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棱镜技术在帮助改善空间校正及伪影上的技术分析

来源:www.lustervision.com    日期:2018-08-16    点击次数:

如果你的目标物运动不均匀,还不方便获得校正信息,比如棉花异纤剔除、杂粮差异分选;如果你的目标物表面不平整、高低起伏还不平,比如颗粒表面材料、织物、抖动薄膜;如果你对颜色有着近乎苛刻的要求,那你可能就需要一台棱镜相机了。


随着越来越多的高速工业生产质量控制过程,需要彩色或多光谱成像线扫描相机。在传统线扫描相机中,普遍使用多行像元传感器获得颜色相机。比如双线彩色相机通过贝尔滤波的差值计算,“猜到”RGB信息;而三线彩色通过并排的RGB三行像元获得彩色信息。


这种多线线扫描相机的每条线分别对应着R/G/B以及R/G/B/NIR通道,在特殊高亮光源的加持下,获取到每个通道的信息。从而在电脑上形成一幅完整图像。


随着应用的不断扩展和深入,传统的单一传感器多线的线扫描相机,在被测物的选择上口味逐渐挑剔起来。对于金属、塑料、纸张等卷材类检测应用中,经常会有振动和起伏,三线相机最不喜欢这种了,“你总么总把我拍虚了啊喂!”。对于无法垂直于被测物表面或者非平面类被测物的应用,“来解释解释这一圈彩色的外边框是怎么肥四?”


这时候,你可能需要的就是使用棱镜分光技术,拥有多个传感器的棱镜分光线扫描相机。通过相机内置的精密棱镜,将入射光直接分成R/G/B或R/G/B/NIR,分别由不同的传感器单独成像,然后再融合为一副图像,除了色彩还原度超高之外,还什么都不挑。不管拍摄角度如何,不管被测物表面起伏如何,统统先拍为敬!


从此不见光晕效应

传统线扫描相机在安装过程中,一定要在一定角度下方可检测表面。三线或多线相机的每条通道都独立的进行检测,所以每条通道都会有一定的视差,并不是完全一样的图案。

 
▲当使用三线相机检测时,三条通道并未扫描同一个地方,始终会在边缘出现图像不一致的情况。这种情况在起伏不定的3D表面尤为突出。

由于此时的相机并未完全垂直于检测表面,所以不论正方形还是矩形,看起来都像是梯形。就像上图中的R/G/B通道一样,最接近检测表面的红色通道接收到的图案,比距离检测表面最远的绿色通道接收到的图案短。于是乎,在像素数相同的情况下,红色通道的光学分辨率显然会比其他两个颜色通道上的高,此时会出现边缘的彩色条纹,专业术语叫做“光晕效应”。

 
▲传统线扫描相机的大敌:光晕效应。

好在如今三线或多线相机已经可以通过矫正算法,来纠正梯形投影的效果,使得这些传统线扫描也可以不用完全垂直于检测表面,稍稍放松一些。然而,倾斜视图校正目前在大多数情况下最多只能在4个像素级别。


当使用棱镜相机时,情况就完全不同了。棱镜相机的入射光本身就是单股光,是在棱镜的分光作用下才投射到不同的芯片上成像的,每幅图像是完全一致的,没有视差。因而每个颜色的光学分辨率也是完全一致,不论3D起伏表面,还是倾斜的拍摄角度,完全不影响。

 
▲棱镜分光技术可以让每一个芯片所成的像都完全一致,轻松用物理方法解决光晕效应

像金属板材、印刷纸张等卷在一起的卷型材,很难做到完全平整的铺满整个平面,老老实实的让用户检测。从会有几处不服帖的“顽固分子”,当这些“顽固分子”恰好在边缘、或者高速运动中时,它们甚至会内心膨胀的上下振起来,进一步给检测制造麻烦。


边缘振动可能会改变物体的光学分辨率。传统线扫描相机中,双线拍摄的物体上下距离不一致,因此需要算法补偿1线的间隙,三线拍摄的物体需要补偿2线。并且由于振动的间隙不能恒定,所以这样的补偿并不能完美的解决边缘出血效应的问题。


好在有棱镜相机,由于棱镜相机只有一个入射光轴,即便是检测材料起起伏伏,每次拍摄的图像也都是三幅完全一样的图像融合而成,完全不会改变检测表面的光学分辨率,从而最小化这类应用的振动影响。


 
▲丝网印刷网在不同的相机拍摄下,图像质量截然不同。左侧为棱镜相机,图像质量明显更优异。由于需要补偿两个线之间的间隙,最右侧的三线相机成像质量最低

空间校正从此不恼人

空间校正从此不恼人在传统三线相机中,R/G/B三线同时存在于一块芯片上,各线之间存在着或大或小的间隙。在拍摄彩色图像时,相机需要通过空间校正的功能来补偿这些线之间的间隙。

 
▲一个典型的三线相机像素结构,可以看到R/G/B三线中间都有1个像素的间隙。这个间隙有时候会大于1个像素,有时候也可以小于1个像素,但总归是有间隙的

空间校正的精度完全取决于被测物的运行速度,以及线扫描相机的行频。当扫描速度恰好等于相机行频时,空间校正也就等于三线之间的物理间隙。然而空间校正只适用于被测物的速度已知,并且能够通过触发来让相机在正确时间拍摄。

 
▲因为三线相机固有的像素间隙,导致三条线接收到的图像必须要通过空间校正,才能融合为一副正确的图像

但是在拍摄物速度未知,或者速度不可预测的应用中,比如水果、蔬菜一类圆滚滚的物体,石头、宝石、大理石一类的粒装物体,药丸、药片一类的圆粒状物体,甚至是棉花、树叶、网状印刷品、金属箔、纸张等情况,被测物会在产线上发生不可预测的滚动、振动、飘动,此时空间校正也没法准确的告诉三线相机究竟应该补偿多少。


棱镜相机就完全可以克服这样的挑战,其单光轴入射的优点完全可以有效的应用于扫描速度未知的物体。此外,由于其内部芯片成像完全一致,没有像三线相机一样的像素间隙,也无需空间校正来补偿像素。


棱镜相机拥有高质量的图像色彩还原能力,相对于传统线扫描相机来说,无须空间补偿。在被测物速度未知的应用中也可以很好的工作,在相机倾斜或者检测3D物体时,也没有任何图像伪影,比如光晕效应之类。更重要的是,棱镜相机的价格已经比以前亲民太多了,实在是检测类用户不可多得的好帮手!