偏振相机,创造成像新可能
摘要:随着智能制造的深入推进,市场对工业相机的应用提出了更高要求,普通工业相机在特定场景下,已经无法完全满足特殊工业应用需求。与光的强度和波长一样,光的偏振也提供了极其丰富的信息。根据Stokes矢量计算偏振度原理,平行光源照射在被测物表面形成光的反射,反射光透过偏振片后,相机的图像传感器可从多个方向采集到图像数据,最终结合成的偏振度图像,能够体现出偏振图像特有的信息。

一、引言

与常见的可见光、遥感、红外等成像相比,偏振成像可以获取物体的多维度偏振信息,这在图像视觉领域中有十分显著和独到的优势。利用偏振相机获取到的偏振信息,可大幅增强被测物的细节特征体现。普通面阵相机难以辨别的缺陷,利用偏振相机可加以区分。偏振相机具备更强的缺陷识别能力,是各大检测行业的理想选择。

二、偏振相机检测原理

2.1偏振度

光作为电磁波家族的一份子,在经过物体表面反射后,因为物体表面的结构、材质、颜色以及光本身的入射角等物理性质的不同,其偏振方向等也将随之改变,从而使某些反射信息得到加强,某些信息被弱化,这样便可更加有效地得到相应的图像信息,对被测物加以鉴别,如物体表面纹理结构、粗糙程度、表面缺陷等等。

偏振光分为完全偏振光和部分偏振光。其中,完全偏振光又分为线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。线偏振光是指在光的传播过程中,只包含一种振动,其振动方向始终保持在光的偏振同一平面内。

一般来说,线偏振光可以通过反射、折射、干涉以及散射来产生,还可以通过二向色性晶体(人造偏振片)、晶体双折射等产生,途径十分多样。

偏振方向则表示为波此时的振动方向与传播方向不一致时的方向,且只有横波才具有偏振现象,其偏振方向与波的传播方向垂直(如下图2-1),纵波则不存在偏振现象,因其传播方向与振动方向一致 [1]

2-1 线偏振方向示意图

在使用偏振相机获取图像数据时,偏振度是最为根本的信息,是衡量电磁波中偏振信息的重要参数,我们习惯上将其描述为偏振光在总光强中所占的比例。

前面提到Stokes 矢量是计算偏振度的数学原理,是光学偏振状态的数学表示。其主要包含四个矢量作为偏振信息的参量:

I =|E x | 2 +|E y | 2 )①     

Q =|E x | 2 -|E y | 2 )②

U =2E x E y cosδ           

=2E_x E_y sinδ 

其中,I表示光波的总强度,Qx方向上线偏振光的强度差,U则表示+π/4方向与-π/4方向上线偏振光的强度差;ExEy表示光的矢量Exy方向上的振幅,δxy的相位差;V表示圆偏振光的右旋而非左旋偏振分量占优势,然而自然界中,圆偏振的分量极少,对仪器造成的误差也基本可以忽略不计,一般来说V均记为0。因此,得到Stokes矢量S=[I Q U V]后,即可通过下列公式计算出光的偏振度:

P=√(Q^2+U^2+V^2 )/I,(V=0)⑤

2.2实验原理

目前市面上的偏振图像传感器中,带有四向偏振器的Sony IMX250MZR CMOS 全局曝光偏振感光芯片较具代表性。四向偏振器便是从四个不同角度测量线偏振光强,从而得到最终的偏振图像,大致原理可结合2.1中提及的公式,即:

其中I为光的总强度,I 0 I 1 I 2 I 3 分别表示相机图像传感器中的四向偏振片透光轴与参考方向呈0°、45°、90°、135°方向上的线偏振光强,I r I l 表示右旋(r)和左旋(l)圆偏振光强。线偏振光的Stokes矢量为[1 1 0 0],自然光的Stokes矢量为[1 0 0 0]

将偏振相机测出0°、45°、90°、135°四个角度下的灰度图像结合,即可获得四个方向的光强I 0 I 1 I 2 I 3 的图像,再将所得的值代入上式⑥求出IQU,然后再代入公式⑤便可求得偏振度值P [1]

三、行业解决方案

3.1独特的芯片排布设计

SonyIMX250MZR中有独特的像元排布设计,在物理像素阵列的偏振编码中,该图像传感器的四个方向偏振器按下图所示的布局排列以获得透射光,输出90°信号线、45°信号线135°信号线和信号线:

