计算机视觉
图像处理

图像处理基本概念笔记,记录五

五、

86、去噪

PGI以并行而不是顺序进行的方式执行将原始图像处理为最终颜色图像所需的所有计算步骤,这样就可以避免过度放大噪声。

噪声是任何图像不可避免的部分,它有几个来源,包括光子散粒噪声、图像芯片噪声或局部噪声等。通常情况下,原始图像与最终颜色图像之前需要很多计算步骤。每个计算步骤可能会减少噪声,但是在大多数情况下会加强噪声。PGI去噪通过并行执行这些操作,避免放大噪声。

87、图像感光芯片

一种电子装置,包含一大批小型光敏感区域(以像素为单位),其中光子产生电荷,电荷转换为电信号。

88、图像采集卡

PC 中安装的与相机连接的一种电子设备。图像采集卡 (FG) 接受从相机传输的视频流,对视频流进行处理,从而使其可用于 PC 机。图像采集卡还传递传入和传出相机的控制信号。用于符合 Camera Link 标准的相机。

89、多视频流和多路编码

多视频流和多路编码最多可提供四个图像流,且可使用任何编码器类型组合,如一个图像流使用 H.264 压缩,另一个使用 MJPEG 压缩,第三个和第四个图像流使用 MPEG-4 压缩。另外,也可以使用相同的编码器类型(如 H.264)最多对四个图像流进行编码。

90、嵌入式系统

嵌入式系统是用于进行特定任务的计算机系统,通常“嵌”于高级产品或设备上。

换言之,嵌入式系统负责为其关联的设备处理特殊的任务。

91、嵌入式视觉

嵌入式视觉系统是包含相机技术(即相机模块)的嵌入式系统。从技术角度来看,嵌入式视觉可以安装于单板机、系统模块(SoM)或适应个人需求的处理板之上,上述每种方式均需额外的相机技术来提供支持。

92、帧速率

帧速率是指每秒钟刷新的图片的帧数,也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。对影片内容而言,帧速率指每秒所显示的静止帧格数。要生成平滑连贯的动画效果,帧速率一般不小于8;而电影的帧速率为24fps。捕捉动态视频内容时,此数字愈高愈好。

93、比特率

比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为 bps(Bit Per Second),比特率越高,传送数据速度越快。声音中的比特率是指将模拟声音信号转换成数字声音信号后,单位时间内的二进制数据量,是间接衡量音频质量的一个指标。 视频中的比特率(码率)原理与声音中的相同,都是指由模拟信号转换为数字信号后,单位时间内的二进制数据量。

94、彩色滤光片

覆盖在一个像素上的单色透过薄片。只有彩色滤光片的颜色的光可以接触像素,因此,只测量彩色滤光片的颜色的灰色值。

95、感光芯片

一种电子装置,包含一大批小型光敏感区域(以像素为单位),其中光子产生电荷,电荷转换为电信号。

96、模拟数字转换器

一种将电压转换成对应的数字的电子装置。模拟数字转换器 (ADC) – 一种将电压转换成对应的数字电子装置。

97、欧洲机器视觉协会

欧洲机器视觉协会 (EMVA) 是涉及机器视觉及这一领域标准化的公司和企业组成的协会。例如,EMVA 定义和发布了 EMVA1288 和 GenICam 标准。

98、FPS

每秒多少帧图像 ,帧速率的单位。帧速率描述更新视频流所需的频率。以 fps(每秒多少帧图像)来衡量。视频流显示动作时更高的帧速率是一种优势,因为它提供了连续高质量图像。

99、满井容量

此数量是指一个像素可以保存的最大电荷,超过此值电荷溢出到感光芯片内的相邻像素,从而产生所谓光晕。满井容量和暗噪声都是感光芯片或相机的动态范围的决定性因素。

100、FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

101、电荷耦合器件

电荷耦合器件 (CCD) 是一种针对电荷运动的装置。它经常与图像感光芯片集成,所以可以捕捉二维的图像。

102、白平衡

白平衡可以针对光源条件帮助调整彩色相机。白平衡 White Balance 作用是解决色彩还原和色调处理问题

103、红外截止滤光片

红外截止滤波片用于阻挡波长比可见光长的光,同时透射可见光。红外截止滤波片可以对要阻挡的光进行反射或吸收。红外截止滤波片常用于在固态(CCD 或 CMOS)摄像机中阻挡红外光,以防因许多相机芯片对近红外光的高灵敏度而降低对比度。用于此目的的红外截止滤波片大多会对光的红外部分进行反射。

