yī)療科技、農(nóng)業(yè)或物流行業(yè)）。

主要特點(diǎn)：

■?高速飛拍

■?即插即用，快速集成

■?可靈活定制

■?標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)相機(jī)

■?多相機(jī)應(yīng)用穩(wěn)定

■?超小體積可安裝在狹小空間

■?自動(dòng)對(duì)焦板級(jí)相機(jī)

■?可選用各種規(guī)格的鏡頭

■?使用PoE的高防護(hù)等級(jí)

■?通過(guò)U3V協(xié)議符合視覺標(biāo)準(zhǔn)

■?多種傳感器選擇

編輯：黃飛

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