原创 获取最清晰的图像

实验评测时间：2009年04月
实验评测地点：北京市海淀区上地高新技术产业基地创业路17号4048房间
实验评测单位：www.china-vision.net
实验评测人：Jooonjay Zhang 及www.china-vision.net评测小组
实验报告撰写人:Jooonjay Zhang、Richard Yao
实验联系邮箱:Jooonjay.zhang@seventhsense.cn; richard.yao@seventhsense.cn
             machinevision@21cn.com；machinevision@sohu.com

清晰的图像是进行任何图像分析的基础，当硬件元素构建完成后，用将力求采集到最佳的图像。图像的质量由照明、镜头和相机参数等诸多因素决定。本文中我们将借助映美精出品的DFK 31BF03-Z2.H相机了解如何设置相机的参数以优化图像质量。关于此相机的其它相关知识请参阅视觉网上的相关文章。
请注意：图像质量的高低受工作环境影响较大，现场系统工程师有责任根据实际情况正确地设置照明、镜头和相机参数，本文中的具体参数设置只作参考。本文将按以下顺序介绍影响相机成像质量的主要调节参数：快门（曝光时间）、增益（对比度）、补偿（亮度）、自动曝光和曝光参考、伽玛（Gamma）、饱和度、色彩、白平衡。

快门（曝光时间）
快门控制电荷耦合器件（CCD）的曝光时间。我们可以通过手动或自动方式调节曝光时间（请见下图）。

  以下三张图以手机面板字符检测为例，第一张曝光时间正确，第二张曝光时间太长，第三张曝光时间太短
 

使用相机直接对发光或反射强光的物体进行采集时，曝光过度时会导致图像过度曝光而只呈现出一大片白色区域，有时甚至会产生凌乱的图像，如下图第一张，如果我们减少曝光时间，光源将正确成像，但是会有一条纵向线条干扰图像，如下图第二张，这也是一种典型的所谓“高光溢出”的CCD问题。数码相机感光元件上的像素负责收集光子，然后把光子转化成电荷，继而通过一系列处理，形成数码图像。一旦接收光子的某个像元满载，由额外光子转化成的电荷便会溢出。当电荷溢出至其旁边的像素，使旁边的像素在处理光子过程中感光过度，有时会形成一条白带。可以通过减小光圈并增加曝光时间来避免这个问题，下图第三张为正确成像时的图像，以下三幅图像的曝光时间分别为：1秒、1/10000秒、1/1000秒。 

 增益（对比度）
增益决定CCD输出信号的放大。可手动或自动调节这一参数（请见上文中“设备属性”对话框中“曝光”标签栏）。对输出信号进行放大可以增加对比度。然而，过高的增益会导致太多的图像噪声，如下图第一排第一张为源图像，第二张增益为317，第三张为1023，第二排为对应的局部放大图像  

 补偿（亮度）
亮度补偿将均衡地加入CCD的输出信号。此参数可以通过手动或自动方式调节。加入补偿将提高所有的灰度级。因此，图像看起来更明亮，但对软件算法的影响并不显著，因此一般使用在人眼观察的场合。如下图为源图像、少许增加亮度与过度增加亮度的情况：   

 自动曝光和曝光参考
自动曝光决定是以手动还是自动方式调节曝光时间和增益（请见上文中“设备属性”对话框中“曝光”标签栏）。可使用曝光参考这一参数来影响该自动操作。当前图像的平均灰度值将与曝光参考值进行对比，如对比结果满足调整条件，则对曝光时间和增益进行相应调整。如下图为分别按自动参考值为200、600、1800时采集到的自动调整所得图像：

伽玛（Gamma）
在电视和图形监视器中，显像管发生的电子束及其生成的图像亮度并不是随显像管的输入电压线性变化，电子流与输入电压相比是按照指数曲线变化的，输入电压的指数要大于电子束的指数。这说明暗区的信号要比实际情况更暗，而亮区要比实际情况更高。所以，要重现摄像机拍摄的画面，电视和监视器必须进行伽玛补偿。
IC Capture软件中提供的伽玛校正从10至22，通过伽玛参数可增加中间灰度级，从而可以补偿显像管的非线性特性，下图分别为按伽玛校正为10、16、22所得图像：

饱和度
我们使用这一参数来调节从黑白到高色彩值的色彩饱和度，如下图为饱和度分别为0、128、255时对应的图像，图像的真实色彩需要标准色彩与RGB值对比后校正得出，然而在某些色彩应用场合，需要加大饱和度以区分不同的色彩区域：

色彩
即色相值，我们使用这一参数来改变色彩值。然而，色彩之间的关系不变，这也是与白平衡的不同之处，下图为原图像与色相转到359时的图像： 

白平衡
这一参数可用来调节图像中红色和蓝色的色度，以得到逼真的色彩。我们可通过手动或自动方式控制这些值。自动白平衡功能提供两种操作模式：
自动：即“自动”复选框，对视频数据流持续实施白平衡操作。

 单触：即“自动调节”按钮，只触发一次调节过程。
 

普通的多媒体相机只提供一个白平衡参数，所以增加红色色值会减少蓝色色值，反之亦然。高质量的相机提供两个参数，因此可以分别调节蓝和红的色值，下图分别为原图、蓝色色值较低和红色色值较低的图像： 

综合以上各参数的精确调整才能最终获得清晰而色彩逼真的图像，这原本是一项复杂的调整过程，然而借助IC Capture中多项自动调整功能，以上调节可以很快完成，再一次发挥出了映美精相机调整简单的特点。
其它相关文章请参阅视觉网。

德国映美精工业相机探秘一共八集，更多精彩请随时关注：

德国映美精工业相机探秘(一)-初探德国映美精DFK 31BF03-22.H 1394接口伸缩工业相机

德国映美精工业相机探秘(二)-拜尔算法在映美精工业相机中的应用

德国映美精工业相机探秘(三)-获取最清晰的图像

德国映美精工业相机探秘(四)-映美精彩色相机工作原理

德国映美精工业相机探秘(五)

德国映美精工业相机探秘(六)

德国映美精工业相机探秘(七)-天文观测领域中的映美精相机

德国映美精工业相机探秘(八)

感谢以下品牌对本次评测的大力支持：
机器视觉光源提供商：The Imaging SourceDFK 31BF03-22.H标配

工业相机提供商：The Imaging Source

工业镜头提供商：The Imaging SourceDFK 31BF03-22.H内置

软件提供商：The Imaging Source
感谢以下公司及个人对本次评测的大力帮助：
http://www.theimagingsource.com/zh_CN/
尤其感谢http://www.theimagingsource.com/zh_CN/市场部经理孙潇先生、及The Imaging Source公司领导对我们评测的支持，他们在得知中国视觉网评测试用该公司相机计划之后，在短短2周的时间由德国直接向www.china-vision.net提供了该公司全新的DFK 31BF03-22.H 1394接口伸缩工业相机、配件、软件一套，在评测过程当中遇到的所有咨询问题我们发出邮件在最短时间内给予了详细的解答回复。他们的专业精神和及时的技术支持服务令我们的评测工作非常顺利。

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