104、线阵

线阵相机的感光芯片是由 1 到 3 行像素组成。

105、网络协议

网络协议(Internet Protocol,IP)是使用网络协议套件跨互联网络对数据报文(数据包)进行中继的主要通信协议。它负责跨网络边界对数据包进行路由选择,是建立互联网的主协议。

106、色彩创造

图像感光芯片只能提供灰度值。要获取彩色信息,每个感光芯片的像素由彩色滤光片覆盖,从而使该像素提供彩色滤光片的颜色(原色)的灰度值。要获得完整颜色信息,需要使用不同颜色(例如红色、绿色、蓝色)的彩色滤光片。将它们按一定规律(例如形成 Bayer 模式)分配到感光芯片的像素,使相邻的像素由不同主颜色的彩色滤光片覆盖。例如,与一个“绿色”像素最接近的像素是“红色”和”蓝色”。这样没有测量到的原色灰度值可以由临近像素的灰度值的每个像素进行插值计算得出。除了在单个感光芯片上使用不同颜色的彩色滤光片,还可以使用不同的感光芯片,每个感光芯片只由一种颜色的彩色滤光片覆盖。

107、色彩插值

是指通过该像素测定的颜色信息和由相邻的像素提供的颜色信息计算像素全彩色信息的方法。也被称为反马赛克。

108、视频图形阵列

图形卡驱动程序标准。VGA(Video Graphics Array,视频图形阵列)定义图像分辨率和颜色深度以及重复率的特定组合。VGA 是采用 640×480 像素模式。

109、锐化增强

PGI与一种插值算法相结合,此算法适合处理图像结构,从而能够实现显著锐化增强。通过附加锐化因素,可以进一步增强效果。对于使用OCR(光学字符识别)的应用,锐化增强功能尤其有用。

110、隔行扫描

以交替方式操作奇数和偶数像素行,从而实现图像感光芯片读取或图像帧更新。

111、面阵相机

面阵相机包含具有多行像素的矩形感光芯片,这些像素同时曝光。

选自Basler的术语表,经典总结。

112、线阵相机

线阵相机,是采用线阵图像传感器的相机。线阵图像传感器以CCD为主,线阵图像传感器分为单色和彩色两种,因此线阵相机也分为单色和彩色两种。

113、工业相机

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。主要参数:

1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels),对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的,对于模拟相机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480,模拟相机已经逐步被数字相机代替,且分辨率已经达到6576*4384。

2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit、14Bit等。

3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(Lines/Sec.)。

4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵相机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的采集方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒,高速相机还可以更快。

5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。数字相机像元尺寸为3μm~10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。

6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350nm-1000nm,一些相机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。 [1]

7.接口类型:有Camera Link接口,以太网接口,1394接口、USB接口输出,目前最新的接口有CoaXPress接口。

114、机器视觉

机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,得到被摄目标的形态信息,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合,常用机器视觉来替代人工视觉;同时在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础技术。

一个典型的工业机器视觉系统包括:光源、镜头(定焦、变倍、远心、显微镜头)、 相机(包括CCD和COMS相机)、图像处理单元、图像处理软件、监视器、通讯 / 输入输出单元等。

115、工业镜头

机器视觉系统中,镜头相当于人的眼睛,其主要作用是将目标的光学图像聚焦在图像传感器(相机)的光敏面阵上。视觉系统处理的所有图像信息均通过镜头得到,镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。

1.镜头失真

可分为枕形失真和桶形失真,如下图示:

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2.光学倍率

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3.监视放大

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计算方法:

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例:VS-MS1+10x镜头 1/2” CCD 照相机, 14”监视器上的成像

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0.1mm的物体在监视器得到的是44.45mm的成像

4.解析度

表示了所能见到了2点的间隔0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ)

以上的计算方法理论上可以计算出解析度,但不包括失真。

※使用波长为550nm

 

5.解像力

1mm中间可以看到黑白线的条数。单位(lp)/mm.

