彩色成像：用機器視覺監(jiān)控產(chǎn)品顏色

可靠的顏色測量是困難的，因為我們的顏色知覺的影響因素有很多，如顏色區(qū)域的大小和周圍的測量，光照光譜，適應，年齡，經(jīng)驗，疲勞和遺傳差異。機器視覺系統(tǒng)使可靠的顏色測量，因此正在取代人類的視覺監(jiān)控產(chǎn)品的顏色。機器視覺系統(tǒng)可以被校準到基于人類視覺的標準，或者它可以用來比較產(chǎn)品的顏色，以參考顏色，無需校準。在這里，我們將討論如何人類的顏色感知測量，機器視覺系統(tǒng)如何校準這些措施的人的看法，和“比較”的顏色的方法，用于監(jiān)測產(chǎn)品顏色的優(yōu)勢。

 

人眼顏色感知的測量

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。受體的類型被稱為長期，中期和短期（LMS）基于其峰值光譜響應，大約570，545，和430納米（nm）。受體的反應是一個定義一個三維的物理顏色空間的初選，與初選的顏色空間的軸。每個顏色是一個或多個的一個組合，是由顏色空間中的一個點來表示的。

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)和識別對象，他們的顏色在不同的照明和設置。例如，一個成熟的香蕉在陽光下和室內(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控制的顏色補丁的一個特定的大小和均勻，控制的環(huán)境。使用許多比較的顏色補丁，我們可以映射一個感性的色彩空間，其中每個感知的顏色是一個點。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的變化是整個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。

 

校準機器視覺對人眼視覺的視覺

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器視覺系統(tǒng)的物理顏色空間值校準到指定的感知空間值。為此我們將努力找到一個校準公式，將相機的色彩空間，說，XYZ顏色空間。首先，考慮一個色度計、預校準儀的顏色測量。

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

色度計是易于使用，但是大多數(shù)機器視覺應用不切實際。顏色平均清除小的彩色圖案或缺陷，我們一般不接觸被測物體，在物體掃描色度計花費太多的時間。所以比色計用于“抽查”對象的顏色和顏色的機器視覺系統(tǒng)的標定。

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

在彩色機器視覺系統(tǒng)，彩色濾光片用于在紅峰的敏感性使感光細胞，綠色和藍色（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（在機器視覺系統(tǒng)的計算機）將它們轉(zhuǎn)換到XYZ值。

為了降低成本，大多數(shù)彩色相機使用的紅色，綠色和藍色濾色器的鑲嵌在感光體（象素）和內(nèi)插相鄰色值在每個像素，得到RGB值。這種內(nèi)插導致的工件-色彩錯誤-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使用三個傳感器陣列和無插值更昂貴的相機。

接下來，讓我們來看看典型的機加工。感光信號的幅度和范圍正在使用的增益和偏移控制集。該信號接著用10至12位的分辨率數(shù)字化，即使攝像機的輸出通常是8位的分辨率。在相機的額外分辨率有助于減少在相機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器視覺。插在顏色成分從每個像素缺少填充由于濾色器的馬賽克。三個查找表（功能表）調(diào)整紅色，綠色和藍色通道，單獨的紅色，綠色和藍色圖像的強度的響應。 3×3矩陣乘法器可以RGB值轉(zhuǎn)換為另一種，線性顏色空間。相機的后處理可以比在相機處理更精確和包括額外的色彩空間轉(zhuǎn)換，但在計算時間為代價的。

對于校準，我們希望有一個公式，采用RGB值，并生成相應的密切XYZ值。此公式可通過在相機或后相機處理，或者兩者來實現(xiàn)。機器視覺系統(tǒng)視圖含色塊（包括灰色補?。┮阎猉YZ值顏色校準圖表，我們測量系統(tǒng)的RGB輸出，其中每個色彩標準補丁。我們使用這些測量對（RGB和XYZ）設置式的參數(shù)，以最小化所有測量對之間的誤差。這最小化可以實現(xiàn)自動化。

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，然后校準很簡單。試驗和誤差或自動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。減少一個測量對的誤差通常會增加其他人的錯誤，而不是減少整體誤差。

這并不是說你不能校準一個彩色機器視覺系統(tǒng)，只有校準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。在一個時刻，我們將轉(zhuǎn)向比較方法，可以做許多顏色監(jiān)測任務，不需要校準。我將完成這部分與一些事情混亂的顏色校準。

對象的反射光譜由照明頻譜相乘，從而難以回收對象的顏色。作為一個例子，“白”發(fā)光二極管的頻譜降低到10％左右475毫微米，使藍綠色的顏色非常深。然后，視覺系統(tǒng)可能有問題作出決定時，藍綠色的部分是什么顏色。用于校準一個更令人頭痛的問題是，照明通常不是在圖像均勻的。校準到在圖像的一部分的灰色或彩色信號電平可能無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器視覺區(qū)域掃描攝像機來實現(xiàn)，盡管它是在一些行掃描攝像機。

顏色的裝置可以測量或表示 - 的RGB相機的色域，范圍是從LMS不同。這意味著，有可能是顏色，我們可以看到，但相機不能，反之亦然。所以，因為你試圖以配合兩個不同的“形”的色彩空間校準可能很難。

不同的感光體的反應從相機到相機。你不能校準一個相機，并使用相同的校準參數(shù)在其他相機。如果一個相機在該領域失敗，你可能需要校準更換相機。我已經(jīng)提到了由相機的彩色濾光片的馬賽克和使用一三個傳感器相機的解決方案所產(chǎn)生的顏色偽影。

在相機處理的分辨率有限，導致圖像噪聲的增加。有限的范圍有時可以剪輯一個顏色空間轉(zhuǎn)換。這兩個問題可以通過使用后相機，更高的分辨率處理，但在增加計算時間的費用。

對比色的方法

在許多情況下，您希望監(jiān)視一個進程的顏色，而不是在一個標準的顏色空間中測量它們。如果是這樣的話，不需要校準。你只是比普通的RGB值的對象平均RGB值的參考顏色，和信號時，對象的顏色是“越界”的參考顏色。也有不需要的色彩空間變換或報告結果在一個標準的色彩空間與RGB值你總是工作。

如果產(chǎn)品的要求，說可以使用比色計測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。危險的是，如果形狀和空間的標準，衡量說，L*a*b*，從RGB到不同，你不能準確的設置限制或單獨關閉顏色RGB空間。對比色的方法效果最好時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。

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

第二，彩色攝像機的反應隨溫度的漂移，可能是無效的或比較校準措施。考慮安裝相機在一個溫度控制的外殼，如果環(huán)境溫度波動超過約5攝氏度。

 

技術提示

該受體類型被稱為長，中，短的基礎上。

LMS算法是基于光譜響應峰值，大約570，545，和430納米（nm）。

一個對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，使藍綠色的顏色非常暗。