介紹

多年來，大多數機器視覺系統僅以黑白操作。即使在今天，大多數機器視覺應用仍然是單色的。然而，越來越多的應用需要彩色成像并且可以提供顯著的優勢。

在過去的十年中，機器視覺應用中的顏色使用顯著增加。伴隨著相機技術和支持彩色機器視覺應用的算法的穩步改進。因此，許多機器視覺系統設計人員在開始構建色彩是關鍵因素的系統時，發現自己面臨著新的挑戰。

機器視覺相機中的彩色成像

近年來，彩色機器視覺系統的質量顯著提高。這種改進的一部分是相機成像芯片分辨率提高的結果。由于圖像傳感器實際上不能“看到”顏色，因此彩色攝像機需要使用濾光器陣列和其他技術以允許衍生彩色成像信息的方式捕獲光。

然而，該過程通常會降低圖像的有效分辨率。當大多數相機分辨率低于兩百萬像素時，標準單傳感器彩色相機的分辨率損失使它們不適合許多任務。現在，分辨率為500萬像素或更高的相機已經司空見慣，分辨率不再是一個因素，機器視覺設計師可以使用彩色相機更輕松地滿足他們的要求。

隨著傳感器技術的改進，軟件庫和相機固件更好地適應了彩色成像要求。曾經設計過彩色機器視覺系統需要具備豐富的色彩科學知識以及如何使用彩色圖像數據的地方，先進的軟件庫和內置的相機功能簡化了色彩處理，過程比以前更加簡單。

彩色成像在機器視覺中的應用

在機器視覺中使用彩色成像可以從廣泛的應用中受益。這些彩色成像應用中的大多數分為三大類：

顏色檢查

彩色成像可為您提供可優化檢測過程的其他數據。特別是當您的目標是對缺陷進行分類或檢查有色產品的形狀時，使用彩色成像至關重要。例如，檢查顏色編碼的電線。如果要檢查每根電線是否連接到電路板上的右側連接器，您的機器視覺系統需要能夠讀取電線的顏色并查看是否匹配。

▲使用顏色可以進行無法以黑白方式進行的檢查，例如檢查印刷電路板上的彩色編碼組件。

顏色分類

機器視覺中的彩色成像也可用于根據顏色分離物品。這意味著彩色成像可用于按顏色對對象進行分類或分類。隨后，它還可以用作對某些對象進行分級的方法。例如，櫻桃，蘋果和其他水果可以按其顏色分類，以表示成熟。

▲按顏色分類是食品中的常見應用，但也用于許多工業應用。

顏色檢測和匹配

顏色檢測旨在向相機傳授它所看到的顏色。對于使用來自彩色機器視覺相機的數據的應用，主計算機首先需要將顏色值連接到每個像素或表示像素的區域或斑點的直方圖。一旦應用程序指定了顏色值，它就可以將其與目標顏色或目標顏色值范圍進行比較。此匹配過程可用于確保打印材料與預定義的公司顏色匹配，或確保汽車的側視鏡與門面板或許多其他應用程序匹配。

▲準確的色彩匹配確保了汽車，包裝，木地板等的一致性。

彩色成像的主要挑戰

彩色機器視覺系統在上面列出的任何廣泛應用類別中的表現程度取決于它能夠衡量多個關鍵挑戰：

色彩還原性

機器視覺彩色攝像機為主計算機提供由來自場景的反射光或入射光產生的像素級數據。雖然兩個相機都可以產生“令人愉悅的”圖像，但是特定像素值可以根據相機的類型，質量和/或年齡而不同。目標是產生與“真實”顏色值最接近匹配的值，這些值可以使用準確的實驗室設備在相同的照明條件下計算。

▲觀察相同目標的兩個相機可以呈現不同的顏色值，即使兩者都是相似的白色平衡。

色差

根據應用，機器視覺相機可以區分相同顏色的細微差異可能是至關重要的。例如，當使用多塊皮革制作錢包或夾克時，重要的是單個物品的所有部件具有相同的顏色。具有略微不同色調的碎片可以在其他夾克或錢包上一起使用，但是在單個物品上混合不同的色調是不可接受的。

實現高水平的差異化需要可以高精度和可重復性計算的顏色精度。當光水平較低時，這尤其具有挑戰性，因為顏色值被壓縮成較小范圍的可能值。彩色相機越敏感，提供色彩差異的能力越強，但其他限制因素可能會起作用。

▲檢測細微陰影差異的能力要求在各種照明條件下具有高色彩準確度和出色的靈敏度/對比度。

彩色相機的空間分辨率

就像在單色應用程序中一樣，許多顏色應用程序需要區分小圖像細節才能執行其任務。他們可能需要讀取條形碼或QR碼，或者可能需要準確識別物體的邊緣以執行測量或確定形狀和位置。

