選擇數(shù)字圖像采集的五個(gè)因素

對(duì)速度和分辨率的需求推動(dòng)著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字圖像采集技術(shù)。當(dāng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字相機(jī)時(shí)你需要考慮學(xué)習(xí)這個(gè)五個(gè)關(guān)鍵因素。
 對(duì)一項(xiàng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)圖像分辨率有兩個(gè)因素決定：需求的視場(chǎng)和圖像處理系統(tǒng)能夠解決的最小尺寸。當(dāng)然，鏡頭、光源、機(jī)械裝置和其它因素也會(huì)起作用，但是，如果我們將討論限制到像素，我們能避免接受這些話題，而專注于相機(jī)特性。
 舉個(gè)基本的例子，如果一個(gè)飲料包裝系統(tǒng)必須驗(yàn)證盒子在密封之前是否裝滿，對(duì)相機(jī)來(lái)講需要對(duì)上面的內(nèi)容進(jìn)行成像，來(lái)驗(yàn)證24只瓶蓋是否存在。這很好理解，因?yàn)槠孔雍蜕w子是一一對(duì)應(yīng)的，在這個(gè)圖像中最小的特征就是蓋子，那么蓋子就必須要解決的。

一旦確定好應(yīng)用彩色和最小的特征，需求的相機(jī)分辨率就能初步確定了?？梢怨烙?jì)，當(dāng)盒子被成像時(shí)，瓶蓋在一個(gè)黑背景下都能凸現(xiàn)出來(lái)。隨著瓶蓋變圓，圖像將隨著兩個(gè)邊緣間隔所形成的圓圈呈現(xiàn)出來(lái)。邊緣是圖像從暗的地方過(guò)渡到亮的地方，或從亮的地方過(guò)渡到暗的地方這些點(diǎn)所構(gòu)成的。間距就是在邊緣之間的直接距離。

 在這點(diǎn)上，有必要定義每個(gè)邊緣點(diǎn)代表的像素個(gè)數(shù)。在這個(gè)應(yīng)用中，每個(gè)邊緣點(diǎn)由三個(gè)像素，間距由四個(gè)像素就是充足的。因此，在圖像中25mm瓶蓋可由10個(gè)像素來(lái)定義。從這里，我們就能確定一個(gè)像素代表物體的2.5mm。

 現(xiàn)在我們能確定整個(gè)相機(jī)的分辨率了。選擇對(duì)象的400mm來(lái)代表相機(jī)的水平分辨率，那么相機(jī)需要水平分辨率最小值為400/2.5=160像素。在垂直方向上，相機(jī)需要250/2.5=100像素的垂直分辨率。另外對(duì)水平和垂直分辨率各自添加10%的富裕，因?yàn)樵谝晥?chǎng)內(nèi)對(duì)象位置的變化，這樣計(jì)算下來(lái)最小的相機(jī)分辨率大約為176(H)×110(V).

 如果這樣分辨率的相機(jī)可用，那么獲取的圖像可如圖1所示。注意比背景相對(duì)亮的一簇像素代表瓶蓋。在這幅圖中，基本上能夠區(qū)分出這里有24個(gè)瓶蓋，但再小就不太容易了。
如果選擇更高分辨率的相機(jī)，比如640×480，這是非常用到的，將產(chǎn)生出更高質(zhì)量的圖像，它能獲得更多的圖像細(xì)節(jié)(比如印記)，如圖2所示。
 

1.       提高分辨率的優(yōu)缺點(diǎn)
雖然更高分辨率相機(jī)有助于提高精確度，通過(guò)分析更清晰的，更精細(xì)的圖像，但是降低了速度。數(shù)字相機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)是由一系列代表像素值的數(shù)字組成的。一個(gè)分辨率為200×100的相機(jī)具有20000個(gè)像素，因此，20000個(gè)數(shù)字值會(huì)被發(fā)送到采集系統(tǒng)。如果相機(jī)工作在25MHz的數(shù)據(jù)速率下，它每40納秒傳送一個(gè)值。這造成一幅整個(gè)圖像需要大約0.0008秒，相當(dāng)于1250幀/秒。
  將分辨率提高到640×480會(huì)有307200個(gè)像素，大約是上面的15倍。使用同樣的25MHz數(shù)據(jù)速率，采集整幅圖像需要0.012288秒，或相當(dāng)于81.4幀/秒。這些值都是期望值，實(shí)際的相機(jī)幀率會(huì)較低，因?yàn)槲覀儾坏貌惶砑悠毓夂驼{(diào)整次數(shù)，但是相機(jī)分辨率的增加會(huì)導(dǎo)致相機(jī)幀率成比例的下降這是顯而易見(jiàn)的。雖然各種相機(jī)輸出配置會(huì)在不犧牲幀率的情況下提高相機(jī)分辨率，但是這也需要增加復(fù)雜性和更高的成本。