3-1 传感器四向偏振排列

90

45

90

45

135

0

135

0

90

45

90

45

135

0

135

0

3.2 偏振图像的抽取和融合

偏振工业相机拥有偏光镜在90°和45°的角度由第一行上的每个像素交替提供,而在135°和0°的则由第二行上的每个像素交替提供;且图像传感器的数据输出与相机的数据输出模式相同。

90°

45°

135°

0°

图像数据输出被融合呈现于同一个屏幕,又分为四个画面,如上图2所示(偏振片呈45°的图像在右上角,偏振片呈90°的图像在左上角,偏振片呈0°的图像在右下角,偏振片呈135°的图像在左下角) [2]

在使用相关软件配合相机取图时,屏幕将会被划分为四个不同的区域,并设置四个不同的功能,其中包括:四向偏振、漫射光(去偏振)、偏振度、偏振方向(伪彩图)等,下面的示例显示将用于配置输出的设置分为四个功能 [2]

 

四向偏振

漫射光

偏振度

偏振方向

四、软件配合

针对偏振相机,海康机器人定制了多画面MVS客户端,能够直接呈现四向偏振图、去偏振光图、偏振度信息图、以及利用偏振方向信息的伪彩图。对于被测物的偏振信息,以多种方法和角度,使得被测物体的特征更加明显。

如图4-1是客户端中,相机在采集偏振画面的软件界面:

左侧为相机对应型号、固件版本信息等;右侧为相机参数调整界面,可以根据具体的应用需求,调节相机的各样参数;下方为帧率、分辨率、带宽等基本参数实时显示;相机一次性呈现四幅画面,可以根据偏振度和偏振方向的信息,让缺陷最大程度呈现,从而减轻算法处理的压力。

4-1 客户端操作界面

五、应用行业

5.1 外壳检测

由于物体的外包装在具有缺陷时,其表面的平整度、纹理构造等,均会产生偏振度(DOP)信息变化,偏振相机通过对物体表面偏振度信息的区别,可以提取大量的图像信息,如下图5-1

5-1偏振度信息图

普通相机在拍摄浅物体外壳或包装时,没有偏振度。而在MV-CH050-10UP下,由于被测物体的偏振程度不同,很容易就能识别出被测物体表面的相应缺陷信息。

5.2变形检测

除偏振度之外,当原本平整的物体表面发生变形时,其表面的偏振方向也随之改变,这种改变同样可以提供大量的信息供使用,如下图5-2

5-2:偏振方向信息图

在海康机器人偏振相机下,被测物体可以伪彩图形式呈现。在伪彩图中,与基准表面的偏振方向不相同的区域,将会根据其自身的偏振方向而呈现出不同的颜色,因此能够轻易检测出物体表面变形的区域。

5.3去除反光

光滑物体表面在经过光线照射时,会出现反射,十分影响相机拍摄物体的真实状态,偏振相机特有滤光偏振片,当偏振片与反光呈垂直方向时,便可轻松过滤掉该方向上的反光,能够轻松获取被摄物的真实面貌,如下图5-3

5-3 去除反光图示

普通相机在拍摄有反光的物体时,只能拍摄出反光的画面,而MV-CH050-10UP的四向偏振器,其偏振信息可用于同时消除多个平面上的反射,让画面达到最佳去反光效果。

六、结语

工业4.0时代对生产制造效率提出了更高的要求。在条件更加严苛的生产场景下,机器视觉产品需不断融入新技术,以应对更为复杂的挑战。

海康机器人自主研发的偏振相机基于偏振原理,结合相应客户端软件后,可实现多种新应用。道阻且长,行则将至, 凭借多年在成像采集、图像处理和模式识别领域的技术积累, 海康机器人机器视觉向偏振领域迈出了铿锵一步。日后将继续聚焦工业视觉传感应用,专注底层算法软件和硬件技术,为用户提供卓越的机器视觉产品和算法平台,让用户的工作效率及准确率再进一步。


 

参考文献:

[1]陈自红,《基于颜色空间转化的偏振图像去雾算法研究》[J]. 模式识别与智能系统,2016

[2]Sony,《Polarsens》,https://www.sony-semicon.co.jp/e/products/IS/industry/technology/polarization.htm



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2021-10-28 09:02:53
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