偏振工业相机一些常见的学术问题

作者 | 徐嘉隆，虹科

利用光的偏振特性，在工业图像处理中可以减少反射和高光，或增加精细结构的对比度，甚至连作用于表面以下的材料张力等物理特性也可以可视化。

在千变万化的工业场景中，有时由于高光或者反光，人的眼睛或者传统的工业相机无法看清或者看不到物体的表面特征，这对于工业检测和自动化生产带来了巨大挑战。

近年来，偏振工业相机的出现，为一些表面光滑、反光严重的金属或者玻璃表面的视觉检测提供了最佳解决方案。

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什么是偏振光？

光有神秘的第三属性——偏振光，偏振光也称为偏光。光是一种电磁波，电磁波是横波，而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。

自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。当光照射在表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。如果利用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减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，在工业图像处理中可以减少反射和高光，或增加精细结构的对比度，甚至连作用于表面以下的材料张力等物理特性也可以可视化。

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 光的反射与极化 

在高度反射的表面，如玻璃，光线可以被偏转。根据物体的观察角度，可能会在观察者的方向发生不必要的反射。下面以汽车为例，说明汽车车窗是如何因这种光线反射而变得不透明的。室内的物体或人就这样几乎无法辨认--变得几乎 "看不见"。

如果光的反射发生在非金属表面（如这里的玻璃），物理过程会导致光的自然偏振。这意味着可以通过使用适当的偏振滤光片来减少这种特殊的偏振光成分，从而减少眩光效应。

▲挡风玻璃上的光反射可以通过偏振滤镜来消除

但是，仅靠偏振滤镜是无法消除金属表面的反光的。在金属表面上，光没有偏振，只是反射。因此，尽管有偏振相机，但根据应用情况，绝对有必要在照明上安装一个额外的偏振滤光片，以抑制干扰光的反射。

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 偏振对图像处理的重要性 

对于光的纯感知或数字化，无论我们面对的是偏振光还是非偏振光，都没有技术上的区别。在数字图像处理中，主要是对场景进行照明，使某些特征可见。但在与光的关系上，人们总是要与干扰性的反射和褪色作斗争，这往往使重要的特征没有被发现。

如果镜像抹去了信息，例如，因为汽车司机的脸被挡风玻璃上的反光所遮挡，在图像采集后，用任何图像处理技术都无法恢复。特别是在工业图像处理中，为了尽可能地减少干扰影响，常采用漫射散射光。然而，根据不同的应用，最佳照明可能非常昂贵。

可以通过有针对性地过滤干扰影响，让本质变得明显。偏振滤镜在图像处理中用于减少反射或高光，但也用于增加对比度。它们在应力分析中也很有用，可以将表面以下的物理特性可视化。

偏振极化优势：
由于光不仅具有表面偏振性，还具有机械应力或光折射等其他物理特性，因此可以使普通图像传感器无法检测到的物体特征和缺陷变得可见。

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可视化"偏振程度 "让物体特征巨细无遗

通过更多的光照或消除干扰影响，想看到的材料缺陷或物体特征不一定就能够被看清。在下面的图片示例中，看起来好像是内容曝光更多或光线强度增加。事实并非如此，光线被污渍和划痕的光线反射而极化。

▲利用极化程度，在玻璃检测过程中，污渍和划痕变得明显

在这里，只有通过可视化的 "偏振程度 "才能非常清晰地看到指纹和划痕，偏振光线比非偏振光线更加清晰可见。但普通的相机传感器并不能记录光的偏振情况。这意味着信息在采集过程中会丢失。

要计算这样的图像，就必须用数字来捕捉这个场景的光的偏振。这样就可以对已经数字化的图像进行后续处理，或者让我们看到 "看不见 "的特征。比如索尼的Polarsens技术，它能通过同一图片提供被照体不同方向的偏振信息并计算出偏振度，这些信息可用于表面划痕检测、微粒检测、形变检测和形状识别等传统传感器难以驾驭的领域。此外，Polarsens的偏振传感器还可去除物体表面强反射的影响，观测到物体的真实状态。

这意味着，如果使用虹科的GV-5080CP-P（GigE Vision）或U3-3080CP-P（USB3 Vision）等相机，其中包括索尼IMX250MZR单声道Polarsens传感器，可以在一张图像中捕获偏振信息。

