光源選擇是實(shí)現(xiàn)成功的短波紅外成像應(yīng)用的關(guān)鍵。
大多數(shù)機(jī)器視覺和圖像處理系統(tǒng)開發(fā)者,已經(jīng)廣泛使用工作在可見光波段的相機(jī)用于質(zhì)量控制、過程控制或是那些需要區(qū)分物體的應(yīng)用中。傳統(tǒng)的可見光成像使用寬帶白光照明,其允許相機(jī)看到所有可見的顏色。為了更有效地觀察某些顏色,開發(fā)者還可以選擇特定波長的照明光,例如紅光、藍(lán)光或綠光。
對(duì)于這類可見光波段的應(yīng)用,面向機(jī)器視覺和圖像處理應(yīng)用的照明系統(tǒng)開發(fā)者,已經(jīng)做了很多出色的工作,因此目前市場上存在很多各種形式和各種顏色的商用照明產(chǎn)品供用戶選擇。然而,隨著開發(fā)人員轉(zhuǎn)向非可見光波段的成像方法,照明隨之成為了一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的命題。
超越可見光波段的成像短波紅外(SWIR)波段(在此定義為750~2600nm)就是一個(gè)非可見光波段。很多在可見光照明下看起來非常相似的材料,在SWIR光的照射下看起來會(huì)非常不同。圖1中顯示了四種不同的液體——水、丙酮、三氯乙烯和異丙醇。在可見光照明下,這四種液體都是無色透明的;但是在SWIR寬帶光照射下成像時(shí),這四種液體卻顯示出了不同的顏色。
在可見光波段,今天的硅芯片相機(jī)可以在大約400~1050nm的波長范圍內(nèi)成像,剛剛超出可見光波段進(jìn)入近紅外(NIR)波段,成像使用現(xiàn)成的照明光源,波長為850nm和950nm。然而,用反射光實(shí)現(xiàn)超出該波段的成像,則需要其他成像探測器材料的相機(jī),如砷化銦鎵(InGaAs)、碲鎘汞或銻化銦(Indium Antimonide)相機(jī)。
由于不同的原子結(jié)構(gòu)在SWIR波段的反射特性有所不同,因此非制冷InGaAs相機(jī)提供了一種在400~1700nm波段成像的簡單方法,可以輕松區(qū)分在可見光波段看起來相似的許多材料。圖2顯示了多個(gè)環(huán)氧樹脂材料,在可見光波段,它們看起來或透明、黑暗、明亮,或與基底顏色相似。然而,在SWIR波段,它們看起來卻彼此不同,特別是相對(duì)于基底的顏色。
波長是溫度的函數(shù)成像可以通過反射來實(shí)現(xiàn),這種情況下物體被外部光源照亮;或者如果物體足夠熱,也可以通過測量物體的發(fā)射光來實(shí)現(xiàn)成像。當(dāng)物體被照亮?xí)r,物體將來自外部光源的光子反射給相機(jī)。外部光源的照射角度、光源的波長及其成分,將直接影響物體的反射特性。或者說,物體在所有波長光的照射下都會(huì)發(fā)光,但是其發(fā)光量取決于物體的溫度。黑體被認(rèn)為是一個(gè)理想的輻射體。
SWIR熱成像圖3給出了不同溫度的黑體的波長與發(fā)射光之間的曲線圖。由于所有的物體都不是理想黑體,因此物體的發(fā)光量因輻射系數(shù)而不同,輻射系數(shù)是波長的函數(shù)。
圖3:不同溫度下物體的黑體輻射與波長的關(guān)系。
隨著溫度的升高,光輻射變強(qiáng),波長峰值輻射移向更短的波長。由于輻射系數(shù)是波長和物體的物理屬性的函數(shù),因此當(dāng)一個(gè)物體(如煤)發(fā)射出紅光時(shí),這個(gè)物體顯然很熱,不能去觸摸。如圖3所示,一個(gè)500℃的理想黑體在700~750nm的紅光波段發(fā)射足夠的能量,能被人眼看到。當(dāng)溫度低于500℃時(shí),盡管物體可能仍然太熱而不能觸摸,但是人眼已經(jīng)看不到紅光,因?yàn)榧t光發(fā)射與輻射系數(shù)組合,致使發(fā)光量太低而無法顯示出紅色。使用探測范圍超過750nm波長的紅外相機(jī),可以輕松實(shí)現(xiàn)熱物體探測。