圖像質(zhì)量是衡量機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)效果的關(guān)鍵因素之一，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)效果造成直接影響，特別是在自然光照條件下，圖像質(zhì)量隨著光源條件的變化會(huì)有明顯的不同。

對(duì)諸如“增益”和“曝光時(shí)間”等攝像頭設(shè)置作出相應(yīng)調(diào)解可對(duì)不穩(wěn)定的環(huán)境光情況作出補(bǔ)償，從而提高圖像質(zhì)量，穩(wěn)定檢測(cè)效果。那么影響機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量因素有哪些呢？

對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像質(zhì)量造成影響的因素主要有以下幾點(diǎn)：

01

光源對(duì)成像質(zhì)量的影響

機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。

所有信息均來(lái)源于圖像之中，圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，因?yàn)樗哂蟹糯髨D像的特征和缺陷，減弱混亂和背景的功能，直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。

不同類型的光源的穩(wěn)定性是不同的，光源的不均勻也會(huì)影響圖像質(zhì)量，不同方向上的發(fā)光強(qiáng)度差異也會(huì)引起噪聲。

通過(guò)適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)可以使圖象中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖象處理的算法難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的精度和可靠性。反之，如果光源設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。截止目前尚沒有一個(gè)通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，因此針對(duì)每個(gè)特定的案例，要設(shè)計(jì)合適的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。

因此，光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源的作用至少有以下幾種：

1）照亮目標(biāo)，提高目標(biāo)亮度；

2）形成最有利于圖像處理的成像效果；

3）克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性；

4）用作測(cè)量的工具或參照；

為了保障圖像質(zhì)量，根據(jù)最終應(yīng)用的情況和感應(yīng)器與掃描對(duì)象的距離，光源可由單獨(dú)的設(shè)備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動(dòng)。

02

鏡頭對(duì)成像質(zhì)量的影響

機(jī)器視覺清晰準(zhǔn)確的成像效果自然也與工業(yè)鏡頭的成像技術(shù)密不可分。據(jù)了解，影響鏡頭成像效果的因素涵蓋鏡片、光圈、景深等幾種主要參數(shù)，目前受關(guān)注比較多的基本上是非球面鏡片和大景深兩大技術(shù)指標(biāo)，下面就著重分析一下這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)機(jī)器視覺鏡頭成像效果的影響。

非球面鏡片技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于鏡頭來(lái)說(shuō)，整個(gè)畫面的清晰度是為重要的指標(biāo)，這里重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的就是整個(gè)畫面。

鏡頭鏡片一般有球面和非球面兩種，球面鏡片因其具有固有球差、像散、場(chǎng)曲，使得畫面的清晰度不高，尤其是畫面邊緣甚至?xí)霈F(xiàn)虛化等問(wèn)題。相比之下，非球面鏡片改善了球面鏡片因固有而導(dǎo)致的畫面局限性，有效的提高了畫面邊緣的清晰度，很大程度上避免了相差模糊現(xiàn)象的發(fā)生。

非球面鏡片的清晰成像效果是無(wú)可厚非的，但是，相對(duì)的其成本也比較高，而這一點(diǎn)也正是導(dǎo)致非球面在工業(yè)應(yīng)用中還不能達(dá)到普及程度的主要原因。不過(guò)，由于采用非球面鏡片能夠獲取一個(gè)好的圖像，因此還是有不少客戶在使用，而非球面鏡片市場(chǎng)也仍然是影響鏡頭成像效果重要的技術(shù)指標(biāo)。

大景深技術(shù)指標(biāo)

景深指的是相機(jī)可以清晰成像的距離范圍，也就是說(shuō)想要獲得清晰的畫面，就需要鏡頭有不錯(cuò)的景深，景深越大，畫面的清晰范圍就越大，圖像放大后，遠(yuǎn)端的景物也依然可以看的清晰。

鏡頭的大景深能夠增強(qiáng)畫面清晰度，增大畫面清晰面積，是足以影響鏡頭成像效果的一大技術(shù)指標(biāo)。那么，我們?cè)谶x擇大景深鏡頭時(shí)，就可以通過(guò)成像后放大畫面的清晰度來(lái)進(jìn)行對(duì)比。

景深并不是一個(gè)獨(dú)立存在的參數(shù)，它跟焦距，光圈、攝距等參數(shù)都有一定的關(guān)系。例如：光圈與景深是成反比的，光圈大，景深小;光圈小，景深大。焦距與景深也成反比，鏡頭焦距長(zhǎng)，景深小;鏡頭焦距短，景深大。而攝距與景深則成正比，攝距遠(yuǎn)，景深大;攝距近，景深小。

