W widzeniu maszynowym iobrazowanie przemysłowe, Zakres dynamiczny to jeden z podstawowych wskaźników wydajności wpływających na jakość obrazu. Opisuje zdolność obrazu do jednoczesnego wyświetlania szczegółów zarówno w jasnych, jak i ciemnych obszarach.
Gdy zakres dynamiki aparatu jest niewystarczający, obrazy często są prześwietlone w jasnych obszarach i całkowicie ciemne w ciemnych obszarach, co prowadzi do utraty szczegółów i poważnie wpływa na dokładność wykrywania i precyzję rozpoznawania algorytmu. Dlatego wprowadzenie technologii HDR (High Dynamic Range) przyniosło bardziej realistyczne, wyraźniejsze i bardziej szczegółowe efekty obrazowania w przemysłowych systemach wizyjnych.
Co to jest technologia HDR?
Technologia HDR optymalizuje różne obszary jasności podczas procesu obrazowania, dzięki czemu obrazy zachowują bogate przejścia tonalne i szczegóły nawet w złożonych scenach, zarówno ze światłami, jak i cieniami.
Jest szeroko stosowany w inspekcji przemysłowej, jeździe autonomicznej, monitorowaniu ruchu, obrazowaniu medycznym i innych dziedzinach, zwłaszcza w środowiskach-o wysokim kontraście, z drastycznymi zmianami oświetlenia lub metalami odblaskowymi, gdzie zalety obrazowania HDR są szczególnie widoczne.
Obecnie powszechne metody implementacji HDR w kamerach przemysłowych obejmują głównie: HDR z pojedynczą-klatką, HDR z podwójnym-wzmocnieniem i HDR z wieloma-klatkami.
Pojedyncza-klatka HDR
Pojedyncza-klatka HDR odnosi się do technologii, która jednocześnie rejestruje informacje z jasnych i ciemnych obszarów podczas jednej ekspozycji. System rejestruje sygnały świetlne z obszarów o różnej jasności w tej samej ramce i łączy je za pomocą algorytmów w celu wygenerowania obrazu o wysokim zakresie dynamiki.
Zalety:
Wymaga tylko jednej ekspozycji, co eliminuje potrzebę łączenia wielu-klatek;
Skutecznie pozwala uniknąć problemów, takich jak przesunięcie treści i rozmycie ruchu, które występują w rozwiązaniach HDR z wieloma-klatkami;
Duża prędkość obrazowania, odpowiednia dla dynamicznych scen.
Wady:
Większość technologii HDR z pojedynczą-klatką poświęca pewną rozdzielczość przestrzenną;
Wymaga bardziej wyrafinowanych algorytmów przetwarzania obrazu.
Technologia ta doskonale-nadaje się do zastosowań przemysłowych wymagających-rzeczywistego-czasu, takich jak-szybkie wykrywanie i obrazowanie ruchomych celów.
Podwójne wzmocnienie HDR
W czujnikach obrazu CMOS jasność sygnału można zwiększyć poprzez regulację wzmocnienia (np. wzmocnienie analogowe i wzmocnienie cyfrowe).
Technologia Dual Gain HDR opiera się na tej zasadzie, osiągając szerszy zakres dynamiki poprzez wykorzystanie różnych kanałów wzmocnienia w różnych warunkach ekspozycji.
Obecnie dwie popularne metody podwójnego wzmocnienia obejmują:
DCG (Dual Conversion Gain): osiągnięcie podwójnego wzmocnienia konwersji na poziomie pikseli;
DGA (wzmacniacz o podwójnym wzmocnieniu): osiągnięcie podwójnego wzmocnienia w obwodzie odczytu.
Takie podejście może poprawić szczegółowość w jasnych obszarach, jednocześnie redukując szumy w ciemnych obszarach, umożliwiając kamerze utrzymanie wysokiego kontrastu i niskiego poziomu szumów nawet w złożonych warunkach oświetleniowych.
Dlatego technologia HDR o podwójnym wzmocnieniu jest szeroko stosowana w scenariuszach o wysokim zakresie dynamiki, takich jak inspekcja półprzewodników, inspekcja metalicznych powierzchni odblaskowych i monitorowanie ruchu na zewnątrz.
Wieloklatkowy-HDR
Wielo-klatkowy HDR (Multi-klatkowy HDR) pozwala uzyskać szerszy zakres dynamiczny poprzez przechwytywanie wielu klatek z różnymi czasami ekspozycji i łączenie ich w algorytm zaplecza.
W porównaniu do jednoklatkowego-HDR, wieloklatkowy-HDR nie traci rozdzielczości przestrzennej, ale cierpi z powodu spadku rozdzielczości czasowej.
Typowe implementacje wielu-ramek obejmują:
HDR oparty-na klatkach
Obejmuje to przechwytywanie klatki z-długą ekspozycją, po której następuje klatka-krótkiej ekspozycji, a następnie łączenie ich za pomocą ISP (przetwarzania sygnału obrazu) w celu wygenerowania obrazu HDR.
Wady: Ze względu na różnicę czasu pomiędzy dwiema klatkami, prawdopodobne jest wystąpienie rozmycia ruchu lub spadku liczby klatek na sekundę.
Zalety:
Zachowuje bogate szczegóły i tworzy naturalne przejścia między jasnymi i ciemnymi obszarami;
Wysoka jakość obrazu, odpowiednia do scenariuszy detekcji statycznej.
Wady:
Nieskuteczny w przypadku ruchomych celów;
Wyższe opóźnienia przetwarzania ograniczają wydajność-w czasie rzeczywistym.
Zastosowanie technologii HDR umożliwiaKamery przemysłoweaby przezwyciężyć fizyczne ograniczenia tradycyjnego obrazowania, zapewniając bardziej realistyczne i dokładne informacje o obrazie do widzenia maszynowego. Od produkcji elektroniki po autonomiczną jazdę, od wykrywania defektów powierzchni po zautomatyzowane systemy sortowania, HDR staje się kluczową technologią poprawiającą niezawodność i inteligencję kontroli wizualnej.
W przyszłości, dzięki ciągłemu doskonaleniu wydajności przetwornika obrazu i optymalizacji algorytmów, HDR będzie nie tylko parametrem funkcjonalnym kamer przemysłowych, ale także podstawową przewagą konkurencyjną inteligentnych systemów obrazowania.
