未來的彩色視界：小視覺 大世界
http://www.debgrams.com 2009-01-14 11:02 來源：中國圖像網
1861年，維多利亞女王統治期間，英國仍處于工業革命的巔峰，此時，物理學家馬克斯威拍出了世界上第一張彩色照片。70年過后，英國科學家約翰 洛吉 貝爾德在戰前的倫敦首次展示了世界上第一款彩色電視，盡管上世紀在技術上取得了長足進步，但制造商徹底接受彩色檢測卻還是過了好多年。
食品、紡織、電子和半導體行業中，對產品色彩的檢測非常重要，這并不令人驚訝。在黑白相機應用中，每個像素可以對光源照射到圖像上每個點的光線強度進行測量。彩色相機可對每個點上的三種不同色彩的光線強度進行測量，將所捕獲的數據量翻了三倍。這復雜了從數據捕獲到計算機處理的每個步驟，意味著灰階技術雖然有局限性但仍是最受歡迎的方法。
Matrox Imaging公司MIL處理組經理Arnaud Lina說：“成像行業推動了黑白圖像檢測的應用。這些圖像的獲取相對簡單，處理黑白圖像的專業技術豐富，但現有的彩色圖像處理軟件包和專業技術非常少。灰階方法更加廣泛，更加容易理解和操作、價格便宜，并且計算復雜度相對較低。所有這些因素使得灰度方法成為行業中具有吸引力的方案。機器視覺制造商克服這些困難并開發出高費效比，且容易使用的方案還是最近的事。
在一些例子中，謹慎的選擇光源和黑白相機就已足夠，無需增加額外的彩色系統成本。例如，紅色光能夠照明圖像中的紅色區域，綠光和藍光則呈現黑色。相對簡單的灰階軟件工具隨后可用于進行相應的測量。
Firstsight Vision公司銷售主管Mark Williamson說：“很多人都有一個誤解，認為人觀測到的是彩色，就需要用彩色檢測。如果你需要辨別色彩，這的確很重要，但無需用彩色進行簡單的測量。”
數據獲取
對于更為復雜的應用來說，機器視覺制造商在近年來有了穩步提升。曾經的一個障礙是在適宜的價位提供分辨率好的彩色相機，但近年CCD分辨率的提升提供了解決方案。
在過去，面陣掃描彩色相機采用三種獨立的CCD芯片分別用于每個像素紅、綠、藍三種光的捕獲。這些數據隨后被合成一張全彩色圖像。
更為便宜的解決方案是只采用一個芯片，芯片上的每個像素只對輪流穿越圖像的一種色彩感光。由于每個像素都將被其他測量不同色彩的像素包圍，相機能夠通過尋找缺失色彩周邊的反饋來填充缺失的色彩。但這降低了圖像色彩分辨率，因為只采用了大概一半的真實像素，相比具有相同像素的三芯片相機來說，色彩保真度不夠精確。
這曾經限制單芯片相機的采用，但新的百萬像素芯片的出現使高分辨率色彩的獲取成為可能，并且無需對每種彩色都準備一個傳感器。Williamson說:“我們在嘗試向單芯片彩色相機轉變，因為價格更加便宜。”
彩色檢測在采用線陣相機拍攝圖像中仍存在問題。線陣相機含有成千上萬個連續的像素，能夠對運動中傳送帶上的目標物進行掃描，來成行構建每個目標物的圖像。由于單行限速需要對每種色彩進行單獨的獲取，導致了相機性能的下降，而采用三行像素成本則太高。
由于三線性掃描相機仍有廣泛的高端應用，一些制造商現在開始生產雙線性相機，一行像素只捕獲一種色彩，并且其他行含有交錯像素可捕獲另外兩種主要色彩。
Dalsa公司高級線陣相機銷售經理Xing-Fei He說：“這種彩色性能沒有三芯片CCD相機性能好，但是對于識別個別的盒子已經足夠，如：垃圾回收應用。它非常適用于這種應用。”
由于傳送帶的速度非常快，捕獲的數據量巨大。Williamson說：“從相機中提取數據并傳送至采集卡常常是個問題。只有通過PCI總線才能應對大容量數據。”
然而，根據Williamson，由于高速數字接口的出現，如：吉比特以太網和火線，對于線陣相機來說，這種傳輸已經不再是問題。
數據一旦被獲取，就需要計算對其進行分析，這同樣因為大量數據而變得復雜。
Williamson 說：“對于智能相機來說是個典型的問題，你需要三倍的處理能力，而這是個瓶頸。”半導體技術的不斷發展可能會最終解決這個問題。
彩色分析
FPGA技術也能夠幫助簡化這一問題，在數據在從相機或采集卡傳輸至計算機之前對其進行快速預處理。Euresys的Grablink Quickpack ColorScan圖像采集卡配有FPGA和其他的功能，可簡化彩色檢測應用。
例如：目標物在一個線陣相機下移動時，每個像素行都能夠在不同的時間點顯現出目標物的特征，并且相機必須隨后對像素的不同色彩進行拼合，并讀取為RG圖像。Euresys的方案是通過在圖像采集卡上采用FPGA技術，來實施這種“線陣延遲補償（scan-delay compensation）”，幫助減輕計算機的工作量。FPGA技術在處理中比計算機的CPU更為有效。這種方案還能糾正不同色彩的失真和平衡。