除了以上兩大技術(shù)指標(biāo)外，還有一些因素也在影響著鏡頭的成像技術(shù)。例如：大光圈對(duì)畫面的對(duì)比度就有著很大的影響，在光線暗淡的條件下，如果光圈不夠大的話，畫面就會(huì)顯得暗淡，噪點(diǎn)增加，畫面質(zhì)量就會(huì)大幅下降。

03

圖像傳感器對(duì)成像的影響

混疊現(xiàn)象

對(duì)圖片進(jìn)行離散采樣并且采樣頻率低于目標(biāo)空間頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。此時(shí)可以觀察到條狀或者帶狀的圖形（稱為摩爾效應(yīng)），這個(gè)圖形類似于當(dāng)兩個(gè)紡織物前后交疊時(shí)的現(xiàn)象。

混疊現(xiàn)象在圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換中有最重要的影響，這是因?yàn)椋?/p>

（a）拍攝圖片后的處理產(chǎn)生的莫爾條紋混疊現(xiàn)象，可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)避免。但是，在圖像傳感器采樣中出現(xiàn)的沒有辦法消除。

（b）對(duì)通常使用的帶有色彩濾波器的單色圖像傳感器，混疊現(xiàn)象經(jīng)常以顏色的形式出現(xiàn)，因?yàn)樯什蓸拥念l率是低于照度采樣頻率的，這是導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差的重要因素。

色彩摩爾效應(yīng)常常當(dāng)作檢查圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)目標(biāo)中有高頻分量時(shí)這種效應(yīng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。色彩摩爾效應(yīng)有時(shí)體現(xiàn)為彩色的邊界，即一個(gè)黑白圖案的邊緣處出現(xiàn)了錯(cuò)誤的彩色。當(dāng)對(duì)一個(gè)高頻黑白目標(biāo)拍攝時(shí)，通過(guò)檢查誤差色彩的產(chǎn)生來(lái)評(píng)估色彩摩爾效應(yīng)。最常使用的圖表是CZP（圓形波帶板）圖表，這是一個(gè)二維頻率掃描圖表，它是設(shè)計(jì)和估量光學(xué)低通濾波器的一個(gè)重要的工具。

拖尾、圖像殘留

圖像在傳感器輸出端保持不變的現(xiàn)象，當(dāng)持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，這種現(xiàn)象稱為拖尾；當(dāng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)或永久存在時(shí)，這種現(xiàn)象稱為圖像殘留。固態(tài)圖像傳感器通常不會(huì)出現(xiàn)圖像殘留。然而，當(dāng)傳輸效率不夠高或者像素的復(fù)位電荷不足時(shí)，拖尾有時(shí)會(huì)出現(xiàn)。

暗電流

圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)它沒有受到光照時(shí)，也會(huì)因?yàn)闊嵝?yīng)造成泄露電荷，稱為暗電流。通過(guò)減去黑像素（不受光照產(chǎn)生的像素）的輸出值可以對(duì)空間均勻的暗電流進(jìn)行消除。但是，不同像素中的暗電流是不同的，并且會(huì)給圖像引入噪聲，而且電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷累積部分也會(huì)產(chǎn)生暗電流。當(dāng)在像素電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷轉(zhuǎn)移的必要時(shí)間不恒定時(shí)，如電荷轉(zhuǎn)移被暫停或者電荷被強(qiáng)制停滯時(shí)，暗電流就可能稱為一個(gè)噪聲源。

噪聲級(jí)別是和下面兩個(gè)因素成比例：①像素中產(chǎn)生噪聲的累積時(shí)間；②轉(zhuǎn)移隧道中產(chǎn)生噪聲的等待時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，暗電流強(qiáng)烈依賴于溫度，這方面的相關(guān)性也需要考慮。

像素缺陷

在圖像傳感器的制造過(guò)程中一些雜質(zhì)的引入等原因，一些像素具有過(guò)大的暗電流、讀出信號(hào)的問(wèn)題或者過(guò)低的像素敏感度等缺陷，這些像素輸出固定的白色或黑色信號(hào)稱為像素缺陷。像素缺陷經(jīng)常被相鄰的像素?cái)?shù)據(jù)所取代來(lái)避免它出現(xiàn)在相機(jī)的輸出中。但是，也有可能因?yàn)檫^(guò)多的像素缺陷而影響圖像的質(zhì)量。

