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工業(yè)相機的曝光、曝光時間、快門、增益

新機器視覺 ? 來源:勇哥的機器視覺 ? 作者:勇哥的機器視覺 ? 2022-12-13 11:44 ? 次閱讀

這幾個概念在網(wǎng)上資料比較少,講得都比較模糊。

勇哥先上一張圖,后面再介紹具體的概念。

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什么是曝光?

盡管攝影自誕生以來,無數(shù)人都在探索相機這個工具究竟能發(fā)揮那些作用。但一個最基本的作用,就是把我們眼睛看到的通過攝影來記錄下來。

我們的人眼其實和擁有測光系統(tǒng)的照相機有著類似的工作機制,先對光線的強度進行測定,再計算出合適的曝光參數(shù)進行曝光。一個證明就是我們?nèi)绻谥形缈赐觌娪皬碾娪霸撼鰜恚覀儠灸艿母杏X到外面的光線非常刺眼,但只要稍微閉一下眼,就立刻適應了。也就是說,我們的眼睛在光線強度突然發(fā)生巨大變化的時候,也是需要一些時間去“調(diào)整曝光參數(shù)”的。

如果把我們的視覺系統(tǒng)比做照相機的話,大家都應該能理解,我們瞳孔其實就起到了照相機鏡頭光圈類似的作用,我們的科學家已經(jīng)證明了我們的瞳孔在看東西的時候一直在運動著的,會根據(jù)眼睛所注意到的物體的亮度,放大收縮。這個視野范圍約37度到38度,那么如果把我們的視覺系統(tǒng)比做照相機的話,那么這就是一臺帶測光的自動檔照相機。

好,有了以上的理論基礎,我們來解釋一個問題:在逆光情況下為什么我們眼睛看的人或者物都是正常亮度,可是相機咔嚓一下就黑了呢?

原因有以下幾個方面,

第一,基于前面對眼睛的闡述,我們之所以看到很正常,其實我們的眼睛在注意看東西的時候,實際上只有37到38度左右的有效視野范圍,比如大太陽下的人,你看人臉,實際上天空你并沒注意到,但是你看到天空的時候,你眼睛實際上注意力有調(diào)整到了天空,等于又針對了天空進行“測光”,如果人和太陽光比過強,你的眼睛抬頭的時候,實際上也是要本能的瞇起來的。這就是我們視覺系統(tǒng)在“調(diào)整曝光參數(shù)”的證明。但即便如此,相機完成這些轉換要比我們的視覺系統(tǒng)慢的多,而且必須一張一張的拍。

也許有同學會問,好像不對啊,37度38度范圍如果離開的夠遠,那么我們眼睛的有效范圍也很大,肯定可以同時注意到人和天空了。

那么這就是第二個原因,我們?nèi)搜劭梢越邮艿淖盍恋墓鈴姾妥畎档墓鈴姳取簿褪恰皩捜荻取钡母拍睿P于“寬容度”可以點擊查看我的另外一篇專欄文章:產(chǎn)品測試|關于華為P9照相功能寬容度測試 - 知乎專欄,)約為50000倍,換算為光圈的檔數(shù)約15.6檔的光圈,也就是2的15.6次方。而我們目前的照相機寬容度,可以查到的數(shù)據(jù)最高約為14檔,2的14次方換算一下也就是16000倍多一些,50000倍和16000倍相比差距還是很可觀的。

什么是快門

工業(yè)相機一般都具備電子快門特性,電子快門不需任何機械部件。相機采用電子脈沖長度控制相機傳感器對光的積分時間。由于相機感光時間越長,信號電荷累積也越多,輸出信號的幅值也越大。相機輸出的僅是電子快門開啟時的傳感器累積的光電荷信號,其余時間里的光電荷信號則被泄放。電子快門的特點是無運轉噪聲、速度檔次多、速度快,適合分析快速運動過程,但存在圖像的不連續(xù)、間斷跳躍感。

目前,相機的最短電子快門時間一般為百萬分之一秒, 較高的電子快門速度對于觀察運動圖像會產(chǎn)生一個“動作凍結”效應,從而大大地增加了相機的動態(tài)分辨率。同時,當電子快門速度提高時,在傳感器積分時間內(nèi),聚焦在傳感器上的光通量減少,將會降低相機的靈敏度。因而高速的電子快門需要有充足的光照才能保證圖像正常的灰度。

常見的電子快門的方式有全局快門(Global shutter)和卷簾快門(rolling shutter)兩種,全局快門是曝光時,傳感器上所有像素在同一時刻開啟曝光并在同一時刻曝光結束,將物體某時刻的狀態(tài)成像,對運動物體而言類似將運動物體凍結了,所以適合拍攝高速運動的物體。卷簾快門是逐行順序開啟曝光,不同行間曝光的開啟時刻有個很小的延遲,所以不適合運動物體的拍攝。

如果相機的曝光時間過長,就會使速度快的運動物體變模糊。工業(yè)相機的電子快門可以使曝光時間得到控制和調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)是非機械式的,快門控制具有很大的靈活性,給視覺系統(tǒng)帶來了極大的好處。電子快門的曝光時間的變化,僅僅改變了相機光敏像元對外來光的感光積分時間,但不會改變相機內(nèi)在的視頻讀出周期。對于運動物體來說,快門時間越短,所獲取的圖像越精確,即越不模糊,但過短的曝光時間會需要光照強度大大提高,給光照技術帶來很大的困難,所以應選擇合適的快門時間。

工業(yè)相機工作過程中曝光(Exposure)是圖像傳感器進行感光的過程。在曝光過程中,CCD/CMOS收集光子并轉換成電荷;曝光結束后,CCD/CMOS通過一定的方式將電荷移出。從光曝光對照片質(zhì)量的影響很大,如果曝光過度,則照片過亮,失去圖像細節(jié);如果曝光不足,則照片過暗,同樣會失去圖像細節(jié)。控制曝光就是控制總的光通量,也就是曝光過程中到達CCD/CMOS表面的光子的總和。

影響曝光的因素

有三個:

光圈。

光圈控制光線進入的通路的大小,光圈越大,則單位時間的光通量越大,光圈越小,則單位時間的光通量越小。

曝光時間。也就是快門速度。

數(shù)碼相機中,可以采用電子快門,也可以采用傳統(tǒng)的機械快門。

快門速度和光圈大小是互補的,比如,為了加更多的光可以進來。

增益。經(jīng)過雙采樣之后的模擬信號的放大增益。

由于在對圖像信號進行放大的過程中同時也會放大噪聲信號,因此通常把放大器增益設為最小,曝光和增益是直接控制傳感器(CCD/CMOS)上讀出來的數(shù)據(jù),是要優(yōu)先調(diào)節(jié)的,以調(diào)節(jié)曝光時間為主。

在不過曝的前提下,增加曝光時間可以增加信噪比,使圖像清晰。當然,對于很弱的信號,曝光也不能無限增加,因為隨著曝光時間的增加,噪音也會積累, 曝光補償就是增加拍攝時的曝光量。

增益一般只是在信號弱,但不想增加曝光時間的情況下使用,一般相機增益都產(chