彩色成像：用機(jī)器視覺監(jiān)控產(chǎn)品顏色

可靠的顏色測(cè)量是困難的，因?yàn)槲覀兊念伾X的影響因素有很多，如顏色區(qū)域的大小和周圍的測(cè)量，光照光譜，適應(yīng)，年齡，經(jīng)驗(yàn)，疲勞和遺傳差異。機(jī)器視覺系統(tǒng)使可靠的顏色測(cè)量，因此正在取代人類的視覺監(jiān)控產(chǎn)品的顏色。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以被校準(zhǔn)到基于人類視覺的標(biāo)準(zhǔn)，或者它可以用來(lái)比較產(chǎn)品的顏色，以參考顏色，無(wú)需校準(zhǔn)。在這里，我們將討論如何人類的顏色感知測(cè)量，機(jī)器視覺系統(tǒng)如何校準(zhǔn)這些措施的人的看法，和“比較”的顏色的方法，用于監(jiān)測(cè)產(chǎn)品顏色的優(yōu)勢(shì)。

 

人眼顏色感知的測(cè)量

我們的眼睛，如果你不是色盲，三種不同顏色的光的光譜響應(yīng)。受體的類型被稱為長(zhǎng)期，中期和短期（LMS）基于其峰值光譜響應(yīng)，大約570，545，和430納米（nm）。受體的反應(yīng)是一個(gè)定義一個(gè)三維的物理顏色空間的初選，與初選的顏色空間的軸。每個(gè)顏色是一個(gè)或多個(gè)的一個(gè)組合，是由顏色空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示的。

感光體的輸出處理在眼睛和大腦，給我們的顏色的看法。這種處理調(diào)整我們的顏色感知環(huán)境的變化。它可以幫助我們發(fā)現(xiàn)和識(shí)別對(duì)象，他們的顏色在不同的照明和設(shè)置。例如，一個(gè)成熟的香蕉在陽(yáng)光下和室內(nèi)的熒光燈下，看黃色的室外的顏色。

要獲得穩(wěn)定的人類顏色感知的措施，我們必須“因素”這一處理。因此，我們提出了觀察員仔細(xì)控制的顏色補(bǔ)丁的一個(gè)特定的大小和均勻，控制的環(huán)境。使用許多比較的顏色補(bǔ)丁，我們可以映射一個(gè)感性的色彩空間，其中每個(gè)感知的顏色是一個(gè)點(diǎn)。CIE XYZ顏色空間是從感性和跨越LMS初選。XYZ顏色空間可以轉(zhuǎn)換（映射）到CIE L*a*b*顏色空間的感知比XYZ顏色空間更均勻。在感知均勻顏色空間的顏色的最小可檢測(cè)的變化是整個(gè)顏色空間相同的距離。油漆、顏料和著色劑通常在L*a*b*空間指定。

 

校準(zhǔn)機(jī)器視覺對(duì)人眼視覺的視覺

如果在感知顏色空間中指定了產(chǎn)品顏色，那么我們就必須將機(jī)器視覺系統(tǒng)的物理顏色空間值校準(zhǔn)到指定的感知空間值。為此我們將努力找到一個(gè)校準(zhǔn)公式，將相機(jī)的色彩空間，說(shuō)，XYZ顏色空間。首先，考慮一個(gè)色度計(jì)、預(yù)校準(zhǔn)儀的顏色測(cè)量。

比色計(jì)使用一個(gè)光源的光譜分布已知和有三個(gè)過濾器，使光譜響應(yīng)類似于人類的LMS響應(yīng)傳感器。從這些反應(yīng)XYZ或L* a* b*計(jì)算感知顏色的措施。色度計(jì)的平均顏色視野小，通常與被測(cè)物體以阻擋任何雜散光接觸。

色度計(jì)是易于使用，但是大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用不切實(shí)際。顏色平均清除小的彩色圖案或缺陷，我們一般不接觸被測(cè)物體，在物體掃描色度計(jì)花費(fèi)太多的時(shí)間。所以比色計(jì)用于“抽查”對(duì)象的顏色和顏色的機(jī)器視覺系統(tǒng)的標(biāo)定。

儀器的彩色信號(hào)集成（波長(zhǎng)）的照明產(chǎn)品，物體的反射率，與感光細(xì)胞的反應(yīng)。我們想要的對(duì)象的顏色反射率，獨(dú)立的照明和感光體的反應(yīng)。色度計(jì)是通過控制光照和感光反應(yīng)，但這些因素都不是在大多數(shù)的機(jī)器視覺系統(tǒng)的控制。

在彩色機(jī)器視覺系統(tǒng)，彩色濾光片用于在紅峰的敏感性使感光細(xì)胞，綠色和藍(lán)色（RGB）的光譜形成的物理顏色空間類似于LMS顏色空間部分。RGB值的處理在攝像頭和后攝像頭（在機(jī)器視覺系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)）將它們轉(zhuǎn)換到XYZ值。

為了降低成本，大多數(shù)彩色相機(jī)使用的紅色，綠色和藍(lán)色濾色器的鑲嵌在感光體（象素）和內(nèi)插相鄰色值在每個(gè)像素，得到RGB值。這種內(nèi)插導(dǎo)致的工件-色彩錯(cuò)誤-在圖像，尤其是在彩色區(qū)域之間的過渡。如果要監(jiān)視密集的紋理的物體如布，你可能需要使用一個(gè)使用三個(gè)傳感器陣列和無(wú)插值更昂貴的相機(jī)。

接下來(lái)，讓我們來(lái)看看典型的機(jī)加工。感光信號(hào)的幅度和范圍正在使用的增益和偏移控制集。該信號(hào)接著用10至12位的分辨率數(shù)字化，即使攝像機(jī)的輸出通常是8位的分辨率。在相機(jī)的額外分辨率有助于減少在相機(jī)處理舍入誤差和剪裁。

伽馬校正壓縮圖像的灰度范圍，但是我不建議使用這種機(jī)器視覺。插在顏色成分從每個(gè)像素缺少填充由于濾色器的馬賽克。三個(gè)查找表（功能表）調(diào)整紅色，綠色和藍(lán)色通道，單獨(dú)的紅色，綠色和藍(lán)色圖像的強(qiáng)度的響應(yīng)。 3×3矩陣乘法器可以RGB值轉(zhuǎn)換為另一種，線性顏色空間。相機(jī)的后處理可以比在相機(jī)處理更精確和包括額外的色彩空間轉(zhuǎn)換，但在計(jì)算時(shí)間為代價(jià)的。

對(duì)于校準(zhǔn)，我們希望有一個(gè)公式，采用RGB值，并生成相應(yīng)的密切XYZ值。此公式可通過在相機(jī)或后相機(jī)處理，或者兩者來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器視覺系統(tǒng)視圖含色塊（包括灰色補(bǔ)?。┮阎猉YZ值顏色校準(zhǔn)圖表，我們測(cè)量系統(tǒng)的RGB輸出，其中每個(gè)色彩標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)丁。我們使用這些測(cè)量對(duì)（RGB和XYZ）設(shè)置式的參數(shù)，以最小化所有測(cè)量對(duì)之間的誤差。這最小化可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

如果視覺系統(tǒng)是線性的和觀看條件，包括光照、匹配的條件下，XYZ空間的定義，然后校準(zhǔn)很簡(jiǎn)單。試驗(yàn)和誤差或自動(dòng)最小化將順利收斂到接近最優(yōu)的參數(shù)。不幸的是，這是不是這樣的，所得到的公式參數(shù)不是最優(yōu)的。減少一個(gè)測(cè)量對(duì)的誤差通常會(huì)增加其他人的錯(cuò)誤，而不是減少整體誤差。

這并不是說(shuō)你不能校準(zhǔn)一個(gè)彩色機(jī)器視覺系統(tǒng)，只有校準(zhǔn)的精度可能比你想的要少，而且可能比你想要的更多的努力。在一個(gè)時(shí)刻，我們將轉(zhuǎn)向比較方法，可以做許多顏色監(jiān)測(cè)任務(wù)，不需要校準(zhǔn)。我將完成這部分與一些事情混亂的顏色校準(zhǔn)。

