影像處理系統的基礎
影像處理系統和保持食品良好形態之間有何關係?
人人都喜愛看起來新鮮美味的食物。影像處理系統經常用於這類產品的品保流程,以確保食物看來新鮮美味。影像資料可幫助製作者做出明智決定,不然就無法做到這點。
但是這類系統要如何設計?哪些步驟是必要的、哪些重點必須考量、有哪些選項可供選擇?
假設有個蘋果農夫,要你設計一套機器視覺系統來檢測蘋果。他想要賣的是品質劃一的產品,要能篩選出品質不良的蘋果,還要能快速運作。他會碰到幾個問題:
對這個系統會有哪些明確定義的需求?
需要什麼樣的解析度與感光元件?
要用彩色還是黑白相機?
需要哪些相機功能?影像品質需要到什麼水準就足夠了?
相機之眼:縮放與鏡頭性能
需要哪種光源?
需要什麼電腦硬體?
需要什麼軟體?
系統到底應該提供什麼功能?有哪些先決條件?
這樣的問題聽起來太簡單明白了,因此常遭到忽略,得不到詳盡的答案。但事實不變:如果一開始就釐清自己到底想要達成什麼,之後就能省時省錢。
你的系統應該
只顯示檢測中物體的影像,運用放大或特殊光源工具,來顯現肉眼無法偵測的產品特性嗎?
還是要計算目標產品的特色,例如測量尺寸和尺寸的穩定性?
或是檢查放置是否正確 - 像是在撿資與放置系統上?
還是要確認產品特性,以便將之分類到特定的產品類別?
解析度與感光元件
特定應用中該用哪種相機?需求定義是用來推導出相機解析度與感光元件尺寸的目標規格。
但首先:解析度到底是什麼?在傳統攝影中,解析度是指影像中兩個實際的點或線可以清晰辨別的最小距離。
在數位相機的領域中,經常使用「兩百萬畫素解析度」這樣的術語,意義上完全不同,這其實是指感光元件上畫素的數量,但嚴格來說並不是解析度。真正的解析度只有在相機、鏡頭、幾何形狀(即設置所需的距離)配套後才能確定。並非畫素的數量不重要,要達到更高的解析度,確實需要更多畫素。本質上,畫素的數量表示理想狀況下的最高解析度。
精細的解析度或較大的檢測面 - 兩者都需要相機具備的畫素愈多愈好。實務上還可能需要多台相機,才能以高解析度來進行大面積檢測。事實上,使用多台搭載標準鏡頭的相機,常常比搭載能一次拍下整個區域的特殊昂貴鏡頭的相機還要來得划算。
感光元件尺寸和視角決定了拍攝的尺度,在之後選擇鏡頭時是很重要的條件。
彩色或黑白?
一般來說,大多數應用並不需要彩色相機。對許多觀察者來說,彩色影像比較容易觀看。用彩色相機產生色彩逼真的影像,就必須使用白色光源。如果可以透過色彩來進行特徵檢測 (像是蘋果外觀上的瑕疵),那就會需要彩色,但並非一定必要。在很多案例中,往往可以透過彩色照明加上黑白相機,從黑白影像中找到這些特徵。以完美樣本進行實驗,是很有幫助的。如果色彩並不重要,黑白相機就是更好選擇,因為彩色相機本身就沒有黑白相機那麼敏銳。
你的檢測工作是否非常複雜?如果是這樣的話,你可能應該考慮使用多台相機,特別是需要記錄一系列不同特徵的場合,每種都需要不同的光源與光學配置。
相機功能與影像品質
相機好壞不能只看畫素數量。也應將影像品質和相機功能列入考慮。
在評估數位相機的影像品質時,除了解析度外,還有下列因素應該一起考慮:
感光度
動態範圍
訊噪比
在相機功能方面,速度最重要的因素之一,通常以每秒影格數 (fps) 來表示。這個數字表示每秒可記錄的最大影格數量。
相機之眼:縮放與鏡頭性能
優良的光學系統很昂貴。在許多情形下,標準鏡頭的效能就足以應對工作所需。要決定需求,需要下列參數資訊:
鏡頭介面
畫素尺寸
感光元件尺寸
影像比例,意指影像與物體大小之間的比例。這對應到單一畫素的大小除以畫素解析度的比例 (畫素解析度是受檢測物體內正方形邊緣的長度,應該精確填入相機感光元件內的單一畫素。
鏡頭焦距決定影像比例與相機和物體間的距離
光源強度
只要有此資訊,就很容易從鏡頭製造商提供的規格表中來檢查,來確認是否使用價格合理的標準鏡頭即可,還是需要使用高階鏡頭。
鏡頭特性如失真、解析度 (以 MTF 曲線來表示)、色差、鏡頭最佳化頻譜範圍等,都是額外的選擇條件。
也有一些特殊鏡頭,例如近紅外線、超廣角鏡頭(「魚眼」)、特別適合用來測量長度的遠心鏡頭等,但是這類鏡頭都相當貴。
這邊的道理也是:釐清問題的最好方法,就是測試並試拍。
光源
在不良光源下,什麼都很難看清楚:這道理看來顯而易見,但對影像處理系統來說也是如此。
高速檢測通常需要更敏銳的相機,以及強大的鏡頭。在許多情況下,最簡單的做法,就是調整或加強照明條件,以增強影像的亮度。有許多方法可以加強影像亮度:兩個範例:加強環境光,或是同時使用鏡頭或閃光燈來形塑合適的光源。但重要的不只是光源強度而已。光線從鏡頭到相機的路徑也很重要。
在攝影中一個常見的例子是使用閃光燈:如果環境光太過分散,就會使用閃光燈來對準目標進行照明;但必須處理影像中平滑表面造成的不必要反光,這常會造成細節被蓋過。在影像處理中,實際上常會需要這種效果,以強光來強化直線、低反射表面。對於擁有不多方向多個表面的物體,漫射光會更好。
電腦硬體
所需的硬體取決於任務及所需的處理速度。雖然簡單的任務可以透過電腦硬體和標準影像處理套件來執行,但複雜、快速的影像處理任務可能需要專門的硬體。
軟體
評估影像時需要軟體輔助。大多數相機都會配有軟體來顯示影像和進行配置,以啟動與運行相機。特殊應用和影像處理任務則需要購買或客製開發專屬軟體。
總結
在開始進入影像處理設計之前,從相機、光學元件、光源到支援整個系統的電腦軟硬體,需對所有使用的系統元件進行各種考量。
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