工业相机的图像质量

工业图像处理领域的图像质量

对于资深摄影师来说，好的图像质量意味着一张有锐度，高亮度，高对比度的图像。在工业图像处理领域，图像质量包含更多维度的含义。

假设你有两台满足需求的工业相机，从外观看都差不多，那么如何判断哪台相机可以获取更好的画质呢？

我们先看一下EMVA1288的数据表。EMVA1288（网址：http://www.emva.org)是欧洲机器视觉委员会制定的标准，目的是用于评估相机和传感器的图像质量和灵敏度衡量。

1288标准数据表.png

数据表中的很多值都很好，但，是不是值越高越好呢？很多人可能对传感器和像素值比较熟悉，觉得是最重要的图像质量影响因素。

传感器和像素大小、量子效率、分辨率

传感器是相机的核心，因为它确实是最重要的部件。传感器包含了很多携带像素信息的光电二极管，这些像素信息从光子能量转化而来，变为电子信息，电子信息进而转化为可以用于软件处理的图像。电子信息中获得的光子信息有个比例，叫做量子效率（Quantum Efficiency QE in %），因此，在同样的光子信息量下，越多的电子信号数量生成，量子效率越高，而量子效率越高，图像质量越好。

以单反数码相机为例，它具备大传感器，而普通相机带有更小的传感器。在理想状态下，两个相机都可以得到高质量图像。但一旦到了黑暗环境，单反相机拍出来的图像质量更好。大的传感器可以获取到更多的光子信息，而普通相机会通过闪光灯快速补偿没有获得的信息。如果你设置了普通相机不用闪光灯，它就会调整ISO，那么就会增加了图像的噪度。

简单来说，传感器越大，图像质量越高。下面是传感器大小的对比

传感器大小对比.png

接着，除了传感器大小影响图像质量之外，像素数量和在传感器表面的大小也是影响图像质量的重要因素。

一台单反相机(全尺寸)和普通相机（4/3"），都有1500万像素，很显然，如果传感器大小不变，普通相机中传感器内像素会更小以便获得同样的分辨率，如果传感器表面的像素过多，也会造成噪度更大和更小的光感，这样过大的像素也会在成图像质量下降。

实际上，像素一般会综合传感器，镜头和之间物体的距离来确定，像素大小对于获得的光信息数量至关重要。

举个例子，它就像数以百万级的小铁桶在接着雨水，捕获区域越大，收集到的光子信息越多。通过曝光，每个桶里面的数值越精确，一般我们会有256个不同的灰度值，0代表全黑，255代表全白，正如传感器感知到的数值。一旦桶里面的雨水已经满了，即像素已经收集好了，溢出的信息都会变为255即全白来处理，也就是说，图像信息丢失了。

阴影部分.png

比如这张图片中，阴影部分需要经过较长的曝光时间来收集足够的光子信息，因为细节部分还是不够细腻，而白云部分又有些过曝，就像水桶装满后溢出了。假如你现在压缩曝光时间，那么正常的像素点就会变得没有时间获取到足够的光子信息，这些像素点就会变得黑了一些。这就是单反相机具有更好图像质量的原因。

事实上，具有大像素的相机可以获取到更多的灰度细节信息。

动态范围

相机的图像获取到细节多少我们有个指标，叫做动态范围，它是衡量光敏感度的比例范围值。前面图片的例子中，相机的动态范围可以满足获取亮暗细节的需求。

在工业视觉系统应用中，交通场景中的相机需要相机具有较宽的动态范围，以便获取汽车行驶速度。

在车牌旁边的区域内，往往显得比较亮，而驾驶员旁边的区域就显得比较暗。

行驶中的汽车.png

宽动态范围的相机可以获取到亮暗不同区域的清晰图像（车头和驾驶员），而窄动态范围的相机只能获取到单一区域的清晰图像（车头或者驾驶员）。

信噪比

噪度也是衡量图像质量的另一个关键指标。看这张图中放大后的颗粒，有着明显的噪度。

我们用信噪比来衡量图像质量，假设我们在开车中听着音乐，车里面的音乐我们认为是信号，而除此之外有大量的噪音存在，我们把它们进行对比得出信噪比，音乐效果越好，信噪比越高，效果越差，信噪比越低。

回到我们单反相机和普通相机的例子，单反相机有较好的的信噪比，它获取到更多的光子信息和很少的噪度信息。

越高的信噪比，图像中的颗粒感越少，图像质量越高。

传感器技术在这里扮演了重要角色。CMOS传感器技术近几年发展的不错，它有如下优势

• 强大
• 高敏感度
• 快速
• 价格低

但只有相机制造商特别注意关键细节，才能发挥出传感器的全部潜力，图像质量不仅仅包括这些相机技术和传感器属性，我们应该全面考虑整体的视觉系统。

锐度和对比度

好的图像质量还需要有锐度，对比度。
比如在一个流水线中，需要对产品进行条形码的拍摄，对黑白的中间过度区域识别的越好，效果越好，这就需要相机具有好的锐度和对比度。

条形码.png

如何对比工业相机的成像质量

不管你的需求是什么，都需要注意对多个相机进行对比。如果相机的传感器大小一样，那么对比就会比较容易，这里有一些对比需要具备的条件可以供参考。

• 被拍摄物
• 光源
• 相机和物体的距离
• 曝光时间
• ROI，感兴趣区域
• 镜头
• 增益
• 镜头的F-number

如果需要对比的相机，传感器大小不一样，就没有那么简单了。
我们需要变换相机和物体的距离，镜头，ROI等来对比。

所以我们要对比相机，那么应该让相机制造商提供EMVA1288数据表的条目指标，并测试相机在实际场景中的表现。

显然，还有很多其他工具/指标可以评估图像质量，但这些是最为基本的。

• 亮度
• 锐度
• 量子效率
• 传感器和像素大小
• 分辨率
• 动态范围
• 信噪比
• 对比度