對(duì)象的反射光譜由照明頻譜相乘，從而難以回收對(duì)象的顏色。作為一個(gè)例子，“白”發(fā)光二極管的頻譜降低到10％左右475毫微米，使藍(lán)綠色的顏色非常深。然后，視覺系統(tǒng)可能有問題作出決定時(shí)，藍(lán)綠色的部分是什么顏色。用于校準(zhǔn)一個(gè)更令人頭痛的問題是，照明通常不是在圖像均勻的。校準(zhǔn)到在圖像的一部分的灰色或彩色信號(hào)電平可能無(wú)法在圖像的另一部分工作。有一些方法可以劃分或減去照明不均勻性，但是這通常不是在機(jī)器視覺區(qū)域掃描攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管它是在一些行掃描攝像機(jī)。

顏色的裝置可以測(cè)量或表示 - 的RGB相機(jī)的色域，范圍是從LMS不同。這意味著，有可能是顏色，我們可以看到，但相機(jī)不能，反之亦然。所以，因?yàn)槟阍噲D以配合兩個(gè)不同的“形”的色彩空間校準(zhǔn)可能很難。

不同的感光體的反應(yīng)從相機(jī)到相機(jī)。你不能校準(zhǔn)一個(gè)相機(jī)，并使用相同的校準(zhǔn)參數(shù)在其他相機(jī)。如果一個(gè)相機(jī)在該領(lǐng)域失敗，你可能需要校準(zhǔn)更換相機(jī)。我已經(jīng)提到了由相機(jī)的彩色濾光片的馬賽克和使用一三個(gè)傳感器相機(jī)的解決方案所產(chǎn)生的顏色偽影。

在相機(jī)處理的分辨率有限，導(dǎo)致圖像噪聲的增加。有限的范圍有時(shí)可以剪輯一個(gè)顏色空間轉(zhuǎn)換。這兩個(gè)問題可以通過使用后相機(jī)，更高的分辨率處理，但在增加計(jì)算時(shí)間的費(fèi)用。

對(duì)比色的方法

在許多情況下，您希望監(jiān)視一個(gè)進(jìn)程的顏色，而不是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的顏色空間中測(cè)量它們。如果是這樣的話，不需要校準(zhǔn)。你只是比普通的RGB值的對(duì)象平均RGB值的參考顏色，和信號(hào)時(shí)，對(duì)象的顏色是“越界”的參考顏色。也有不需要的色彩空間變換或報(bào)告結(jié)果在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的色彩空間與RGB值你總是工作。

如果產(chǎn)品的要求，說(shuō)可以使用比色計(jì)測(cè)量參考顏色然后比較和公差在那些參考顏色產(chǎn)生的RGB值。危險(xiǎn)的是，如果形狀和空間的標(biāo)準(zhǔn)，衡量說(shuō)，L*a*b*，從RGB到不同，你不能準(zhǔn)確的設(shè)置限制或單獨(dú)關(guān)閉顏色RGB空間。對(duì)比色的方法效果最好時(shí)的參考顏色在顏色空間的分離（如紅色和綠色的漱口水），產(chǎn)品顏色公差不緊。

這里有兩個(gè)最后的建議，使用機(jī)器視覺監(jiān)控產(chǎn)品顏色。首先，如果可以的話，包括在相機(jī)的視野中的參考補(bǔ)丁。這個(gè)補(bǔ)丁可能是一個(gè)小，瓷磚與磨砂，白色的完成。該片反映了照明光譜無(wú)明顯改變，而視覺系統(tǒng)可以測(cè)量RGB值從補(bǔ)丁的白平衡調(diào)整的R，G和B通道的增益和偏移量，參考補(bǔ)丁出現(xiàn)白色（等于R、G、B值）。這可以用來(lái)部分正確的一個(gè)貧窮的照明光譜和光照譜的變化隨著時(shí)間的推移。

第二，彩色攝像機(jī)的反應(yīng)隨溫度的漂移，可能是無(wú)效的或比較校準(zhǔn)措施?？紤]安裝相機(jī)在一個(gè)溫度控制的外殼，如果環(huán)境溫度波動(dòng)超過約5攝氏度。

 

技術(shù)提示

該受體類型被稱為長(zhǎng)，中，短的基礎(chǔ)上。

LMS算法是基于光譜響應(yīng)峰值，大約570，545，和430納米（nm）。

一個(gè)對(duì)象的反射光譜乘以光照譜，例如，“白色”發(fā)光二極管的光譜減少到475左右，10%納米，使藍(lán)綠色的顏色非常暗。