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来源:光虎光电科技(天津)有限公司
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发布时间:2026-02-10 01:20:08
计算成像的概念对许多人来说可能很新鲜,但这项已经相当成熟的技术的价值却深远。涉及多图像和多光成像输入与基于算法的计算输出图像的应用,已经远远超出了最初的研发领域。这项技术已被应用于工业自动化检测领域,创新地利用照明组件,成为提供宝贵成像能力的辅助技术。
广义来说,“计算成像”一词可用于使用算法从多个光学采集中生成单一图像的各种技术。计算成像的研究涉及无镜头、单像素甚至平面相机。计算机视觉的计算成像实现更加成熟,针对特定应用领域的组件和软件比以往任何时候都更容易使用。在两种常见的应用场景中,照明设备和控制装置有助于关键的成像能力。这些应用场景包括光度立体成像(或称形状从着色成像),用于突出几何特征,以及高分辨率彩色成像。
支持光度立体光照(通过阴影获得形状)
光度立体成像与三维成像密切相关。虽然光度立体图像不是场景的直接物理三维表示,但它表现图像中特征的几何形状,成像过程更加容易实现。通常使用单一摄像机,并将多个光源在多张图像上组合成软件,这些软件可由许多机器视觉组件和软件库提供并支持。
光度立体概述
图1:计算机视觉计算成像中的光度立体利用多角度照明提取高度与周围表面不同的特征。图片来源:Smart Vision Lights
图2:光度立体成像的输出取决于处理算法的选择。
同样的方向输入数据可通过Matrox Design Assistant的均曲率(左上角)、局部对比度(右上角)、纹理(左下角)和高斯曲率(右下角)算法显示。
其他算法包括反照率和局部形状。正确的选择取决于被成像的物体和被检测的特征类型。图片来源:Smart Vision Lights
光度立体成像的广泛用途是突出图像中物体或场景中缺乏灰度内容但单个特征相对于表面具有几何变化的特征。例如,基于侧壁图形和字符对轮胎进行识别成像。利用多图像表示提供的信息,灰度图像可以使用典型的机器视觉工具处理,以执行缺陷检测、光学光学扫描(OCR/OCV)和测量等检查任务。带有压印或压印码或字符的表面也是光度立体成像的良好候选。同样,许多具有低对比度特征但几何结构的产品和组件也能从这种成像技术中受益(见图3)。
图3:高尔夫球检测的并排对比,使用标准彩色图像(左)和光度立体图像(右)。
在视觉图像的表面纹理光泽和镜面高光中几乎察觉不到的裂纹,在光度立体中很容易被发现。
光度立体图像中的计算表面去除了使彩色图像困难的视觉噪点,但保留了对检查非常重要的表面细节。图片来源:Smart Vision Lights
光度立体成像照明的实现
光度立体成像高度依赖软件和算法,用于组合和处理物体的不同视图。这种多图像计算技术的实现始于照明组件。通常,单台相机通常置于物体中心,拍摄四张独立图像。每个摄像头在视场周围的时钟角度不同——通常为0度、90度、180度和270度(或更非正式地说,是在相机矩形或方形视场的四边)。每个灯光的照明角度决定了将要突出的特征。
图4:左侧为LED可编程序列控制器,右侧为多区灯具套件。
这些即插即用解决方案易于实施,兼容通用的硬件和软件,并使计算成像对各级用户开放。图片来源:Smart Vision Lights
利用灰度相机和计算成像拍摄高分辨率彩色图像
照明与计算成像结合的另一个例子是获取高分辨率彩色图像。在单传感器相机中,彩色图像通过在每个像素上制造红、绿或蓝宽通滤镜来生成。在大多数RGB成像中,这种技术被称为拜耳滤波,因为滤波器在像素上的布局。每个像素只有三种颜色中的一种,最终的全彩图像必须通过称为去拜耳(或去拼接)的过程从相邻像素重建。由于这种像素组合,所得图像的有效空间分辨率相较于传感器的实际分辨率显著降低。解决分辨率损失的有效且简单的方法是实现多光谱照明计算成像。
使用灰度相机执行彩色成像
能够用多色(或多光谱)照亮视场的光源,可以模拟彩色相机在没有像素级滤镜的相机上使用的宽带滤波。在这种计算成像实现中,获得的多张图像通过三种宽波长颜色——红、绿、蓝——对零件进行照明。与光度立体声类似,可以使用合适的照明控制器进一步简化采集过程。生成的图像包含了场景中红、绿、蓝内容的全分辨率表示。在软件中,这三张图像可以根据具体应用需求轻松组合成多通道彩色图像,并有相应的结构(见图5)。
图5:由单色相机拍摄的三张图像,每张图像都用红、绿或蓝光闪烁,合成一张全彩图像,
与在色彩插值过程中丢失分辨率的拜耳彩色图像相比,分辨率得以保持。图片来源:Smart Vision Lights
在某些情况下,不仅空间分辨率,色彩保真度也可能比简单的拜耳滤波更好。照明源的一致性可以带来一种可靠性和色彩还原,在某些应用中可能超过传感器滤波的能力。这种计算成像技术为用户带来了彩色成像的优势,同时避免了拜耳彩色相机和片上彩色滤镜所带来的分辨率损失。
运动中的零件
计算成像不仅适用于固定的部件或物体,也可以轻松应用于部件(甚至成像组件)运动的应用。该技术涉及细致的规范,有时还需额外处理。与所有涉及运动部件的成像应用一样,为了减少运动模糊,关键指标是运动速度和每张图像的曝光(或频闪)时长。在光度立体成像中,还必须考虑多图像采集速率以及部件在视场内的运动量,贯穿总采集时间。
如果零件移动速度足够慢且成像速率足够高,获得的多张图像在零件运动上可能足够接近,从而形成合适组合图像。得益于低成本、高速CMOS成像仪的兴起,这一过程比以往任何时候都更容易。如果场景内移动太大,只需使用更快的CMOS摄像机即可。
如果零件在图像间移动过多且无法使用更快的相机,可能需要对图像进行预处理以进行数字对齐。这包括将每幅图像上的适当特征与第一张图像进行比较,然后应用相应的平移以匹配这些特征,以便后续的多图像计算(见图6)。
图6:放大彩色文字的最后几行,会显示彩色相机在像素层面的分辨率下降,清晰度下降,出现色彩棋盘检查。
计算成像色彩保持真实,分辨率稳定,背景均匀性得益于单色相机更高的灵敏度和更低的噪声。图片来源:Smart Vision Lights
软件工具可以在多个捕捉帧中重新对齐物体到像素,甚至纠正旋转变化。大多数机器视觉库中的标准工具可以校正运动,使这些计算成像技术发挥作用,即使部分在序列收集时未静止或未被定位。
另一种技术是外部跟踪每个图像之间零件的运动(例如在传送带上),然后直接基于已知的图像物理偏移量进行变换。当然,在所有情况下,拍摄图像时零件必须保持在相机的视野内。该方法特别适用于编码传送带上移动的物体以及用线扫描相机拍摄的图像。
虽然看起来更复杂的解决方案,计算成像实际上可以简化一些标准视觉成像难以解决的问题。计算成像,尤其是借助当今照明组件和控制器的技术,已成为一种易于实现且有价值的成像技术,适用于各种机器视觉应用。