 

6.MTF(Modulation Transfer Function)

成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

 

7.工作距离(Working Distance)

镜头的镜筒到物体的距离

8.O/I(Object to Imager)

物像间距离即物体到像间的长度。

9.成像圈

成像尺寸φ,要输入相机感应器尺寸。

10.照相机 Mount

C-mount: 1″ diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm

CS-mount: 1″ diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm

F-mount: FB:46.5mm

M72-Mount: FB 厂家各有不同

11.视野 (FOV)

视野指使用照相机以后看到的物体侧的范围

照相机有效区域的纵向长度(V)/光学倍率(M)=视野(V)

照相机有效区域的横向长度(H)/光学倍率(M)=视野(H)

*技术资料上的视野范围是指由光源及有效区域的一般数值计算出来的值。

照相机有效区域的纵向长度(V)or(H)=照相机一个画素的尺寸×有効画素数(V)or(H)来计算。

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12.景深

景深是指成像后物体的距离。同样,照相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。

 

13.焦距 (f)

f(Focal Length)光学系的后主点(H2)到焦点面的距离。

 

14.FNO

镜头从无限远时,亮度表示的数值,值越小越亮。FNO=焦距/入射孔径或有効口径=f/D

 

15.实效F

有限距离时镜头的明亮度。

实效F = (1 +光学倍率) x F#

实效F = 光学倍率 / 2NA

 

16.NA(Numerical Aperture)

物体侧的 NA = sin u x n

成像侧的NA’ = sin u’x n’

如下图所示 入社角度 u, 物体侧折射率n, 成像侧的折射率’ n’

NA = NA’ x 放大率

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17.边缘亮度

相对照度是指中央的照度与周边的照度的百分比。

 

18.远心镜头s

主光线与镜头光源平行的镜头。有物体侧的远心,成像侧的远心,两侧的远心行头等方式。

 

19.远心

Telecentricity是指物体的倍率误差。倍率误差越小,Telecentricity越高。Telecentricity有各种不同的用途,在镜头使用前,把握Telecentricity很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴平行,Telecentricity不好,远心镜头的使用效果就不好;Telecentricity可以用下图进行简单的确认。

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20.景深 (DOF)

景深(Depth of Field)可以用以下的计算式计算出来:

景深 = 2 x Permissible COC x 实效F / 光学倍率² = 允许误差值 / (NA x 光学倍率)

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21.通风盘及解析度

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Airy Disk是指通过没有失真的镜头在将光集中一点时,实际上形成的是一个同心圆。这个同心圆就叫做Airy Disk。Airy Disk的半径r可以通过以下的计算公式计算出来。这个值称为解析度。r= 0.61λ/NA  Airy Disk的半径随波长改变而改变,波长越长,光越难集中于一点。 例:NA0.07的镜头 波長550nm  r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

 

22.MTF 及解析度

MTF(Modulation Transfer Function) 是指物体表面的浓淡变化,成像侧也被再现出来。表示镜头的成像性能,成像再现物体的对比度的程度。测试对比性能,用的是具有特定空间周波数的黑白间隔测试。空间周波数是指1mm的距离浓淡变化的程度。

图1所示,黑白矩阵波,黑白的对比度为100%.这个对象被镜头摄影后,成像的对比度的变化被定量化。基本上,不管什么镜头,都会出现对比度降低的情况。最终对比度降低至0%。,不能进行颜色的区别。

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图2、3显示了物体侧与成像侧的空间周波数的变化。横轴表示空间周波数,纵轴表示亮度。物体侧与成像侧的对比度由A、B计算出来。MTF由A,B的比率计算出来。

解析度与MTF的关系:解析度是指2点之间怎样被分离认识的间隔。一般从解析度的值可以判断出镜头的好坏,但是实际是MTF与解析度有很大的关系。图4显示了两个不同镜头的MTF曲线。镜头a 解析度低但是具有高对比度。镜头b对比度低但是解析度高。

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