2.       速度和曝光
      在選擇一款數(shù)字相機(jī)時(shí)，物體成像的速度必須充分考慮好。在先前的例子中，假設(shè)物體在曝光
中沒(méi)有移動(dòng)；因此可用相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的相機(jī)。這種情況不會(huì)總是存在，但是會(huì)經(jīng)常碰到。在一些應(yīng)用中物體連續(xù)移動(dòng)，換句話說(shuō)，它們只是在非常短的時(shí)間上是靜止的。
        靜止或緩慢移動(dòng)的物體：面陣相機(jī)最適合于對(duì)靜止或移動(dòng)緩慢的物體成像。因?yàn)檎麄€(gè)面陣區(qū)域必須一次曝光，在曝光時(shí)間當(dāng)中任何的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像的模糊。但是，運(yùn)動(dòng)模糊可以通過(guò)減少曝光時(shí)間或使用閃光燈來(lái)控制。
        快速移動(dòng)的物體：當(dāng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體使用一個(gè)面陣相機(jī)時(shí)，需要考慮在曝光時(shí)間當(dāng)中處于相機(jī)當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象數(shù)量，還需要考慮物體上能用一個(gè)像素表征的最小特征，也就是對(duì)象分辨率。在采集運(yùn)動(dòng)物體的圖像的拇指規(guī)則就是曝光必須發(fā)生在采集物體移動(dòng)量小于一個(gè)像素的時(shí)間內(nèi)。

   如果你采集的物體是在以1厘米/秒的速度勻速移動(dòng)，而且物體分辨率已經(jīng)設(shè)置為1 pixel/mm，那么需要的最大曝光時(shí)間是1/10每秒。因?yàn)槲矬w移動(dòng)一個(gè)距離恰好等于相機(jī)傳感器中的一個(gè)像素，當(dāng)使用最大曝光時(shí)間時(shí)這里會(huì)有一定數(shù)量的模糊。在這種情況下，一般傾向于將曝光時(shí)間設(shè)置的比最大值要快，比如1/20每秒，就能保持物體在移動(dòng)半個(gè)像素內(nèi)成像。如果同樣的物體以1厘米/秒的速度移動(dòng)，物體分辨率為1 pixel/微米，那么一秒中所需要的最大曝光是1/10000.曝光設(shè)置的對(duì)快取決于所采用的相機(jī)，還有你是否能夠給物體足夠的光來(lái)獲得一幅好的圖像。

   在嘗試獲得移動(dòng)物體的短曝光時(shí)間時(shí)有一些額外的技巧可以運(yùn)用。在這種情況下，在需要非常短的曝光時(shí)間相機(jī)的地方就沒(méi)有這個(gè)能力，這樣的應(yīng)用可使用電子快門(mén)或閃光燈。如果應(yīng)用需求速度超過(guò)單個(gè)輸出相機(jī)能力，那么可以考慮配置多個(gè)輸出的相機(jī)。

3.       幀率
                 相機(jī)的幀率相機(jī)在一個(gè)預(yù)定周期內(nèi)發(fā)送給采集系統(tǒng)的完整幀的個(gè)數(shù)，它通常也稱作為每秒鐘的幀數(shù)。舉個(gè)例子，分辨率為640×480的一款相機(jī)最大的幀率為每秒鐘50幀。因此，這個(gè)相機(jī)需要在一個(gè)曝光之后用20毫秒來(lái)發(fā)送一幀。一些相機(jī)在當(dāng)前曝光被讀取的時(shí)候不能采用后來(lái)的曝光，因此它們需要在沒(méi)有圖像時(shí)的一個(gè)固定時(shí)間間隔。而另外一些類型的相機(jī)能在讀取一幅圖像中同時(shí)采集下一個(gè)曝光。因此，在對(duì)移動(dòng)物體成像時(shí)必須考慮相機(jī)的讀取時(shí)間和方法。當(dāng)沒(méi)有曝光時(shí)候還要進(jìn)一步考慮幀間時(shí)間間隔。

