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图像处理系统原理

大家都喜欢新鲜且外观充满诱惑力的食物。为了确保这一点,在针对这些产品的质量保证流程中,会频繁用到图像处理系统。图像数据可帮助生产者在充分了解情况后做出决定,否则会无从下手。

但是要怎样设计这种系统呢? 哪些步骤必不可少,必须考虑哪些因素,以及有哪些选项?

选择相机、选择镜头和光源、评估成像质量、选择配套的计算机硬件和软件并配置所有组件,所有这些都是建立有效的图像处理系统的重要步骤。

请想像一下,一位苹果种植者让您设计一套机器视觉系统来查验苹果。他的目标是要提供统一的品质,也就是说,要能够在快速作业过程中分拣出坏苹果。他面临以下问题:

  • 对于该系统,精确定义的需求有哪些?
  • 什么样的分辨率和芯片?
  • 使用彩色相机还是黑白相机?
  • 什么样的相机功能和成像质量来满足需求?
  • 相机的眼睛: 比例和镜头性能
  • 应该使用哪种光源?
  • 对PC硬件有何要求?
  • 对软件有何要求?

了解需求: 需求定义

确切来说,该系统应该实现什么效果以及处于何种工作条件?

此问题听起来平淡无奇,因此其答案经常被忽视,也不够详细。但事实依然是: 如果您预先清晰了解自己的确切需求,之后可以节省时间和费用。

您的系统是否应该:

  • 采用放大或特殊光源等工具(用于显示无法用人眼检测的产品特征),仅显示所要检查的目标的图像?
  • 计算大小和尺寸稳定性这样的客观产品特性?
  • 检查定位是否正确(例如用于取放系统)?
  • 确定随后要用于将产品分配到某特定产品等级中的属性?

分辨率和芯片

对于任意指定的应用,要使用哪种相机? 通过需求定义,可以确定相机的分辨率和芯片尺寸这些目标规格。

但是首先: 分辨率到底是什么? 在传统摄影领域,分辨率是指图像中可被识别为明显不同的两个真实的点或行之间的最小距离。

在数字相机领域,通常会使用“2百万像素分辨率”这样的专业术语。这一术语表示完全不同的概念,即芯片上的像素总数,而并不是准确表示其分辨率。真正的分辨率只有在包含相机、镜头和几何数据(即系统装置所要求的距离)在内的整个系统就位后才能确定。像素数并不是不相关,要实现高分辨率,确实需要高像素数。本质上,像素数表示的是理想条件下可实现的最大分辨率。

高分辨率或较大的检测区域,这两项要求均需要相机的像素数尽可能最大。要以较高分辨率检测大区域,实际可能会需要使用多台相机。事实上,使用多台配置标准镜头的相机,通常要比使用一台配有能够覆盖整个区域的昂贵、特殊的镜头的相机要便宜。

芯片尺寸和视场决定了描绘比例,这个指标以后对于选择镜头至关重要。

分辨率和芯片

彩色还是黑白?

彩色还是黑白?

一般来说,大多数应用并非必须使用彩色相机。彩色图像通常只是比较易于多位观察者观察。而且,要使用彩色相机精准地如实重现色彩,还必须使用白色光源。如果可通过颜色检测特征(例如苹果上的红色瑕疵),则通常(而并非总是)需要彩色相机。然而,如果使用了彩色光源,这些特征在许多情况下也可以通过黑白相机中的黑白图像来抓取。 在完美的样本上做试验会有所帮助。如果颜色不太重要,则首选黑白相机,因为彩色相机本质上不如黑白相机灵敏。

