在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,反映每一個(gè)像元灰度質(zhì)量的指標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍,也是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要考慮的重要指標(biāo)之一。動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的二個(gè)主要指標(biāo)。
灰度的動(dòng)態(tài)范圍在工業(yè)
相機(jī)中的模擬視頻部分用信號(hào)/噪音比(Signal to Noise Ratio)SNR表示;而在工業(yè)相機(jī)或圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字視頻量是用比特(bits)位數(shù)n表示。
在現(xiàn)實(shí)世界中,一幅圖像會(huì)同時(shí)具有最亮和最暗的區(qū)域,它們之間的差距可能是十分巨大的,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所采集的圖像應(yīng)盡可能地反映出這種灰度的巨大變化范圍。此外,在現(xiàn)實(shí)世界中圖像灰度的微小變化,可能就是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要區(qū)別的目標(biāo)和背景的界限,所以機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也應(yīng)盡可能地將圖像中灰度的細(xì)微變化反映出來(lái)。
這二個(gè)概念合并起來(lái),就是動(dòng)態(tài)范圍,而它又主要取決于工業(yè)相機(jī)的性能。
如果我們把自己限制在光敏電子的范圍內(nèi),我們可以簡(jiǎn)化定義如下:動(dòng)態(tài)范圍表示傳感器能夠記錄的最大光強(qiáng)的變化。在這篇文章中,我想探索動(dòng)態(tài)范圍的概念,它適用于數(shù)字成像系統(tǒng)。我們將對(duì)這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)更全面的理解。
數(shù)字成像系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍
由于本文重點(diǎn)是CCD作為數(shù)碼相機(jī)的組件,而不是孤立的光探測(cè)設(shè)備,下面讓我們進(jìn)一步了解動(dòng)態(tài)范圍與整個(gè)成像系統(tǒng)的關(guān)系。
首先,亮度這個(gè)術(shù)語(yǔ)幾乎是“光強(qiáng)度”的同義詞,但亮度專門(mén)指的是由一個(gè)特定物體或區(qū)域反射、發(fā)射或發(fā)出的光。而照相機(jī)相應(yīng)亮度指的是從視覺(jué)場(chǎng)景的給定部分到達(dá)傳感器的光量。
我們可以把動(dòng)態(tài)范圍看作是產(chǎn)生白色圖像與產(chǎn)生黑色圖像的亮度之間的比率。在數(shù)字系統(tǒng)中,白色對(duì)應(yīng)ADC可能的最高輸出值,黑色對(duì)應(yīng)ADC可能的最低輸出值。以常用的8位灰度范圍為例,白色= 255,黑色= 0:
數(shù)字單色圖像中的黑白與物理場(chǎng)景中的“黑”和“白”非常不同,原因有三:
1.在視覺(jué)感知中,“黑”和“白”與顏色(或缺乏顏色)有關(guān),而一個(gè)基本的光敏裝置只能表示色調(diào),即“黑”和“白”,為測(cè)量亮度的視覺(jué)表示。
2.在自然界中,真正的黑色是完全沒(méi)有光的:即零亮度,就像在任何地方都看不到一個(gè)光子。事物可以在圖像中呈現(xiàn)黑色,即使它們?cè)谖锢憩F(xiàn)實(shí)中遠(yuǎn)非黑色。
3.在圖像中,白色表示最大亮度。在自然界中,亮度持續(xù)增加;宇宙中光的強(qiáng)度不受測(cè)量系統(tǒng)的限制,如膠片相機(jī)、CCD相機(jī)、人眼等。如果你學(xué)過(guò)PS就大致能理解了。
一種數(shù)字單色圖像,其中的黑白不同于物理場(chǎng)景中的“黑”和“白”。
實(shí)質(zhì)情況是,物理世界經(jīng)常呈現(xiàn)亮度變化,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)相機(jī)的測(cè)量能力。動(dòng)態(tài)范圍告訴我們一個(gè)特定的成像系統(tǒng)能捕捉到多少變化,這反過(guò)來(lái)又幫助我們理解這個(gè)系統(tǒng)能在高對(duì)比度,即亮度變化大的情況下能夠很好地再現(xiàn)場(chǎng)景。
動(dòng)態(tài)范圍的影響
讓我們假設(shè)你正在拍攝一個(gè)場(chǎng)景,其中包括一個(gè)深陰影的壁櫥和由陽(yáng)光直接照射的白色花邊窗簾。在第一張照片中,衣柜看起來(lái)是黑色的,所有細(xì)節(jié)都消失了。我們只能延長(zhǎng)曝光時(shí)間。當(dāng)你增加曝光,再照一張時(shí),衣柜看起來(lái)還不錯(cuò),但現(xiàn)在窗簾全白了——你失去了整個(gè)畫(huà)面的細(xì)節(jié)。
這個(gè)案例傳達(dá)了與圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)的基本限制。場(chǎng)景的最大亮度與最小亮度的比率超過(guò)了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍,因此,“高光”中的細(xì)節(jié)和“陰影”部分你不可能同時(shí)保留。
高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)成像
上面的例子告訴我們,圖像傳感器有限的動(dòng)態(tài)范圍并不會(huì)妨礙相機(jī)在單獨(dú)圖像中充分捕捉高光和陰影。我們所需要做的就是用不同的曝光時(shí)間拍攝多張照片。
因此,我們可以通過(guò)合并多幅圖像來(lái)擴(kuò)展傳感器的場(chǎng)景間動(dòng)態(tài)范圍,而這正是人們?cè)趧?chuàng)建高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像時(shí)所做的。HDR過(guò)程包括精確地對(duì)齊同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像,并創(chuàng)建一個(gè)合成圖,該合成圖將曝光時(shí)間較長(zhǎng)的圖像的陰影細(xì)節(jié)與曝光時(shí)間較短的圖像的高亮細(xì)節(jié)合并在一起。
我認(rèn)為內(nèi)部動(dòng)態(tài)范圍只是動(dòng)態(tài)范圍,我更傾向于將場(chǎng)景間動(dòng)態(tài)范圍指定為感知的動(dòng)態(tài)范圍或類似的東西。鏡頭間動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)使用濾光片,軟件等技巧無(wú)限擴(kuò)展;它并沒(méi)有告訴我們系統(tǒng)中最重要硬件性能。
總而言之,動(dòng)態(tài)范圍是表征工程系統(tǒng)的基本手段,成像系統(tǒng)也不例外。