4.       頻譜響應(yīng)和靈敏度
                 所有數(shù)字相機(jī)都配置對(duì)光能量敏感的電子傳感器。相機(jī)對(duì)光能量敏感的光能量波長(zhǎng)一般在400納米到1000多納米之間。除此之外，在低于400納米就進(jìn)入到紫外光譜，而其它高于1000納米就進(jìn)入到紅外光譜。這里還有對(duì)物體發(fā)出某個(gè)光的特定波長(zhǎng)進(jìn)行成像的需求，而且按這種波長(zhǎng)定義的相機(jī)特征也需要被定義。濾波器也應(yīng)用來(lái)阻擋不想要的波長(zhǎng)的光，但是仍然需要了解相機(jī)對(duì)需求的波長(zhǎng)的光如何很好的響應(yīng)。
       相機(jī)的靈敏度定義相機(jī)怎樣對(duì)固定曝光感應(yīng)的。相機(jī)的靈敏度也能定義為L(zhǎng)UX或DN/(nJ/cm^2)?！癓UX”是圖像工程師常見(jiàn)的詞匯，它用來(lái)定義一定范圍可見(jiàn)光上光子單元的靈敏度，而DN/(nJ/cm^2)是放射表達(dá)，沒(méi)有局限于對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)。一般而言，兩種形式都描述了相機(jī)將對(duì)光的反應(yīng)能力。DN/(nJ/cm^2)的放射表達(dá)表示1 nJ/cm^2的預(yù)知曝光將輸出DN個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)(數(shù)字，也成為灰度值)。增益是另一個(gè)可用的特征，它能提供靈敏度的各種級(jí)別。相機(jī)的靈敏度應(yīng)該在一個(gè)定義好的增益設(shè)置下來(lái)描述。但是，要當(dāng)心相機(jī)在高增益設(shè)置下會(huì)有高靈敏度，但是增加的噪聲能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍的降低。

5.       比特深度
                  數(shù)字相機(jī)生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或像素值。要成為數(shù)字的，這個(gè)數(shù)據(jù)就要有一個(gè)每個(gè)像素的位數(shù)，稱之為像素比特深度。這個(gè)深度通常從8到16比特。在單色相機(jī)中，比特深度定義從暗到亮的灰度級(jí)別的數(shù)量，這里0代表完全暗，255（8比特深度）代表完全亮。在0到255之間的值就代表灰度陰影，接近0的為暗灰度，接近255的幾乎為白。10比特?cái)?shù)據(jù)提供1024個(gè)灰度級(jí)別，而12比特?cái)?shù)據(jù)提供4096個(gè)灰度級(jí)別。
       每個(gè)應(yīng)用都應(yīng)該謹(jǐn)慎地來(lái)確定使用精細(xì)的灰度級(jí)，還是使用粗糙的灰度級(jí)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常使用8比特像素，使用10比特或12比特就意味著使得數(shù)據(jù)量增倍，作為傳送數(shù)據(jù)的另一種類型。這樣導(dǎo)致系統(tǒng)在速度上的降低，因?yàn)槭褂脙煞N類型的像素比特，但是并不是所有的比特都是有意義的。較高位深度還增加了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性，因?yàn)楦弑忍厣疃刃枰鼘挼膸?，特別是在相機(jī)有多個(gè)輸出的情況下。
 
         這五個(gè)關(guān)鍵因素決定著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像采集部分，也制約著整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的定位以及后面的圖像分析。針對(duì)自己的應(yīng)用，充分考慮這五個(gè)因素，會(huì)在圖像采集上做出正確的決定，有助于硬件的選型與成本控制。應(yīng)該多學(xué)學(xué)這方面的經(jīng)驗(yàn)，盡量讓自己少走彎路，最大限度滿足客戶的需求