依賴于濾色器陣列和拜耳插值來獲取顏色信息的相機，創建由用于估計每個像素的顏色值的過程產生的柔和或模糊邊緣。雖然對于某些應用而言，這種細節損失可能是可接受的，或者可以通過使用更高分辨率的相機來克服，但是其他應用可能需要使用棱鏡相機技術以實現顏色精度和空間精度的必要組合。

▲放大圖像中的小細節可以顯示模糊的邊緣，錯誤的顏色以及可能影響應用程序性能的其他因素。

面陣掃描相機與線掃描彩色相機

在開始評估相機選項之前，需要首先確定應用程序是否更適合面陣掃描或線掃描類型的彩色相機。

面陣掃描彩色攝像機

當正在檢查，分類或分析的物品具有確定的形狀或邊界時，通常使用面陣掃描相機。例如，當您需要檢查單個三維項目（如水果，盒子或印刷電路板）時，面陣掃描相機（使用像素矩陣創建每個對象的2D圖像）很可能是您的選擇。

▲面陣掃描攝像機輸出一系列稱為“幀”的離散2D圖像。

1、面陣掃描攝像機可以非常快速地創建定義區域的圖像。

2、面陣掃描攝像機比線掃描攝像機更易于設置和安裝，并且具有更廣泛的用途。

3、在某些情況下，面陣掃描攝像機可用于連續移動物體的成像，但僅限于捕獲離散的重疊圖像。這可能需要相當多的處理工作來將這些部件“縫合在一起”以進行適當的分析

線掃描彩色攝像機

當您需要檢查長而連續的物品或具有許多不同長度或尺寸的各種物品時，線掃描相機有效。當對象沒有明確定義的開始，結束或甚至大小時，線掃描相機適合您的應用。

例如，對于所謂的“網絡”檢查 – 您需要檢查紙卷，紡織品或鋼材 – 線掃描相機是顯而易見的選擇。同樣，輸送系統充滿隨機排列的水果或農產品，或飛越森林或農田的成像是線掃描相機的良好候選者。

▲當目標移過攝像機或攝像機在目標上移動時，線掃描攝像機輸出一系列單獨的線。

1、線掃描相機通過以高頻率重復捕獲單行像素來掃描移動物體。

2、攝像機捕獲的連續“線性圖像”可以在捕獲時即時分析，或者可以通過軟件逐行重建為更大的圖像以供分析。

3、由于它們連續工作，線掃描相機具有有效“無限”的垂直分辨率，并且可以容易地構建具有比面陣掃描相機更高的總分辨率的二維圖像。

面陣掃描彩色攝像機

如果面陣掃描攝像機是您的應用的正確選擇，并且您需要在機器視覺系統中加入顏色，則有兩種不同的面陣掃描選項可用于彩色成像：拜耳馬賽克和基于棱鏡的多傳感器技術。

拜耳馬賽克技術

拜耳相機依賴于預定義的濾色器圖案，這些濾色器覆蓋相機成像芯片上的像素。計算任何特定像素的紅色，綠色和藍色（RGB）顏色值需要插值過程，該過程查看周圍像素以估計該像素濾波器未捕獲的兩種顏色的值。

▲拜耳濾波器使每個像素僅捕獲單個色帶（R，G或B）。通過使用在相鄰像素中捕獲的數據來“插值”像素的RGB值中的其他兩種顏色。

何時選擇拜耳彩色相機？

當相機的價格是一個重要的決定因素時，拜耳彩色相機遠比棱鏡相機便宜。用戶可以獲得一個良好的，基本的500萬像素拜耳面陣掃描相機，價格不到320萬像素棱鏡相機的一半。

當您的機器視覺系統不需要的色彩準確度。因為拜耳相機需要“插值”（即估計）每個像素的三個顏色值中的兩個，所以通過拜耳算法計算的RGB值之間可能存在明顯的差異以及目標場景中的“真實”顏色值。如果需要準確捕獲應用程序中的顏色并將其與預定義的參考顏色進行比較，則拜耳數據的較低精度可能會產生問題。但是如果顏色的使用僅需要相對準確度，即圖像中的一種顏色與另一種顏色的比較，那么拜耳相機就足夠了。

當您的應用程序不需要細微的顏色區分。除了較低的絕對顏色精度外，拜耳濾鏡還可以阻擋落在每個像素上的部分光線，從而降低整體有效靈敏度。這些因素通常會降低拜耳相機區分非常微妙的色調的能力。然而，對于需要相對粗略的色差的應用，拜耳相機可能綽綽有余，同時允許用戶利用較低的價格點。