通常,這是通過長波紅外(LWIR)或中波紅外(MWIR)相機(jī)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)然也可以使用SWIR相機(jī)實(shí)現(xiàn),具體取決于物體的溫度。例如,圖4是在SWIR波段發(fā)光的烙鐵。當(dāng)溫度大約為250℃時(shí),烙鐵發(fā)出的光足以照亮位于黑暗房間里的人,實(shí)際上它相當(dāng)于SWIR波段的一個(gè)燈泡。實(shí)現(xiàn)SWIR熱成像的溫度范圍通常為100~2000℃,具體取決于實(shí)際應(yīng)用。低于300℃或在充裕的日光下,MWIR或LWIR熱相機(jī)可以輕松地探測到熱物體;在室內(nèi)或是物體非常熱的情況下,SWIR熱相機(jī)的表現(xiàn)更出色。
在可見光波段,需要外部光源照射物體,才能使物體足夠熱以發(fā)射出可見光相機(jī)探測所需要的光子數(shù)量。在成像期間,外部光源發(fā)射的光子,或被物體反射,或被物體吸收。使用不同顏色的外部光源照射物體,物體顯示為亮或暗,亮暗程度取決于物體對(duì)照明光的反射量。在燈泡中,燈絲被加熱到約2800K的高溫,并在可見光范圍內(nèi)發(fā)射許多光子,從而可以使人們看到房間內(nèi)的物體。圖3中分別顯示了太陽和燈泡的黑體輻射曲線以及發(fā)光量。
圖4:本文作者處在黑暗的房間里,用烙鐵提供0.9~1.7μm的SWIR光。
烙鐵的溫度低于300℃。SWIR光照射下的頭發(fā)和皮膚,都與可見光照射下的情況不同。雖然燈泡具有與太陽類似的發(fā)光曲線,但是其溫度較低,因此在任何給定的波長處產(chǎn)生的整體發(fā)光量較少。更重要的是,燈泡在紅光波段比在藍(lán)光和綠光波段,產(chǎn)生更多的光子。這就是為什么物體在室內(nèi)會(huì)比在太陽光照亮?xí)r顯得更紅,因?yàn)樵谔柡蜔襞莅l(fā)射的光譜中,紅光光子與藍(lán)光或綠光光子的比例是非常不同的。這就是為什么物體在室內(nèi)看起來與室外不同的原因,因?yàn)闊襞莸陌l(fā)射光譜與太陽不同,所以物體反射的光量也不同。
白熾燈泡(如功率60W的產(chǎn)品)可能將不再使用,大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)器視覺照明將由發(fā)光二極管(LED)提供。LED是半導(dǎo)體器件,能夠發(fā)射特定波長的光,或者說其發(fā)射光譜范圍較窄的光,通常在特定波長周圍±50nm(許多高端LED為±15nm)的范圍內(nèi)。
在可見光區(qū)域,已經(jīng)有許多類型的LED能為場景需求提供正確的顏色照明。用于機(jī)器視覺的光源,通常要指定顏色或色溫(如6000K的紅光、綠光、藍(lán)光或白光等)。6000K白光勒克斯或照度用來表征光的亮度,或者說是一個(gè)白光可見光源發(fā)出多少光子。對(duì)于單色或多色LED光源,光用單位mW/cm2來表征,勒克斯是白光的度量單位。通過組合多種LED顏色,可以模擬白光或各種色溫的光。圖5是由Metaphase Technologies公司提供的6000K白光的光譜。這是在可見光波段模擬6000K黑體,非常有效。
圖5:各種Metaphase LED白光源的波長輸出。
LED試圖通過改變峰值波長來在這些溫度下模擬黑體。然而,對(duì)于新一代SWIR機(jī)器視覺相機(jī)來說,可見光LED照明是完全無效的。根據(jù)所使用的圖像傳感器類型,SWIR相機(jī)的靈敏度范圍通常為400~1700nm或1000~2600nm。過去,6000K黑體可以作為這些相機(jī)的非常有效的寬帶光源,但是今天的白光LED光源通常不會(huì)提供超過785nm的任何光線輸出。機(jī)器視覺照明行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了近紅外光源,通常使用波長為950nm或850nm的LED,成像已經(jīng)超出可見光范圍。但是,這些光源僅限定在一個(gè)或兩個(gè)波長。