高光溢出/漏光

由于強(qiáng)光入射到圖像傳感器的表面，常會(huì)產(chǎn)生一些不正常的信號(hào)，當(dāng)一個(gè)像素的電荷處于飽和狀態(tài)或者泄露到相鄰像素中，稱為高光溢出（blooming）。在CCD圖像傳感器中，當(dāng)長(zhǎng)波光照射到硅基上并穿透時(shí)，稱為漏光（smear）。

白電平限幅/缺色/單調(diào)黑色

白電平限幅、缺色和單調(diào)黑色區(qū)域經(jīng)常被觀察到，一個(gè)原因是由于圖像傳感器沒有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，另一個(gè)原因是圖像傳感器的操作點(diǎn)并不能被很好地控制住。當(dāng)一個(gè)圖像傳感器記錄一個(gè)擁有比傳感器飽和值更高光照度的明亮區(qū)域時(shí)，白電平限幅就會(huì)出現(xiàn)。

由于具有飽和值的信號(hào)，飽和區(qū)域?qū)?huì)被記下，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)完全單調(diào)的白色區(qū)域。當(dāng)圖像傳感器飽和區(qū)域的輸出色彩信號(hào)只有一種或者兩種色彩通道時(shí)，缺色現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，這將導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的色彩平衡度嚴(yán)重變差，從而影響圖像質(zhì)量。單調(diào)黑色會(huì)丟失由于圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍限制的細(xì)節(jié)，在重現(xiàn)圖像時(shí)會(huì)導(dǎo)致灰度太低而在視覺上無(wú)法辨別，那么這個(gè)區(qū)域就會(huì)被視為單調(diào)黑色區(qū)域。導(dǎo)致單調(diào)黑色的首要原因是圖像傳感器和圖片播放系統(tǒng)灰度信息的缺失。

空間隨機(jī)噪聲/固定模式噪聲

隨機(jī)噪聲，毫無(wú)規(guī)律地分布在整個(gè)圖像中，其對(duì)圖像質(zhì)量的影響并不大，在一定程度上是可以接受的。固定模式噪聲，如白色條紋噪聲和飛入噪聲，更容易被檢測(cè)到，也更影響圖像質(zhì)量。

熱噪聲/閃爍噪聲

在圖像傳感器的放大器處理信號(hào)中和用于接收傳感器輸出的預(yù)處理電路中加入了噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲。熱噪聲可以通過(guò)降溫來(lái)減少，但不能完全消除。隨著像素尺寸的不斷變小，量子效應(yīng)也變得不可忽略，浙江導(dǎo)致圖像傳感器的信號(hào)大小會(huì)以不確定的量子效應(yīng)進(jìn)行波動(dòng)。

這意味著即使目標(biāo)圖像均勻不變時(shí)，輸出信號(hào)也會(huì)在時(shí)間和空間上進(jìn)行隨機(jī)的波動(dòng)。閃爍噪聲的大小與光子數(shù)量的均方根成比例，因此，信號(hào)和閃爍噪聲的比值與信號(hào)值的均方根成比例。

04

系統(tǒng)控制對(duì)成像的影響

對(duì)焦誤差

即使鏡頭有理想的性能，如果對(duì)焦不準(zhǔn)確，也不能獲得理想的圖像質(zhì)量。如果目標(biāo)物體在焦距之外，圖像會(huì)變模糊，并且模糊的程度會(huì)隨著與焦點(diǎn)偏移程度的擴(kuò)大而增大，即在高頻的情況下鏡頭的響應(yīng)將會(huì)變差，這將導(dǎo)致分辨率和銳化度的嚴(yán)重惡化。另一方面，隨著分辨率的降低，混疊也會(huì)降低。

曝光誤差

如果曝光誤差很大，那么由于信號(hào)超過(guò)了動(dòng)態(tài)范圍，丟失的信息變得不可彌補(bǔ)，從而無(wú)法獲得理想的圖像質(zhì)量。而且，曝光誤差將會(huì)增加各種噪聲，包括量化誤差。

白平衡誤差

如果有白平衡誤差，色彩就不能被精確地拍攝下來(lái)，圖像質(zhì)量也會(huì)受到影響。

照明閃爍的影響

交流電導(dǎo)致照明光常常會(huì)有閃爍，這會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)和得到的圖像造成影響，尤其是熒光燈這種類型的光源。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像成像質(zhì)量雖說(shuō)受到眾多因素的影響，但也都是在可控范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)工程師的反復(fù)測(cè)試，確定好光源、鏡頭、相機(jī)等重要部件的使用可行性，就能保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量，滿足機(jī)器系統(tǒng)的檢測(cè)要求。

審核編輯 ：李倩