當您的機器視覺系統不需要高水平的空間精度時。如前所述，拜耳相機使用的插值過程會導致整體細節丟失，因為它適用于圖像中的邊緣，線條和小打印。如果您正在設計的系統不需要特殊的空間精度，或者您可以使用更高分辨率的攝像機來承擔更高的成本和處理開銷，那么拜耳面陣掃描攝像機仍然是您應用的正確選擇。

基于棱鏡的多傳感器技術

多傳感器棱鏡相機采用具有二向色濾光涂層的高質量棱鏡，可根據光譜波長將入射光分成三個獨立的成像芯片。三個準確對齊的傳感器為圖像中的每個像素提供獨立的紅色，綠色和藍色強度值，無需插值。

▲雖然拜耳技術使用插值來估計RGB值，但棱鏡技術將入射光分離為三個準確對準的傳感器，以便可以為每個像素捕獲真實的RGB值。

何時選擇多傳感器棱鏡彩色攝像機？

當您需要較高的色彩準確度時。使用三個獨立的成像芯片，棱鏡相機可為每個像素提供準確的R，G和B值。無插值意味著交付給您的應用程序的值比來自拜耳相機的值更準確，這對于顏色匹配或區分細微陰影變化至關重要。

當您的應用需要具有高靈敏度水平的相機時，二向色棱鏡濾光片具有比拜耳濾光片更高的透光率，以允許更多的入射光通過。此外，使用三個傳感器，棱鏡相機幾乎可以捕獲所有進入相機的光線，而拜耳相機會阻擋三分之二的波長照射每個像素。由于大多數像素由紅色，綠色和藍色信息的某種組合表示，因此大量的入射光從未到達拜耳相機中的傳感器。這使得棱鏡相機在需要更好的對比度和差異時具有優勢，特別是在圖像的較暗區域。

當您想要檢測和測量小細節時，與在拜耳插值圖像中模糊邊緣，打印和細節的“柔和度”不同，棱鏡技術不需要進行插值，從而為需要讀取，測量的應用程序提供更好的空間精度。或以其他方式分析文本或小圖像功能。

當您在整個光譜范圍內需要準確，鮮艷的色彩時，與人眼一樣，相機依賴于將可見光分成三個獨立的光譜帶，分別代表較長（紅色），中等（綠色）和較短（藍色）波長。棱鏡相機能夠以非常小的重疊（稱為顏色串擾）分離這三個頻帶。與過濾器具有更大重疊的拜耳相機相比，這使得顏色在整個光譜范圍內保持清晰和明亮，導致顏色更暗淡或渾濁，特別是對于介于三原色之間的顏色。

當您對某些攝像機參數需要更大的靈活性時。許多多傳感器棱鏡攝像機允許用戶控制每個傳感器上的設置，就像它們是三個獨立的攝像機一樣。與拜耳相機相比，這為白平衡，色彩增強和其他功能提供了更大的靈活性。

線掃描彩色攝像機

如果您正在構建需要彩色線掃描技術的性能和靈活性的機器視覺系統，您還可以考慮兩種不同的相機類型：三線性或棱鏡相機。

三線掃描攝像機

三線技術使用三條獨立的成像線來捕獲RGB圖像。在過去，三個不同的線性傳感器盡可能緊密地安裝在一起，但是現在大多數新型攝像機都配備了一個帶有三個緊密間隔的像素線的傳感器。

▲三線攝像機將光線聚焦在三個相鄰的傳感器線上，并配有紅色，綠色和藍色濾光片。曝光時間與目標的移動同步，以確保所有三條線捕獲目標上的相同點。

每條線在其像素上配備聚合物濾色器，以捕獲三種基色（R，G或B）中的一種。通過使相機與目標的移動同步，可以組合當每條線經過目標上的相同點時捕獲的圖像，以為目標線中的每個像素提供RGB值。

何時選擇三線性相機？

當相機的價格是一個重要的決定因素。特別是現在大多數三線相機是圍繞一個單線多傳感器構建的，三線相機提供了比棱鏡相機更便宜的選擇。除了較低的相機成本之外，三線相機還可以比棱鏡相機所需的推薦鏡頭節省成本。與可比的棱鏡相機相比，這可以節省50％的成本。然而，請注意，諸如需要使用更高強度照明的幾個因素以及聚合物濾光片與棱鏡濾光片的更快速降級可能會在系統的整個使用壽命期間抵消許多這些成本節省。

當您的應用需要高速成像時，Trilinear相機因能夠以快速線速提供準確（非插值）RGB圖像數據而聞名。較新的4K型號（每行4096像素）可以在50 kHz至70 kHz（每秒50至7萬行）的速度下運行。可比較的棱鏡相機傳統上無法匹配這些線速，盡管新的棱鏡相機現在可以與較快的三線相機幾乎相同的速度。

