揭秘工业图像处理如何及时实现偏振影像

通过对偏振光的了解，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。

为了确定偏振信息，到现在为止，4个不同方向的偏振滤光片的连续图像和后续的PC处理是必要的。有了索尼的Polarsens技术，只需一次取像即可。额外的数据预处理将来自虹科偏振相机的原始数据实时转换为有用的图像格式，以便在主机中进行更有效的进一步处理或评估。

偏光

迄今为止，在图像处理中主要采用特殊照明、滤光镜和光学配件的另一个特点是波的偏振。偏振并不是描述光束本身的方向，而是描述光粒子（光子）与传播方向垂直摆动的波幅方向，非极化光波在不同的方向上振荡。白炽灯或太阳光就是例子。 如果光子只向一个方向运动，就是线性偏振光。特殊的偏光片可以吸收或减弱在所有平面（即其偏光轴）上振荡的入射光，从而形成近乎线性的偏光。    

反射与极化有什么关系？

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，未极化的部分光仍然可以通过滤镜。

挡风玻璃上的光反射可以通过偏振滤镜来消除

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。

偏振对图像处理的重要性

对于光的纯感知或数字化，无论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。关于偏振光的知识，它是如何产生的，如何影响它，提供了解决的方法。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。

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，只觉得对我们来说重要的影像内容彰显得清楚，或者说它们的光照强度增加了。不尽然光线是由污渍和划痕的反射而产生的偏光。

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，或者看到 "看不见 "的特征。比如索尼的Polarsens技术，这种偏振的量化就非常容易实现。这意味着，如果使用虹科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。 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。 

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。

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。

编辑：黄飞