圖像質(zhì)量是衡量機器視覺系統(tǒng)檢測效果的關(guān)鍵因素之一，會對系統(tǒng)的檢測效果造成直接影響，特別是在自然光照條件下，圖像質(zhì)量隨著光源條件的變化會有明顯的不同。

對諸如“增益”和“曝光時間”等攝像頭設(shè)置作出相應(yīng)調(diào)解可對不穩(wěn)定的環(huán)境光情況作出補償，從而提高圖像質(zhì)量，穩(wěn)定檢測效果。那么影響機器視覺檢測系統(tǒng)的圖像質(zhì)量因素有哪些呢？

對機器視覺系統(tǒng)圖像質(zhì)量造成影響的因素主要有以下幾點：

01

光源對成像質(zhì)量的影響

機器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。

所有信息均來源于圖像之中，圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，因為它具有放大圖像的特征和缺陷，減弱混亂和背景的功能，直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。

不同類型的光源的穩(wěn)定性是不同的，光源的不均勻也會影響圖像質(zhì)量，不同方向上的發(fā)光強度差異也會引起噪聲。

通過適當?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計可以使圖象中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖象處理的算法難度，同時提高系統(tǒng)的精度和可靠性。反之，如果光源設(shè)計不當，會導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計和成像系統(tǒng)設(shè)計中事倍功半。截止目前尚沒有一個通用的機器視覺照明設(shè)備，因此針對每個特定的案例，要設(shè)計合適的照明裝置，以達到最佳效果。

因此，光源及光學系統(tǒng)設(shè)計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。在機器視覺系統(tǒng)中，光源的作用至少有以下幾種：

1）照亮目標，提高目標亮度；

2）形成最有利于圖像處理的成像效果；

3）克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性；

4）用作測量的工具或參照；

為了保障圖像質(zhì)量，根據(jù)最終應(yīng)用的情況和感應(yīng)器與掃描對象的距離，光源可由單獨的設(shè)備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動。

02

鏡頭對成像質(zhì)量的影響

機器視覺清晰準確的成像效果自然也與工業(yè)鏡頭的成像技術(shù)密不可分。據(jù)了解，影響鏡頭成像效果的因素涵蓋鏡片、光圈、景深等幾種主要參數(shù)，目前受關(guān)注比較多的基本上是非球面鏡片和大景深兩大技術(shù)指標，下面就著重分析一下這兩項技術(shù)指標對機器視覺鏡頭成像效果的影響。

非球面鏡片技術(shù)指標

對于鏡頭來說，整個畫面的清晰度是為重要的指標，這里重點強調(diào)的就是整個畫面。

鏡頭鏡片一般有球面和非球面兩種，球面鏡片因其具有固有球差、像散、場曲，使得畫面的清晰度不高，尤其是畫面邊緣甚至會出現(xiàn)虛化等問題。相比之下，非球面鏡片改善了球面鏡片因固有而導(dǎo)致的畫面局限性，有效的提高了畫面邊緣的清晰度，很大程度上避免了相差模糊現(xiàn)象的發(fā)生。

非球面鏡片的清晰成像效果是無可厚非的，但是，相對的其成本也比較高，而這一點也正是導(dǎo)致非球面在工業(yè)應(yīng)用中還不能達到普及程度的主要原因。不過，由于采用非球面鏡片能夠獲取一個好的圖像，因此還是有不少客戶在使用，而非球面鏡片市場也仍然是影響鏡頭成像效果重要的技術(shù)指標。

大景深技術(shù)指標

景深指的是相機可以清晰成像的距離范圍，也就是說想要獲得清晰的畫面，就需要鏡頭有不錯的景深，景深越大，畫面的清晰范圍就越大，圖像放大后，遠端的景物也依然可以看的清晰。

鏡頭的大景深能夠增強畫面清晰度，增大畫面清晰面積，是足以影響鏡頭成像效果的一大技術(shù)指標。那么，我們在選擇大景深鏡頭時，就可以通過成像后放大畫面的清晰度來進行對比。

