I maskinsyn ogindustriel billeddannelse, Dynamic Range er en af de centrale præstationsindikatorer, der påvirker billedkvaliteten. Den beskriver et billedes evne til samtidig at vise detaljer i både lyse og mørke områder.
Når et kameras dynamiske rækkevidde er utilstrækkeligt, lider billeder ofte af overeksponering i lyse områder og fuldstændig mørke i mørke områder, hvilket fører til tab af detaljer og alvorligt påvirker detektionsnøjagtigheden og algoritmegenkendelsespræcisionen. Derfor har introduktionen af HDR-teknologi (High Dynamic Range) bragt mere realistiske, klarere og mere detaljerede billedeffekter til industrielle synssystemer.
Hvad er HDR-teknologi?
HDR-teknologi optimerer forskellige lysstyrkeområder under billeddannelsesprocessen, hvilket gør det muligt for billeder at bevare rige toneovergange og detaljer selv i komplekse scener med både højlys og skygger.
Det bruges i vid udstrækning inden for industriel inspektion, autonom kørsel, trafikovervågning, medicinsk billedbehandling og andre områder, især i miljøer med høj-kontrast med drastiske lysændringer eller reflekterende metaller, hvor fordelene ved HDR-billeddannelse er særligt fremtrædende.
I øjeblikket omfatter almindelige HDR-implementeringsmetoder i industrielle kameraer hovedsageligt: enkelt-frame HDR, dual-gain HDR og multi-frame HDR.
Enkelt-frame HDR
Single-frame HDR refererer til en teknologi, der samtidigt fanger information fra både lyse og mørke områder i en enkelt eksponering. Systemet optager lyssignaler fra forskellige lysstyrkeområder inden for den samme ramme og fusionerer dem ved hjælp af algoritmer til at generere et billede med højt dynamisk område.
Fordele:
Kræver kun én eksponering, hvilket eliminerer behovet for multi-frame-fusion;
Undgår effektivt problemer såsom indholdsforskydning og bevægelsessløring, der opstår i multi-frame HDR-løsninger;
Hurtig billedhastighed, velegnet til dynamiske scener.
Ulemper:
De fleste HDR-teknologier med enkelt-billeder ofrer en vis rumlig opløsning;
Kræver mere sofistikerede billedbehandlingsalgoritmer.
Denne teknologi er velegnet-til høj-realtids-industrielle applikationer såsom høj-detektion og billeddannelse af bevægelige mål.
Dual Gain HDR
I CMOS-billedsensorer kan signalets lysstyrke forbedres gennem forstærkningsjustering (såsom analog forstærkning og digital forstærkning).
Dual Gain HDR-teknologi er baseret på dette princip, der opnår et bredere dynamisk område ved at bruge forskellige forstærkningskanaler under forskellige eksponeringsforhold.
I øjeblikket omfatter to almindelige dual gain-metoder:
DCG (Dual Conversion Gain): opnåelse af dobbelt konverteringsforstærkning på pixelniveau;
DGA (Dual Gain Amplifier): opnåelse af dobbelt forstærkningsforstærkning i udlæsningskredsløbet.
Denne tilgang kan forbedre detaljer i lyse områder, samtidig med at den reducerer støj i mørke områder, hvilket gør det muligt for kameraet at opretholde høj kontrast og lavt støjoutput selv under komplekse lysforhold.
Derfor er HDR-teknologi med dobbelt forstærkning meget udbredt i scenarier med højt dynamisk område, såsom halvlederinspektion, inspektion af metallisk reflekterende overflade og udendørs trafikovervågning.
Multi-frame HDR
Multi-frame HDR (Multi-frame HDR) opnår et bredere dynamisk område ved at fange flere billeder med forskellige eksponeringstider og fusionere dem i en backend-algoritme.
Sammenlignet med enkelt-frame HDR mister multi-frame HDR ikke rumlig opløsning, men lider af et fald i tidsmæssig opløsning.
Almindelige multi-frame-implementeringer omfatter:
Frame-baseret HDR
Dette indebærer at fange en lang-eksponeringsramme efterfulgt af en kort-eksponeringsramme og derefter fusionere dem ved hjælp af en ISP (Image Signal Processing) for at generere et HDR-billede.
Ulemper: På grund af tidsforskellen mellem de to billeder vil der sandsynligvis forekomme bevægelsessløring eller fald i billedhastigheden.
Fordele:
Bevarer rige detaljer og producerer naturlige overgange mellem lyse og mørke områder;
Høj billedkvalitet, velegnet til statiske detektionsscenarier.
Ulemper:
Ikke effektiv til bevægelige mål;
Højere behandlingsforsinkelse begrænser-realtidsydelsen.
Anvendelsen af HDR-teknologi muliggørIndustrielle kameraerat overvinde de fysiske begrænsninger ved traditionel billeddannelse og bringe mere realistisk og nøjagtig billedinformation til maskinsyn. Fra elektronikfremstilling til autonom kørsel, fra overfladedefektdetektering til automatiserede sorteringssystemer, er HDR ved at blive en nøgleteknologi til at forbedre pålideligheden og intelligensen ved visuel inspektion.
I fremtiden, med den kontinuerlige forbedring af billedsensorens ydeevne og algoritmeoptimering, vil HDR ikke kun være en funktionel parameter for industrielle kameraer, men også en kernekonkurrencefordel ved intelligente billedbehandlingssystemer.
