使用技巧

透过使用黑白模式来得到更高的分辨率:如何让你的彩色影像传感器达到更高的分辨率

在我们的UI-3590相机型号中使用的AR1820HS 18 MP影像传感器是由ON Semiconductor所提供的彩色影像传感器。所有彩色传感器都有一样的问题,就是使用拜耳滤光镜产生的彩色影像实际上只能得到實際号称的分辨率的四分之一,这是由于每个像素显示的颜色是透过周围四个邻近的像素所获得。

然而为了能够利用每个像素粒子,透過單獨使用RAW格式是无法有效率的提升分辨率(在没有使用拜尔插值)。使用拜尔矩阵会造成每个像素有不同的感光亮度。

我们将会教你如何透过适当的参数设定以及使用适合的光源来把彩色影像传感器当成黑白传感器来达到更高的分辨率。

背景

拜尔矩阵的滤光镜颜色排列
拜尔矩阵的滤光镜颜色排列

所有像是 ON Semiconductor 所制造的 18MP 数位影像传感器的原理都是只获得光的亮度资讯而不是颜色资讯。所以,在生产彩色传感器时将彩色滤光镜被放置于每个像素前。这就是众所皆知的拜尔矩阵。

RGB 滤光层只传输特定的波长范围内的光
RGB 滤光层只传输特定的波长范围内的光

四个像素中两个使用绿色滤光镜,另外两个像素则分別使用红色跟蓝色。这样的色彩分布跟人眼感知功能类似,并且被称之为拜尔矩阵。每个像素仅仅提供一种颜色的信息。

为了能够获得每个像素完整的RGB数值,使用合适的演算法从四个邻近的像素做插值来填补遗漏的原色。这种颜色插值假定颜色相同的两个相邻的像素之间只有些微的色差。严格来说,使用拜尔矩阵的影像传感器只能达到原始传感器四分之一的分辨率。

影像传感器黑白模式

虽然无法将拜尔矩阵的影响在黑白模式中除去,但透过下面两种方式,根据不同的应用环境,可以有效的提升分辨率。

1) ... 灰色场景环境中的应用

如果将18MP彩色传感器设置在黑白模式并且应用于单色场景时,还是必须使用宽带光源(白光)。由于传感器使用了拜尔滤光镜。由于使用了RGB率光层,根据不同单色光的波长范围可能会导致个別像素无法传输,或是传输较少的资讯。(参见图 2)。这可能会引起每个像素会有不同的感光度。在这种情况下,必须对R、G还有B个別进行校正的RGB补强。最后,你将可以像使用单色传感器一样,所有像素可以获得相同的感光度。

在未进行RGB补强的校正时, 可以看到拜尔矩阵的影响(左图)<br>在经过使用RGB 校正后 (请看 RGB histogram, 右图)可以向单色传感器依样具有均匀的亮度感知。
在未进行RGB补强的校正时, 可以看到拜尔矩阵的影响(左图)
在经过使用RGB 校正后 (请看 RGB histogram, 右图)可以向单色传感器依样具有均匀的亮度感知。

注意:RGB 校正只有在使用这种特定的光源以及灰色系的场景下才有效。如果光源(光波段)改变,RGB补强就需要从新调整。

如何透过使用uEye Cockpit来隐藏拜尔矩阵效果:

  • 用白光光源来打光
  • 开启直方图(histogram),并且选取显示Bayer RGB
  • 选择适当的曝光时间,确保没有特別过曝的影像区块(clipping)。如果有些像素的直达到255,在直方图中可以看的出来。解决方案,例如使用AES (“AES / AGC” tab) 去限制在 128。
  • 然后校正AWB (自动白平衡) 至 “灰度世界”。 在直方图中你可以看到色彩曲线的对其状态。
  • 在格式中选择8-bit RAW mode (“格式” 选单). 拜尔矩阵应该会变得无法被人眼辨识。
  • 如果还是呈现拜尔矩阵的痕迹,可以进一步使用手动调整RGB强化中的个別因素。(“影像” 选单)。


