機(jī)器視覺(jué)中的濾波
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過(guò)濾器技術(shù)的類型
機(jī)器視覺(jué)中有許多不同類型的濾光片，可以用來(lái)改善或改變被檢查對(duì)象的圖像。了解各種類型的過(guò)濾器背后的不同技術(shù)以了解它們的優(yōu)勢(shì)和局限性是很重要的。盡管濾光片種類繁多，但幾乎所有濾光片都可以分為兩大類：彩色玻璃濾光片和涂層干涉濾光片。
彩色玻璃濾光片
彩色玻璃濾光片在機(jī)器視覺(jué)中非常常見(jiàn)，它是通過(guò)在玻璃材料中摻雜選擇性改變其吸收和透射光譜的元素而產(chǎn)生的。摻雜劑根據(jù)傳輸所考慮的波長(zhǎng)而變化，并且制造過(guò)程幾乎與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃制造相同。彩色玻璃濾光片的優(yōu)勢(shì)有幾個(gè)原因：與干涉濾光片相比，它們的成本相對(duì)較低，更重要的是，當(dāng)與廣角透鏡或以一定角度使用時(shí)，它們不會(huì)顯示出波長(zhǎng)傳輸?shù)娜魏纹啤Ｈ欢噬ＡV光片通常也具有寬的波段切割，不具有像涂層干涉濾光片那樣尖銳或準(zhǔn)確的曲線，并且不具有像干涉濾光片那樣高的透射量。圖1顯示了幾種常見(jiàn)彩色玻璃濾光片的透射曲線。注意，濾光片具有寬的波段截止，并且具有描述其傳輸函數(shù)的相對(duì)較淺的斜率。
圖1：幾種不同顏色玻璃濾光片的透射曲線。
紅外（IR）截止濾光片可以是彩色玻璃濾光片，也可以是對(duì)單色和彩色相機(jī)都有用的涂層濾光片。由于大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)中的硅傳感器對(duì)高達(dá)約1μm的波長(zhǎng)具有響應(yīng)能力，因此從頭頂熒光燈或其他不需要的光源入射到傳感器上的任何IR光都可能導(dǎo)致傳感器不準(zhǔn)確。在彩色相機(jī)上，紅外線會(huì)在傳感器上產(chǎn)生一種偽色，從而降低整體顏色再現(xiàn)能力。出于這個(gè)原因，許多彩色成像相機(jī)都標(biāo)配了紅外截止濾光片。對(duì)于單色相機(jī)，IR光的存在會(huì)降低整體圖像的對(duì)比度，但與彩色相機(jī)不同，IR截止濾光片通常不是內(nèi)置的。還有許多其他類型的彩色玻璃濾光片。例如，當(dāng)使用多色光源和顏色傳感器時(shí)，日光藍(lán)色濾光片可以用于顏色平衡。
涂層干涉濾光片
涂層濾光片通常比彩色玻璃濾光片提供更鋒利的接通和切斷轉(zhuǎn)換、更高的傳輸和更好的阻塞。除了彩色玻璃濾光片，還有一系列涂層濾光片，包括硬涂層熒光濾光片、二向色濾光片和偏振濾光片。每個(gè)帶涂層的過(guò)濾器都經(jīng)過(guò)獨(dú)特的制造工藝，以確保適當(dāng)?shù)男阅堋２ㄩL(zhǎng)選擇性濾光片是通過(guò)在高折射率和低折射率交替的特定襯底上沉積介電層來(lái)制造的。基板的表面質(zhì)量和均勻性建立了濾波器的基線光學(xué)質(zhì)量，同時(shí)設(shè)置了基板材料透射下降的波長(zhǎng)限制。與彩色玻璃濾光片相比，介電層通過(guò)在一系列波長(zhǎng)上產(chǎn)生相長(zhǎng)和相消干涉，并通過(guò)提供更清晰的截止和切帶，來(lái)產(chǎn)生濾光片的詳細(xì)光譜結(jié)構(gòu)。存在許多類型的硬涂層濾光片，例如帶通濾光片、長(zhǎng)通濾光片、短通濾光片和陷波濾光片，每種濾光片都具有特定的阻塞范圍和傳輸范圍。長(zhǎng)通濾光片被設(shè)計(jì)為阻擋短波長(zhǎng)并通過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)。
