曝光和增益的原理及拓展用法
工业相机中的曝光和增益,表面来看都是提升图像亮度的手段,但实际上,他们提升亮度的原理以及“副作用”是完全不同的,了解他们提升亮度的原理,有利于用户更完美的使用工业相机中的曝光和增益,从而达到更好的图像效果;本篇文章主要介绍曝光、模拟增益、数字增益的原理及用法


一、 概述

    工业相机中的曝光和增益,表面来看都是提升图像亮度的手段,但实际上,他们提升亮度的原理以及“副作用”是完全不同的,了解他们提升亮度的原理,有利于用户更完美的使用工业相机中的曝光和增益,从而达到更好的图像效果;

图1 工业相机和放大电路

二、 曝光、模拟增益和数字增益的原理

    为了方便大家理解曝光和增益的区别,这里先简单介绍一下相机拿到图像信号的过程(如下图):

图2 相机拿到图像数据过程图

    曝光发生在传感器捕捉光信号这一步,曝光时间越长,捕捉到的光信号就越多,那么后期转化成电信号,电流也就更大,到最后图像就会更亮;所以曝光时间能够提升图像亮度。

    模拟增益发生在光电转换之后、ADC转换之前,在光电转换后,会有一个放大器来放大电信号,这个放大器放大的倍数,就是我们所说的模拟增益;如果把传感器捕捉光信号到输出模拟信号看成一个整体(如图3),那么模拟增益可以看做相机感光的灵敏度,即增益越大,相机对于光信号越敏感,也就是对于同样多的光信号,sensor能转化成更多的电信号(如图4);所以模拟增益也能达到提升亮度的效果;

图3 sensor输出光信号

图4 模拟增益对输出电信号的影响

    数字增益发生在ADC转换之后,ISP处理之前;是将当前的数字信号,乘以一个倍数,来达到增强亮度的目的;

了解到曝光、模拟增益、数字增益的原理以后,我们其实可以这样理解,来方便记忆:一副真实的场景保存到相机中,信号其实有三种形态(光信号、模拟信号和数字信号)和两次变化(光电转换和ADC转换)。曝光时间是处理光信号、模拟增益是处理模拟信号而数字增益是处理数字信号;

三、 曝光、模拟增益和数字增益的差异

    第一点是他们生效的阶段不同,曝光时间是在采集光信号的时候生效,模拟增益是在处理模拟信号时生效,而数字增益是在处理数字信号时生效;由于生效时间不同,进而就导致了第二点:他们对于噪声的引入是不同的。对于曝光时间而言,只是采集光信号,本质上是不引入噪声的,光电转换会引入噪声,而模拟增益只是提高电信号,包括噪声信号,所以模拟增益会增加噪声,降低信噪比;数字增益是对数字信号进行翻倍,对噪声也会翻倍,所以数字增益会引入噪声,而因为数字增益在模拟增益之后,一般会放大更多的噪声(如图5,同增增益时,两种增益表现出的灰度值方差不同);

图5 模拟增益和数字增益不同的灰度值方差

    那么曝光时间不引入噪声,是不是曝光时间越高越好呢?并不是的,因为曝光时间越长、采集一张图片的耗时就会越长,从而影响整个流程的节拍;随着工业环境对节拍的要求越来越高,曝光值的上限其实并不高,一般的线阵相机,基本上只能达到数百个us;

      如果我要使用增益的话,什么情况下使用模拟增益,什么情况下使用数字增益呢?我们从他们的原理可以推理出:

        1、 信噪比:从信号的角度分析,模拟增益在前、数字增益在后,数字增益引入的噪声一定比模拟增益要大(电路本身的噪声);如果要非常在意信噪比,需要优先考虑模拟增益

        2、精确度:模拟增益是电路放大,数字增益是数字放大,若senor质量稍差,模拟增益可能不准,所以数字增益的精确度要优于模拟增益,若对灰度值变化的精度比较敏感,且sensor质量有待商榷,可以使用数字增益

        3、信息获取:模拟增益和曝光一般都是sensor端,属于“前端”,增大曝光或者模拟增益,可以使我们采集到原本采集不到的信息;数字增益属于后期的信号处理,属于“后端”,只能基于当前的信号做处理,无法获取到原本获取不到的信息

将上述推理整理成表格1:

表1 曝光、模拟增益和数字增益的差异


曝光时间

模拟增益

数字增益

信噪比

无引入噪声

引入少量电路噪声

引入较多电路噪声,且会对噪声放大

精确度

有非线性区

有非线性区

无非线性区

信息获取

能获取到调大前获取不到的信息

有能力获取到调大前获取不到的信息

无法获取调大前没有获取到的信息


四、 增益的拓展用法

    增益和黑电平搭配使用,能够提升图像的对比度,而且数字增益搭配黑电平提升对比度要比模拟增益搭配黑电平提升对比度的效果要好,原理如下:

a)      黑电平:将整体灰度值平移,相当于将所有像素点的灰度值都加或者减去一个正数;

b)     对比度:是一个相对值,可以用一张图片中最亮的像素和最暗的像素的灰度值的比来表征

c)      黑电平、模拟增益、数字增益,都是对图像数据进行处理,处理顺序如下:

图6 模拟增益、黑电平、数字增益梳理顺序

d)     假如一张图片的初始最高灰度YMAX为100、最低灰度为YMIN50;那么他的对比度C可以表示为:

    

e)      假如此时设置模拟增益为A=6dB,黑电平B=10,那么对比度为:

    

f)       假如此时设置数字增益为D=6dB,黑电平B=10,那么对比度为:

        

g)     从结果明显可以看出,数字增益搭配黑电平,对对比度的提升更大

五、总结

       曝光和增益虽然都有提亮的作用,但是因其提亮的原理不同,所以提亮要付出的代价是不同的,其中增益又分为数字增益和模拟增益,两种增益提亮的原理也有比较大的差异,本文对他们的原理和差异做了简单的介绍,希望对大家后续使用这几个功能有所帮助,能够获取到您们心目中的图像效果

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