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閱讀：134發(fā)布時間：2025-2-18
機(jī)器視覺之高動態(tài)范圍成像（HDR技術(shù)）
HDR(高動態(tài)范圍成像)是近年來比較熱門的成像和圖像處理技術(shù)。HDR能夠?qū)崿F(xiàn)比普通數(shù)字圖像技術(shù)更大的曝光動態(tài)范圍（即更大的明暗差別），其目的是要正確地表現(xiàn)真實(shí)世界中從太陽光直射到最暗的陰影這樣大的范圍亮度。
HDR技術(shù)的效果堪稱震撼人心，而以上就是一組HDR成像技術(shù)的對比圖，可以更直觀的讓您感受HDR技術(shù)的價值。
那么為什么工業(yè)相機(jī)的芯片不能直接取得類似HDR的良好成像效果，而必須通過軟件校正來實(shí)現(xiàn)呢？今天我們就為您具體分析下影響成像效果的因素：動態(tài)范圍。
動態(tài)范圍指場景中的亮度范圍或膠片、CCD、CMOS等感光材料的感光范圍，對于膠片和感光元件來說，動態(tài)范圍表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態(tài)范圍越大，所能表現(xiàn)的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。那么，當(dāng)拍攝場景的動態(tài)范圍超過相機(jī)的動態(tài)范圍時，會出現(xiàn)什么情況呢？
工業(yè)相機(jī)的感光元件是由數(shù)以百萬個像素組成的，這些像素在像素曝光的過程中吸收光子，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后成像。這個過程就像我們拿數(shù)百萬個水桶到戶外收集雨水。感光區(qū)域越光亮，收集的光子量自然越多。感光元件曝光后，按照每個像素收集的光子量不同，賦予它們不連續(xù)的值，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。沒有吸收光子和吸收光子至滿載的像素值分別顯示為"0"和"255"（以8位圖像為例），即代表純黑色和純白色。
一旦這些像素滿載，光子便會溢出，溢出會導(dǎo)致信息（細(xì)節(jié)）損失。以紅色為例，高光溢出使?jié)M載紅色的像素附近的其它象素的值都變成255，但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒有達(dá)到255。換句話說，畫面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失，這樣會造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時間來防止高光溢出，很多用來描述昏暗環(huán)境的像素則沒有足夠的時間接收光子量，得出的像素值為0，這樣就會導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。
真實(shí)世界場景的動態(tài)范圍能夠達(dá)到1014個數(shù)量級，人類視覺系統(tǒng)（HVS）能夠感知到105個數(shù)量級的動態(tài)范圍，并且通過人類視覺系統(tǒng)自適應(yīng)機(jī)制的調(diào)整能夠感知到109個數(shù)量級的動態(tài)范圍。但是目前的數(shù)字圖像獲取設(shè)備和顯示設(shè)備的動態(tài)范圍卻相對有限，僅僅有102~103個數(shù)量級。這就是為什么目前的工業(yè)相機(jī)不能直接拍攝出HDR效果的圖片，而HDR技術(shù)能夠深入發(fā)展和應(yīng)用。
那么，怎樣提高工業(yè)相機(jī)在實(shí)際拍攝過程中的動態(tài)范圍呢？
1、采用大尺寸CCD靶面。通過上面的說明，我們現(xiàn)在就可以理解為什么采用大尺寸感光元件的數(shù)相機(jī)會擁有更大的動態(tài)范圍。原因很簡單：數(shù)碼單反的感光元件尺寸一般是消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)的4～10倍，允許承載更多的像素而不至于縮小像點(diǎn)之間的距離，而產(chǎn)生噪點(diǎn)。更多的像素不會很快被“填滿”，因此表現(xiàn)昏暗環(huán)境的像素在表現(xiàn)光亮環(huán)境的像素“滿載”之前，有更多時間吸收光子，從而畫面細(xì)節(jié)便會更加豐富。因此，在工業(yè)檢測中，我們傾向于采用更大幅面的相機(jī)。
2、對傳感器做曝光設(shè)置，弱光時自動采用長時間曝光，強(qiáng)光時自動采用短時間曝光。這一方法會導(dǎo)致圖片中對應(yīng)的物體灰度值比例發(fā)生變化，用來做圖像處理的話不能夠真實(shí)的得到原場景的有效信息，因此該方法不能用在工業(yè)相機(jī)上，這也是大部分工業(yè)相機(jī)沒有民用相機(jī)的動態(tài)范圍高的原因。
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