短通濾光片則相反，通過(guò)較短的波長(zhǎng)，阻擋較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。帶通濾光片通過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)帶，同時(shí)阻擋位于通帶之外的較長(zhǎng)和較短波長(zhǎng)。帶通濾光片的反面是陷波濾光片，它阻擋一段波長(zhǎng)并通過(guò)更長(zhǎng)和更短的波長(zhǎng)。這些濾光片類型的傳輸曲線形狀如圖2所示。
圖2：長(zhǎng)通和短通（a）以及帶通和陷波濾波器（b）的傳輸曲線示例。
專為深度阻擋（高光密度）和陡坡（從阻擋到透射的急劇過(guò)渡）設(shè)計(jì)的濾光片在精確的光控制至關(guān)重要的應(yīng)用中重復(fù)使用。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用不需要這種精度；通常，光密度（OD）為4或更大的任何濾光片都比要求的更精確并且增加了不必要的成本。由于硬涂層濾光片利用光學(xué)干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)這種精確的傳輸和抑制帶，因此在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用硬涂層濾光片會(huì)帶來(lái)困難。所有干涉濾光片都是為特定的入射角（AOI）設(shè)計(jì)的，通常為0°，除非另有特別指定。當(dāng)用于機(jī)器視覺(jué)時(shí)，這些濾光片通常放置在鏡頭前面；這樣做使得濾光片接受來(lái)自透鏡的角視場(chǎng)（AFOV）所規(guī)定的角度的光。特別是在短焦距（大AFOV）透鏡的情況下，透射通過(guò)濾光片的光通常會(huì)顯示出一種不想要的效果，稱為藍(lán)移。例如，4.5毫米寬角度焦距透鏡的藍(lán)移將比50毫米窄角度焦距透鏡大得多。隨著干涉濾光片上AOI的增加，通過(guò)濾光片層的光程長(zhǎng)度增加，這導(dǎo)致截止波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)減小（圖3）。
圖3a：干涉濾光片的功能基于入射到濾光片上的光的傳播距離。在正確的入射角下，入射到濾光片上的光波會(huì)發(fā)生破壞性干涉，阻止它們通過(guò)濾光片。從不同的角度來(lái)看，相消干涉并沒(méi)有那么有效。
圖3b：藍(lán)移示例，顯示了在15?入射角下使用的帶通濾光片。不僅要注意向較低中心波長(zhǎng)的偏移，還要注意斜率的變淺。當(dāng)濾波器以0?入射角使用時(shí)，虛線曲線是理想的。
因此，在圖像中的不同場(chǎng)點(diǎn)，濾光片將通過(guò)傳輸不同的波長(zhǎng)范圍而表現(xiàn)出不同的行為：場(chǎng)中越遠(yuǎn)，藍(lán)移就越明顯。在大多數(shù)情況下，干涉濾光片仍然可以提供比彩色玻璃濾光片更好的濾波控制，但在使用帶有廣角鏡頭的干涉濾光片時(shí)要注意潛在的陷阱。
機(jī)器視覺(jué)中濾波片的應(yīng)用
在設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，增強(qiáng)被檢測(cè)對(duì)象感興趣特征的對(duì)比度是很重要的。濾波提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，同時(shí)阻擋不需要的照明。濾光片可以通過(guò)多種不同的方式增強(qiáng)對(duì)比度，濾光片類型取決于應(yīng)用程序。機(jī)器視覺(jué)中使用的一些常見(jiàn)濾光片有彩色玻璃、干涉、中性密度（ND）和偏振。彩色玻璃帶通濾光片是可用于大幅提高圖像質(zhì)量的一些最簡(jiǎn)單的濾光片。這些濾光片在縮小視覺(jué)系統(tǒng)可見(jiàn)的波段方面工作得非常好，而且通常比類似的干涉濾光片便宜。彩色玻璃濾光片在用于遮擋色輪另一側(cè)的顏色時(shí)效果最佳（圖4）。
圖4：色輪展示了暖色應(yīng)該用來(lái)過(guò)濾掉色輪另一側(cè)的冷色。
彩色濾光片