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 虹科相机，带4倍线性偏振镜 

采用索尼IMX250MZR单偏振传感器的虹科偏振相机有GigE Vision和USB3 Vision两种版本。

一张图像就足以将极化信息与图像内容一起采集，无需偏振光源或偏振滤镜等特殊配件，这得益于索尼传感器的创新设计。

位于光电二极管和微透镜之间的 "四向偏振器"，通过线性偏振滤光片的原理，在一幅图像中生成四个偏振方向（0°、45°、90°或135°）的传感器原始图像。对偏振滤光片的每个角度测量不同的强度。2x2簇中的四个相邻像素与其四个不同的偏振滤光片构成一个 "计算单元"。

这样一来，传感器真正的500万像素被分成了4个较小的图像，每个图像为一个偏振角度，但它们的图像内容反映的是同一个时刻。

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 摄像机上的偏振 

▲摄像机中偏振信息的成分选择和数据预处理。

从相机固件2.4版本开始，虹科uEye CP偏振相机能够通过像素预处理，利用 "四向偏振器 "的原始图像数据，独立确定单次图像采集的偏振光方向和程度。这使得新的图像信息可以通过偏振数据计算和可视化，例如，使对比度可见。

通过预定义的、可选择的图像组件，用户可以，例如，直接从传感器的原始数据中过滤掉干扰性的光线反射，或者在图像传输到PC之前，就使反射物体的特征在几乎完全黑暗的环境中可见——只需点击一下。

“相机数据预处理”优势：
简单：简化了图像处理工程师的工作，他们已经从相机中接收到了进一步处理的最佳数据。
高效：节省PC资源。摄像机和PC有效地共享工作。
符合视觉要求：来自摄像机的结果数据可用于任何标准视觉应用程序，而无需额外或特殊软件。

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 通过虹科 Vision Cockpit进行配置  

虹科偏振相机的图像格式可以通过任何兼容GenICam的软件进行设置和使用。我们在IDS Vision Cockpit的帮助下解释摄像机参数的配置，您可以通过我们的软件开发包IDS peak进行安装。图像格式可以在ImageFormatControl节点中作为可单独选择的图像组件找到。如果您打开的是固件2.4的相机，您可以在搜索栏中输入例如 "组件 "来查找设置。

您可以通过IDS Vision Cockpit激活各个图像格式，具体如下。

■ 禁用图像采集

■ 使用 "组件选择器 "选择所需的图像格式。

■ 用 "组件启用 "激活图像格式。

■ 重新开始图像采集

相机会自动切换到所需的图像格式（如 "8 位单声道 "或 "24 位 RGB"）。

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 利用虹科peak进行编程

要在你自己的应用程序中使用新的图像格式，只需要几行源代码。下面的源码块显示了在编程语言C#中用虹科 peak 对图像格式进行编程。

检索所有可用的图像组件

查询当前活动的图像组件

查询当前活动的图像组件

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 总结 

偏振是光的一种属性，可以识别人眼看不到的物体属性，也是 "正常 "的图像传感器。这使得它在反射或半透明表面的应用中成为数字图像处理的重要工具。通过SONY IMX250MZR传感器和机载像素预处理，虹科偏振相机能够通过一次图像采集确定图像场景的所有必要的偏振信息，并将这些信息以不同的像素格式提供给上位机作进一步处理或直接评估。

FPGA加速算法使相机不仅仅是提供传感器数据。实时，它们已经提供了有意义的评估，可以通过GigE或USB3视觉接口被任何符合GenICam的应用进一步使用。因此，虹科偏振相机成为图像处理的一部分，减少了主机的计算负荷。

亲自测试一下，在图像传输到PC之前，只需点击一下，就能让对象属性可见。

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 虹科偏振工业相机  

虹科提供高效能USB和GigE接口的模块相机，广泛应用于设备、工厂、机械工程、无人机以及非工业领域（如医疗科技、农业或物流行业）。

主要特点：

■ 高速飞拍

■ 即插即用，快速集成

■ 可灵活定制

■ 标准工业相机

■ 多相机应用稳定

■ 超小体积可安装在狭小空间

■ 自动对焦板级相机

■ 可选用各种规格的镜头

■ 使用PoE的高防护等级

■ 通过U3V协议符合视觉标准

■ 多种传感器选择

编辑：黄飞