景深并不是一個獨立存在的參數(shù)，它跟焦距，光圈、攝距等參數(shù)都有一定的關(guān)系。例如：光圈與景深是成反比的，光圈大，景深小;光圈小，景深大。焦距與景深也成反比，鏡頭焦距長，景深小;鏡頭焦距短，景深大。而攝距與景深則成正比，攝距遠，景深大;攝距近，景深小。

除了以上兩大技術(shù)指標外，還有一些因素也在影響著鏡頭的成像技術(shù)。例如：大光圈對畫面的對比度就有著很大的影響，在光線暗淡的條件下，如果光圈不夠大的話，畫面就會顯得暗淡，噪點增加，畫面質(zhì)量就會大幅下降。

03

圖像傳感器對成像的影響

混疊現(xiàn)象

對圖片進行離散采樣并且采樣頻率低于目標空間頻率時，就會產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。此時可以觀察到條狀或者帶狀的圖形（稱為摩爾效應(yīng)），這個圖形類似于當兩個紡織物前后交疊時的現(xiàn)象。

混疊現(xiàn)象在圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換中有最重要的影響，這是因為：

（a）拍攝圖片后的處理產(chǎn)生的莫爾條紋混疊現(xiàn)象，可以通過恰當?shù)奶幚韥肀苊?。但是，在圖像傳感器采樣中出現(xiàn)的沒有辦法消除。

（b）對通常使用的帶有色彩濾波器的單色圖像傳感器，混疊現(xiàn)象經(jīng)常以顏色的形式出現(xiàn)，因為色彩采樣的頻率是低于照度采樣頻率的，這是導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差的重要因素。

色彩摩爾效應(yīng)常常當作檢查圖像質(zhì)量的標準，當目標中有高頻分量時這種效應(yīng)經(jīng)常會出現(xiàn)。色彩摩爾效應(yīng)有時體現(xiàn)為彩色的邊界，即一個黑白圖案的邊緣處出現(xiàn)了錯誤的彩色。當對一個高頻黑白目標拍攝時，通過檢查誤差色彩的產(chǎn)生來評估色彩摩爾效應(yīng)。最常使用的圖表是CZP（圓形波帶板）圖表，這是一個二維頻率掃描圖表，它是設(shè)計和估量光學低通濾波器的一個重要的工具。

拖尾、圖像殘留

圖像在傳感器輸出端保持不變的現(xiàn)象，當持續(xù)時間較短時，這種現(xiàn)象稱為拖尾；當持續(xù)時間較長或永久存在時，這種現(xiàn)象稱為圖像殘留。固態(tài)圖像傳感器通常不會出現(xiàn)圖像殘留。然而，當傳輸效率不夠高或者像素的復(fù)位電荷不足時，拖尾有時會出現(xiàn)。

暗電流

圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，當它沒有受到光照時，也會因為熱效應(yīng)造成泄露電荷，稱為暗電流。通過減去黑像素（不受光照產(chǎn)生的像素）的輸出值可以對空間均勻的暗電流進行消除。但是，不同像素中的暗電流是不同的，并且會給圖像引入噪聲，而且電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷累積部分也會產(chǎn)生暗電流。當在像素電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷轉(zhuǎn)移的必要時間不恒定時，如電荷轉(zhuǎn)移被暫?；蛘唠姾杀粡娭仆r，暗電流就可能稱為一個噪聲源。

噪聲級別是和下面兩個因素成比例：①像素中產(chǎn)生噪聲的累積時間；②轉(zhuǎn)移隧道中產(chǎn)生噪聲的等待時間。在實際應(yīng)用中，暗電流強烈依賴于溫度，這方面的相關(guān)性也需要考慮。

像素缺陷

在圖像傳感器的制造過程中一些雜質(zhì)的引入等原因，一些像素具有過大的暗電流、讀出信號的問題或者過低的像素敏感度等缺陷，這些像素輸出固定的白色或黑色信號稱為像素缺陷。像素缺陷經(jīng)常被相鄰的像素數(shù)據(jù)所取代來避免它出現(xiàn)在相機的輸出中。但是，也有可能因為過多的像素缺陷而影響圖像的質(zhì)量。

