偏振工業相機一些常見的學術問題

作者 |?徐嘉隆，虹科

利用光的偏振特性，在工業圖像處理中可以減少反射和高光，或增加精細結構的對比度，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。

在千變萬化的工業場景中，有時由于高光或者反光，人的眼睛或者傳統的工業相機無法看清或者看不到物體的表面特征，這對于工業檢測和自動化生產帶來了巨大挑戰。

近年來，偏振工業相機的出現，為一些表面光滑、反光嚴重的金屬或者玻璃表面的視覺檢測提供了最佳解決方案。

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，而振動方向和光波前進方向構成的平面叫做振動面，光的振動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、木質桌面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時，偏振的程度也有變化。當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，常常會出現耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果利用偏振鏡，并適當地旋轉偏振鏡片，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，在工業圖像處理中可以減少反射和高光，或增加精細結構的對比度，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。

?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。根據物體的觀察角度，可能會在觀察者的方向發生不必要的反射。下面以汽車為例，說明汽車車窗是如何因這種光線反射而變得不透明的。室內的物體或人就這樣幾乎無法辨認--變得幾乎 "看不見"。

如果光的反射發生在非金屬表面（如這里的玻璃），物理過程會導致光的自然偏振。這意味著可以通過使用適當的偏振濾光片來減少這種特殊的偏振光成分，從而減少眩光效應。

▲擋風玻璃上的光反射可以通過偏振濾鏡來消除

但是，僅靠偏振濾鏡是無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，但根據應用情況，絕對有必要在照明上安裝一個額外的偏振濾光片，以抑制干擾光的反射。

?偏振對圖像處理的重要性?

對于光的純感知或數字化，無論我們面對的是偏振光還是非偏振光，都沒有技術上的區別。在數字圖像處理中，主要是對場景進行照明，使某些特征可見。但在與光的關系上，人們總是要與干擾性的反射和褪色作斗爭，這往往使重要的特征沒有被發現。

如果鏡像抹去了信息，例如，因為汽車司機的臉被擋風玻璃上的反光所遮擋，在圖像采集后，用任何圖像處理技術都無法恢復。特別是在工業圖像處理中，為了盡可能地減少干擾影響，常采用漫射散射光。然而，根據不同的應用，最佳照明可能非常昂貴。

可以通過有針對性地過濾干擾影響，讓本質變得明顯。偏振濾鏡在圖像處理中用于減少反射或高光，但也用于增加對比度。它們在應力分析中也很有用，可以將表面以下的物理特性可視化。

偏振極化優勢：
由于光不僅具有表面偏振性，還具有機械應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法檢測到的物體特征和缺陷變得可見。

可視化"偏振程度 "讓物體特征巨細無遺

通過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，看起來好像是內容曝光更多或光線強度增加。事實并非如此，光線被污漬和劃痕的光線反射而極化。

▲利用極化程度，在玻璃檢測過程中，污漬和劃痕變得明顯

在這里，只有通過可視化的 "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。但普通的相機傳感器并不能記錄光的偏振情況。這意味著信息在采集過程中會丟失。

要計算這樣的圖像，就必須用數字來捕捉這個場景的光的偏振。這樣就可以對已經數字化的圖像進行后續處理，或者讓我們看到 "看不見 "的特征。比如索尼的Polarsens技術，它能通過同一圖片提供被照體不同方向的偏振信息并計算出偏振度，這些信息可用于表面劃痕檢測、微粒檢測、形變檢測和形狀識別等傳統傳感器難以駕馭的領域。此外，Polarsens的偏振傳感器還可去除物體表面強反射的影響，觀測到物體的真實狀態。

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，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。

?虹科相機，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容一起采集，無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新設計。

位于光電二極管和微透鏡之間的 "四向偏振器"，通過線性偏振濾光片的原理，在一幅圖像中生成四個偏振方向（0°、45°、90°或135°）的傳感器原始圖像。對偏振濾光片的每個角度測量不同的強度。2x2簇中的四個相鄰像素與其四個不同的偏振濾光片構成一個 "計算單元"。

這樣一來，傳感器真正的500萬像素被分成了4個較小的圖像，每個圖像為一個偏振角度，但它們的圖像內容反映的是同一個時刻。

?攝像機上的偏振?

▲攝像機中偏振信息的成分選擇和數據預處理。

從相機固件2.4版本開始，虹科uEye CP偏振相機能夠通過像素預處理，利用 "四向偏振器?"的原始圖像數據，獨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偏振數據計算和可視化，例如，使對比度可見。

通過預定義的、可選擇的圖像組件，用戶可以，例如，直接從傳感器的原始數據中過濾掉干擾性的光線反射，或者在圖像傳輸到PC之前，就使反射物體的特征在幾乎完全黑暗的環境中可見——只需點擊一下。

“相機數據預處理”優勢：
簡單：簡化了圖像處理工程師的工作，他們已經從相機中接收到了進一步處理的最佳數據。
高效：節省PC資源。攝像機和PC有效地共享工作。
符合視覺要求：來自攝像機的結果數據可用于任何標準視覺應用程序，而無需額外或特殊軟件。

?通過虹科 Vision Cockpit進行配置??

虹科偏振相機的圖像格式可以通過任何兼容GenICam的軟件進行設置和使用。我們在IDS Vision Cockpit的幫助下解釋攝像機參數的配置，您可以通過我們的軟件開發包IDS peak進行安裝。圖像格式可以在ImageFormatControl節點中作為可單獨選擇的圖像組件找到。如果您打開的是固件2.4的相機，您可以在搜索欄中輸入例如 "組件 "來查找設置。

您可以通過IDS Vision Cockpit激活各個圖像格式，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

相機會自動切換到所需的圖像格式（如 "8 位單聲道 "或 "24 位 RGB"）。

?利用虹科peak進行編程

要在你自己的應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言C#中用虹科 peak 對圖像格式進行編程。

檢索所有可用的圖像組件

查詢當前活動的圖像組件

?總結?

偏振是光的一種屬性，可以識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用中成為數字圖像處理的重要工具。通過SONY IMX250MZR傳感器和機載像素預處理，虹科偏振相機能夠通過一次圖像采集確定圖像場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作進一步處理或直接評估。

FPGA加速算法使相機不僅僅是提供傳感器數據。實時，它們已經提供了有意義的評估，可以通過GigE或USB3視覺接口被任何符合GenICam的應用進一步使用。因此，虹科偏振相機成為圖像處理的一部分，減少了主機的計算負荷。

親自測試一下，在圖像傳輸到PC之前，只需點擊一下，就能讓對象屬性可見。

?虹科偏振工業相機??