這些紅外光源,能夠使基于硅的可見光相機(jī)的成像范圍超出可見光到達(dá)近紅外范圍。然而,為了使成像范圍超出NIR達(dá)到SWIR范圍,需要比現(xiàn)有可見光LED發(fā)射更長波長的新光源。用InGaAs圖像傳感器制造的新型低成本SWIR線掃相機(jī),其感光范圍為400~1700nm,跨越可見光波段和SWIR光。如前所述,白熾燈可為這些相機(jī)提供照明,因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是黑體源,根據(jù)所用包裹燈泡的玻璃的不同,白熾燈的發(fā)光波長范圍400~2500nm以上的范圍。
然而,由于市場已經(jīng)傾向于LED光源,大多數(shù)光源的波長都是特定的,通常波長帶寬為±50nm。雖然人們可以將這些白光可見LED光源視為可見光譜中的寬帶,但是由于它們是許多LED顏色的組合,所以在NIR和SWIR波段它們很可能不是寬帶。
現(xiàn)在,市場上已經(jīng)有一些商用的Vis-SWIR探測器系統(tǒng),如普林斯頓紅外技術(shù)公司(Princeton Infrared Technologies)的LineCam12。在光源選擇方面,必須考慮超出通常紅、綠、藍(lán)、紫外線和近紅外光源,波長為850nm或950nm。
VIS-SWIR寬帶光譜
現(xiàn)在SWIR中的新型LED照明器,使得指定這些紅外波長更加簡單。例如,Metaphase最近開發(fā)了處于這個(gè)范圍內(nèi)的幾款SWIR LED光源,這些光源可以組合成各種SWIR顏色組合,或創(chuàng)建Vis-SWIR寬帶光譜。在SWIR中,一些成像條件可能不一定需要寬帶光源,這里的目標(biāo)是確定被檢測物體的特定反射或吸收屬性,而不是像在可見光波段那樣需要一個(gè)寬帶光源,例如比較一幅圖像中的綠色和紅色。
圖6:用可見光相機(jī)和SWIR相機(jī)對(duì)咖啡豆、巖石和棍子成像,光源波長1450nm。這些物體都是棕色的,可見光成像很難區(qū)分,但是在SWIR成像中卻很容易區(qū)分,因?yàn)檫@時(shí)咖啡豆的反射性非常強(qiáng)。
相反,通過使用特定波長的光源,在SWIR成像中物體A可以很容易地與物體B區(qū)分開,即使它們在可見光波段中可能呈現(xiàn)相同的顏色。例如,物體中的水分含量清楚地展示了這種現(xiàn)象。圖1顯示,水在SWIR波段特別是大約1400nm處吸收特別強(qiáng)。在圖6中,在SWIR波段,咖啡豆很容易與巖石和木材區(qū)分開來。在黑色背景下,用可見光相機(jī)將咖啡豆、巖石和樹枝區(qū)分開來非常困難,因?yàn)樗鼈兌际亲厣摹?/p>
在1400nm的SWIR波段(使用Metaphase 1450nm Peak SWIR光源),很容易看到咖啡豆,因?yàn)樗鼈兎浅7垂猓鴰r石和樹枝不是很反光,所以看起來是黑的。各種物體的材料,都對(duì)光具有獨(dú)特的吸收性和反射性,使用SWIR成像區(qū)別物體比可見光成像更加清晰。同樣,這(光譜獨(dú)特的對(duì)比區(qū)分)在很多濕度和/或干燥度很重要的應(yīng)用中,也是非常有用的。
結(jié)論
SWIR中的光源選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)成功的成像解決方案至關(guān)重要。SWIR波段可以分辨和檢測肉眼看不見的缺陷。為了對(duì)指定特征成像,開發(fā)人員必須了解如何選擇正確的光源。標(biāo)準(zhǔn)的可見光LED將失效,因此理解圖像中正在分析的材料的反射屬性非常重要。這有助于選擇正確的光源和相機(jī),從而簡化機(jī)器視覺應(yīng)用,并消除對(duì)可見光波段昂貴且密集的處理算法的需求。
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原文標(biāo)題:短波紅外成像增強(qiáng)機(jī)器視覺功能
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