高光溢出/漏光

由于強光入射到圖像傳感器的表面，常會產(chǎn)生一些不正常的信號，當一個像素的電荷處于飽和狀態(tài)或者泄露到相鄰像素中，稱為高光溢出（blooming）。在CCD圖像傳感器中，當長波光照射到硅基上并穿透時，稱為漏光（smear）。

白電平限幅/缺色/單調(diào)黑色

白電平限幅、缺色和單調(diào)黑色區(qū)域經(jīng)常被觀察到，一個原因是由于圖像傳感器沒有足夠的動態(tài)范圍，另一個原因是圖像傳感器的操作點并不能被很好地控制住。當一個圖像傳感器記錄一個擁有比傳感器飽和值更高光照度的明亮區(qū)域時，白電平限幅就會出現(xiàn)。

由于具有飽和值的信號，飽和區(qū)域?qū)挥浵?，這會導(dǎo)致出現(xiàn)一個完全單調(diào)的白色區(qū)域。當圖像傳感器飽和區(qū)域的輸出色彩信號只有一種或者兩種色彩通道時，缺色現(xiàn)象就會出現(xiàn)，這將導(dǎo)致目標區(qū)域?qū)?yīng)的色彩平衡度嚴重變差，從而影響圖像質(zhì)量。單調(diào)黑色會丟失由于圖像傳感器動態(tài)范圍限制的細節(jié)，在重現(xiàn)圖像時會導(dǎo)致灰度太低而在視覺上無法辨別，那么這個區(qū)域就會被視為單調(diào)黑色區(qū)域。導(dǎo)致單調(diào)黑色的首要原因是圖像傳感器和圖片播放系統(tǒng)灰度信息的缺失。

空間隨機噪聲/固定模式噪聲

隨機噪聲，毫無規(guī)律地分布在整個圖像中，其對圖像質(zhì)量的影響并不大，在一定程度上是可以接受的。固定模式噪聲，如白色條紋噪聲和飛入噪聲，更容易被檢測到，也更影響圖像質(zhì)量。

熱噪聲/閃爍噪聲

在圖像傳感器的放大器處理信號中和用于接收傳感器輸出的預(yù)處理電路中加入了噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲。熱噪聲可以通過降溫來減少，但不能完全消除。隨著像素尺寸的不斷變小，量子效應(yīng)也變得不可忽略，浙江導(dǎo)致圖像傳感器的信號大小會以不確定的量子效應(yīng)進行波動。

這意味著即使目標圖像均勻不變時，輸出信號也會在時間和空間上進行隨機的波動。閃爍噪聲的大小與光子數(shù)量的均方根成比例，因此，信號和閃爍噪聲的比值與信號值的均方根成比例。

04

系統(tǒng)控制對成像的影響

對焦誤差

即使鏡頭有理想的性能，如果對焦不準確，也不能獲得理想的圖像質(zhì)量。如果目標物體在焦距之外，圖像會變模糊，并且模糊的程度會隨著與焦點偏移程度的擴大而增大，即在高頻的情況下鏡頭的響應(yīng)將會變差，這將導(dǎo)致分辨率和銳化度的嚴重惡化。另一方面，隨著分辨率的降低，混疊也會降低。

曝光誤差

如果曝光誤差很大，那么由于信號超過了動態(tài)范圍，丟失的信息變得不可彌補，從而無法獲得理想的圖像質(zhì)量。而且，曝光誤差將會增加各種噪聲，包括量化誤差。

白平衡誤差

如果有白平衡誤差，色彩就不能被精確地拍攝下來，圖像質(zhì)量也會受到影響。

照明閃爍的影響

交流電導(dǎo)致照明光常常會有閃爍，這會對控制系統(tǒng)和得到的圖像造成影響，尤其是熒光燈這種類型的光源。

機器視覺系統(tǒng)的圖像成像質(zhì)量雖說受到眾多因素的影響，但也都是在可控范圍內(nèi)，經(jīng)過工程師的反復(fù)測試，確定好光源、鏡頭、相機等重要部件的使用可行性，就能保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量，滿足機器系統(tǒng)的檢測要求。

審核編輯 ：李倩