當你可以保證大致垂直對齊。當三線性相機相對于目標傾斜時，從目標到三條傳感器線中的每一條的距離變得不同，稍微改變目標上每條線所覆蓋的長度。如果傾斜度較小，相機中的補償算法可以進行調整。但是對于較大的角度，偏移可以在圖像中產生彩色條紋（“暈圈”）或其他偽影。當與目標的角度接近垂直并且不需要頻繁更改時，三線性相機將表現較好。

使用具有最小波動的平坦表面時。由于收集完整RGB信息所需的三條線需要在稍微不同的時間點捕獲，因此當捕獲每條線時，波紋或其他表面振動可能導致目標更近或更遠。這可以產生如上所述的像素偏移和“暈圈”。類似地，在傳送帶上移動時可能搖擺或滾動的離散對象可能導致捕獲的三條線之間不一致。為獲得較好效果，當目標平坦且波動較小時，應使用三線相機。

當您的系統要求分辨率高于4k時，今天棱鏡線掃描相機的較高分辨率為4K。如果您的行掃描系統需要8K或16K行分辨率，則三線性將是的選擇。

當您的系統需要尺寸小且重量輕的低功耗相機時，三線相機通常比棱鏡相機小，后者需要容納棱鏡和多個成像芯片。較為重要的是，因為棱鏡相機更大并且可以單獨控制3個成像芯片，所以它自然更重并且需要更多的功率來操作。

基于棱鏡的多傳感器技術

與三線相機一樣，棱鏡線掃描相機使用三條獨立的線來捕獲RGB信息。但棱鏡線掃描相機使用三個獨立的線傳感器。它們安裝在棱鏡上并與單個光學平面對齊，以便所有三個傳感器可以同時捕獲目標上的相同線 – 而不是像三線相機那樣順序捕獲。棱鏡上的二向色涂層將圖像分成三個獨立的傳感器，以便為線中的每個像素捕獲高精度的RGB值。

▲在棱鏡線掃描相機中，紅色，綠色和藍色線性傳感器都通過棱鏡聚焦在同一目標線上，因此可以在沒有任何復雜同步的情況下執行捕獲。

何時選擇多傳感器棱鏡相機？

當您需要較高的色彩精度時。用于分離R，G和B波長的二向色棱鏡涂層比三線相機上的聚合物濾光片提供更準確的區分。這導致顏色通道之間的串擾較小，從而產生更好的顏色準確度，特別是在光譜帶重疊的情況下。

如果您的系統需要帶角度的攝像機或傳送帶的速度變化。使用三角形攝像機處于傾斜位置或以不同的速度捕獲傳送帶上的物體可能會導致與線路間距和曝光同步相關的問題。然而，棱鏡相機一次只取一行并在內部分割。當棱鏡相機相對于目標傾斜時，所有三條線在目標上仍然具有相同的長度，而不是三線相機，其中角度為每條線創建不同的長度（梯形效果）。同樣，棱鏡相機可以同時捕獲每條線的R，G和B信息，因此與三線相機不同，速度的微小變化對捕獲的顏色數據的質量沒有影響。

如果“WEB”中有漣漪或者對象方向發生變化，連續紙張中的小波浪可能會給三線性相機帶來很大的問題，因為它可以改變三條線條中每條線條看到目標的方式，從而導致像素偏移和顏色條紋。如果三維物體滾動或輕微移動，則對于三線性相機上的三條線中的每條線具有略微不同的取向，情況也是如此。基于棱鏡的線掃描相機由于其單個光學平面而避免了這樣的問題，這確保了每個傳感器上的每個像素始終聚焦在完全相同的點上，因此無論波動或移動/滾動物體如何都能夠創建干凈的圖像。

如果您想要更多地控制白平衡和色彩校正，Prism相機可以獨立控制三個線掃描傳感器中的每一個的曝光設置。這意味著白平衡可以通過曝光而不是三線相機所需的增益來完成。如果在應用中需要絕對較小的噪聲，則更好的靈敏度和基于曝光的白平衡的組合可能指向棱鏡相機作為您的較好選擇。

如果您希望機器視覺系統隨著時間的推移具有更高的穩定性。二向色棱鏡涂層不僅具有比三線聚合物濾光片更好的透光率，而且隨著時間的推移它們也更穩定。更好的透光率意味著基于棱鏡的系統可以使用更低強度（和更低成本）的光源并且仍然實現良好的曝光。基于三線性的系統通常需要更高強度的光來實現相同的曝光，這不僅成本更高，而且可能導致相機中濾色器的更快速降級。