即使對數據進行了預處理，大容量意味著需要對分析算法進行仔細斟酌。Dalsa的He說，“算法比傳統的處理更加復雜。”
Firstsight Vision的Williamson同意這樣的觀點，“你要做的是有效處理三倍的數據，所以更加復雜。關鍵是將復雜性隱藏在看起來簡單的用戶界面之后。”
He說Dalsa的IPD檢測軟件工具是這方面非常好的例子。采用這個工具，用戶可以定義他們自己最感興趣的三種顏色。工具隨后創建三類單色圖像映射每種顏色的密度。
一個通常的彩色傳感器只能提供一個二值圖像（彩色有效處為黑色，彩色無效處為白色），但是不能顯示強度。Williamson 說，“iNspect可提供一張有關所有那種顏色不同漸變的圖片。這使用戶能夠在全彩色圖像中應用這種典型的單色工具，如：邊緣查找和Blob分析。”
機器視覺軟件庫還能夠通過為多數通常工作提供Ready-Written Code來簡化色彩檢測。Euresys的Open eVision系列包括進行彩色分析的EasyColor庫。這些包括有將RGB色彩數據轉換為對色彩強度、色調、飽和度的描述，這些參數對一些應用很重要。它還可以根據色彩進行圖像分割，糾正彩色平衡以及彩色濾波。
彩色分析可用于對不同物體進行計數，如這些糖果。
大多數現有的軟件都致力于提高用戶操作系統的便利性，使用戶無需具備豐富的機器視覺專業知識就能夠從色彩檢測中受益。Matrox Imaging的Arnaud Lina說：“Matrox開發出了一套軟件工具，能夠集成于Matrox Imaging Library （MIL），MIL是一個通用成像及視覺庫。軟件包含有顏色匹配工具、colourdistance工具和彩色投影。”
“在通用成像及視覺包內集成彩色工具，是讓開發人員在使用簡單的通用編程界面進行成像應用時，添加上彩色圖像獲取和處理功能。這樣用戶就能夠關注于彩色檢測硬件和軟件，而不是開發軟件算法。”
Matrox的工具包括有彩色數據分析，彩色識別和學習，以及類似人類感知能在不同色彩空間內運作的能力。靈活性是關鍵。Lina說：“我們根據問題的特質提供各種策略。”
未來
其他的小革新也能夠簡化彩色檢測設備的維護。Dalsa近期用車燈上通常采用的染料替代了傳感器上的色彩過濾器，這可以使其更經久耐用。Dalsa的He說：“用戶不會想要在幾個月中就看到褪色現象。
技術很少保持不變，機器視覺供應商似乎最終將掌握彩色檢測，他們可能會進入一個新的時代，這又會對數據處理提出更高的要求，像是三種色彩（紅、綠、藍）遠不夠，大多數的制造商現在都在研究添加第四或第五種成分——UV和近紅外波長。
Basler公司視覺配件產品部經理Joachim Linkemann說：“單色信息將很可能發展為近紅外光。水果和蔬菜上的劃痕在近紅外下都能夠觀測得到。除RGB外，彩色相機很可能會開發出NIR像素。”這可能會采用相同的像素技術，但新增的過濾器可使紅外波也融入所要求的像素。
Dalsa的Xing-Fei He贊成相機很可能會在未來對更大范圍內的波長敏感,他說：“客戶還會轉向紫外線檢測。由于電子元件變得越來越小，我們需要采用更短的波長來檢測它們。我預計它將成為一個重要的市場趨勢。”
直到現在，制造商至少能夠從多數彩色檢測技術的發展中受益，這些發展簡化了操作，費效比比從前更高。He預測：“我們能看到越來越多的客戶轉向彩色檢測來區分不同的產品。”
應用
彩色分析工具能用于區別不同特征
生產線上應用的多數彩色檢測將會趨向美感：如:檢測標簽印刷的錯誤，或確保一塊布的顏色同特殊的色調匹配。這些應用確實非常重要，但彩色通常用于檢測特征，而非美觀與否。
Matrox Imaging 公司MIL過程組經理Arnaud Lina說：“在食品行業，產品的色彩通常是質量的標示。彩色處理可用于單個產品的質量評估，如：檢測西紅柿的紅色程度，或測量一個包裝內各種物品的比例。”
在紡織工業，UV檢測能夠查找出纖維中的雜質，而這些無法用肉眼觀看得到。
在電子和半導體行業，彩色可用于區分同一電路板上的不同元件。Dalsa 公司的Xing-Fei He 說：“盡管元器件不再有彩色編碼的必要，彩色仍是用于識別的一個方面。”
在醫療應用中，彩色也非常重要。現在一些公司開始生產影像設備，進行腫瘤和痣等樣本的自動分析，來判定病人是否患有惡性皮膚癌。Basler公司視覺配件產品經理Joachim Linkemann說：“一個非常有經驗的醫生需要通過樣本來診斷癌癥，但他們需要具備極其豐富的經驗。一臺機器可以給出更可信的結果——它不會出現診斷失誤的時候。沒有彩色分析，腫瘤就很難識別”
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