考慮圖5中所示的例子，其中正在檢查凝膠膠囊。如圖所示，兩個(gè)紅色膠囊位于一對(duì)綠色膠囊的外側(cè)，在白光背光下。
圖5：使用相同的視覺(jué)系統(tǒng)檢查的四個(gè)液體膠囊，如圖所示。
這是一種分揀應(yīng)用程序，藥丸需要按顏色分開(kāi)才能到達(dá)各自的位置。用單色相機(jī)對(duì)膠囊進(jìn)行成像（圖6），綠色和紅色膠囊之間的對(duì)比度僅為8.7%，低于20%的最小建議對(duì)比度。在這個(gè)特定的例子中，環(huán)境光的微小波動(dòng)，例如個(gè)人走過(guò)系統(tǒng)，可以將已經(jīng)很低的8.7%的對(duì)比度值降低到足以使系統(tǒng)不再能夠正常操作的程度。這個(gè)問(wèn)題有幾種解決方案：可以建造一個(gè)體積龐大、成本高昂的擋光系統(tǒng)來(lái)完全封閉檢查系統(tǒng)，可以重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整個(gè)照明方案，或者可以添加一個(gè)濾光片來(lái)增強(qiáng)綠色和紅色藥丸之間的對(duì)比度。在這種情況下，最簡(jiǎn)單和最具成本效益的解決方案是使用綠色玻璃濾光片，以提高兩種不同顏色膠囊之間的對(duì)比度。如圖6所示，對(duì)比度從8.7%提高到86.5%：幾乎增加了10倍。
圖6：使用單色相機(jī)觀察膠囊，對(duì)比度為8.7%（a），使用單色相機(jī)和綠色濾光片觀察膠囊，對(duì)照度為86.5%（b）。
中性密度濾光片
中性密度濾光片用于某些應(yīng)用中，其中在不改變曝光時(shí)間或調(diào)整f/#的情況下對(duì)圖像的亮度進(jìn)行額外控制是有利的。盡管有兩種主要類型的中性密度濾光片（吸收和反射），但對(duì)圖像的影響是相同的：均勻地降低透射通過(guò)透鏡并到達(dá)傳感器上的光。對(duì)于像焊接這樣的應(yīng)用，無(wú)論曝光時(shí)間如何，成像器都可能過(guò)載，中性密度濾光片可以在不需要改變f/#的情況下提供必要的吞吐量下降（這可能會(huì)影響系統(tǒng)的分辨率）。特殊的中性密度濾光片，如變跡濾光片，有助于處理由物體的強(qiáng)烈反射引起的圖像中心的熱點(diǎn)，但光密度隨著距離濾光片中心的徑向距離而降低。
偏振濾光片
偏振濾光片是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用的另一種常見(jiàn)類型的濾光片，可以更好地對(duì)鏡面物體進(jìn)行成像。要正確使用偏振濾光片，光源和透鏡上都必須有偏振濾光片。這些濾光片分別被稱為偏振器和分析器。圖7展示了偏振濾光器在觀察鏡面反射對(duì)象時(shí)如何發(fā)揮作用的示例。
圖7：無(wú)濾鏡拍攝的圖像（a）顯示高眩光，有偏振濾鏡（b）減少眩光。
在圖7a中，使用明場(chǎng)照明檢查CCD成像器，圖7b顯示了相同的照明設(shè)置，光源上有偏振器，透鏡上有分析儀。如圖7b所示，使用偏振器增強(qiáng)系統(tǒng)可提供卓越的性能，因?yàn)橥哥R上的濾光片會(huì)吸收強(qiáng)烈的反射。為了確保最大限度地抑制不必要的眩光，偏振器的偏振軸必須與透鏡上的偏振器偏振角成90°角。否則，透鏡仍會(huì)將一些強(qiáng)烈反射的光透射到系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致眩光。至關(guān)重要的是要理解濾光片的存在是為了操縱圖像的對(duì)比度以幫助提高成像系統(tǒng)的精度。無(wú)論是通過(guò)顏色過(guò)濾還是通過(guò)偏振過(guò)濾，每個(gè)濾光片的存在都是為了解決一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題；了解哪些濾光片應(yīng)該用于特定的應(yīng)用程序是很重要的。
轉(zhuǎn)自：光子位
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