在经过校正后,拜尔矩阵的痕迹降不会在单色场景中被看见。相对的,如果你将一个具有色彩的物体放入场景后,你会看到严重的拜尔矩阵所造成的效果在物体影像上。

在經過RGB校正後,拜爾矩陣只能在圖像中有色的部分被看見,因為RGB濾光層會根據光的波長傳播少量或是沒有資訊光譜特性。(参见 图 2)
在經過RGB校正後,拜爾矩陣只能在圖像中有色的部分被看見,因為RGB濾光層會根據光的波長傳播少量或是沒有資訊光譜特性。(参见 图 2)

2) ... 对应“彩色或是灰色场景”

如果你的应用是有彩色的场景,则每个拜尔像素对于亮度的感光度会随着颜色分量的变化而不断改变。在这种情况下,还有一种能更真正实现单色模式的方式。其解决方式在于18 MP ON Semiconductor AR1820HS 的色谱。

在900nm的波长以上,各个像素的滤光镜具有相似的光谱特性。在各个光谱数值以上,传感器上所有的像素对于入射光的反应几乎相同-与单色传感器相同。这也意味着拜尔矩阵可以利用此方法来隐藏,无论是彩色或是灰色场景。

AR1820HS 的色谱在超过900nm的光波长时,在彩色滤光镜下呈现相同的光谱特性
AR1820HS 的色谱在超过900nm的光波长时,在彩色滤光镜下呈现相同的光谱特性

為了能夠達到上述的傳感器光譜特性,必須要遵守以下原則:

  • 檢視照明條件,並且盡可能的阻擋小於900nm的光波。
  • 訂購使用AR1820HS傳感器的uEye相機時選擇使用GL Filter(玻璃)的相機型號。如果相機使用HQ的濾光鏡將會切斷此方法所需的波長。相對的,GL濾光片可以讓超過900nm的光穿透並且不被減弱。因此可將光線在最好的信號強度下傳遞到傳感器。

合适的镜头

在上述的条件下,使用具有黑白模式AR1820HS传感器的uEye相机可以满足比彩色模式对于更高分辨率的要求。然而,在绝大多数的情况下,相机需要搭配镜头。在这种情况下,镜头则是限制18MP 相机实现其号称分辨率的最大限制因素。

镜头的光学分辨率通常是以Mega Pixels(百万像素)来表示。这一特征与镜头所设计对应的最大传感器格式有相对关系。其设计决定了镜头可以分辨的像素大小。换句话说,越小的传感器格式,镜头会需要具备更能够更精细、细微的分辨率能力。如果你使用的镜头光学分辨率不足,则传感器的像素扫描也会不足。可以被辨识的细节会被分散到旁边的像素上,因而无法实现传感器所允许的完整图相清晰度。但是,也尽量避免使用拥有比传感器还高的辨识率的镜头。这会让图像产生不必要的混叠/摩尔效果。

现实面上,建议使用大约2个像素来重现最小的细节。这也代表了要找到适合的镜头取决於影像重现的大小,而且在很大的程度上是取决於所使用的传感器的尺寸。

总结

通过正确的设置以及最佳环境的条件(适当的照明条件,合适的镜头) 用户可以在ON Semiconductor AR1820HS单色模式下得到实际的最高分辨率。通过使用10-16MP分辨率的镜头,你可以获得相对应提高的分辨率。例如:

  • 10MP Lensation, B10M7224, 7.2 mm, 1/2.3"
  • 16MP Lensation, BF16M220D, 1.2 mm, 1/2.3"


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您可以在我们的网站上找到更多关于使用18 MP ON Semiconductor 传感器的UI-3590LE 以及 CP 相机型号的资讯:https://cn.ids-imaging.com/store/products/cameras/ids-sensor-model/ar1820hs.html