您要处理非常复杂的检测任务吗? 如果是,则可能需要考虑使用多台相机,尤其如果需要记录一系列不同特征,而每个特征都要求有不同的光源或光学配件配置。

相机还应该提供: 相机功能和成像质量

一台好相机决不只是像素数高。您还应该考虑到成像质量和相机功能。

在评估数字相机的成像质量时,重要因素除分辨率外,还包括

就相机功能来说,最重要的功能之一是速度,通常以每秒帧数(fps)来表示。它定义每秒能够记录的最大帧数。

相机功能和成像质量

相机的眼睛: 缩放比例和镜头性能

理想的光学系统非常昂贵。在许多情况下,对于处理任务来说,标准镜头的功能足够强大。要决定所需要的内容,我们需要有关参数的信息,例如

  • 镜头接口
  • 像素大小
  • 芯片尺寸
  • 图像比例,意思是图像和目标尺寸之间的比例。即单个像素尺寸除以像素分辨率的比率(像素分辨率精确表示相机芯片的一个像素所检测的目标物体内正方形的边长)。
  • 镜头的焦距,它确定图像缩放比例以及相机与目标之间的距离
  • 光源强度

有了此信息后,可以更容易地检查镜头制造商提供的规格表,以考虑性价比好的标准镜头是否可以满足要求,还是需要采用更高端镜头。

失真、分辨率(使用MTF曲线描述)、色差以及镜头进行优化的光谱范围等镜头属性,可作为其他选择条件。

例如,有些镜头是近红外特殊镜头、超广角镜头(“鱼眼”)以及专门适用于测量长度的远心镜头。不过,这些镜头通常都价格高昂。

还是请遵循这样的原则: 解决悬而未决的问题的最佳办法就是测试和拍摄样张。

相机的眼睛: 缩放比例和镜头性能

光源

光线不好,就会很难看清东西: 这似乎是显而易见的,但它同样适用于图像处理系统。

高速检测通常需要灵敏的相机和强大的镜头。不过,在很多情况下,更简单的办法是调整或改进光源条件,以提升图像亮度。要获得良好的图像亮度,有多种不同方法可供选择: 例如,要形成合适的光源,可以增强环境光,以及使用镜头或闪光灯来控制光线。但是,并不是只有光源强度才重要。光线通过镜头到达相机的移动路径也很重要。

摄影领域一个常见例子是使用闪光灯:如果环境光过于放散,则使用闪光灯以定向方式使光线对准目标,不过,之后您需要处理图像区域中光滑表面上多余的反射光,因为它们会遮盖所需细节。在图像处理过程中,可能实际会需要这些类型的效果,以在平直的低反光度表面实现高光强度。对于具有多个面、从多个方向产生反射的目标物体,漫射光效果更好。

我们是通过照片上反射光来查看照片,而彩色玻璃窗在光线透射时才会显示其美丽的色彩。
我们是通过照片上反射光来查看照片,而彩色玻璃窗在光线透射时才会显示其美丽的色彩。

PC硬件

需要哪些硬件取决于任务和所需处理速度。

简单的任务可以使用标准PC和标准图像处理包完成,而复杂和快速的图像处理任务则可能会需要专用的硬件。

PC硬件
软件

软件

评估图像需要用到软件。大多数相机都自带软件,用于显示图像和配置相机。对于相机的正常使用,这种软件已经足够。特殊应用和图像处理任务则需要专用软件,您可以选择购买或自行开发。

总结

在开始动手设计图像处理系统之前,对于所有要使用的组件,要考虑很多不同方面的因素。例如,从相机及其光学配件到光源,以及支持该系统的相配套的计算机硬件和软件,。

只要提前花时间理清任务和框架条件,逐步处理这些设计任务,它们是完全可控的。要详细了解有关本课题的内容,请参阅有关本课题的更全面的白皮书:
图像处理系统概述

作者

Dr. Britta Niederjohann

Britta Niederjohann博士多年在不同产品领域工作,获得了丰富的图像处理系统领域专业知识。他说:

“我帮助客户选择相机。在这方面,我有图像处理领域经验的优势,它让我可以更加深入地了解客户的不同应用情况,并根据其需要帮助确定理想相机解决方案。”

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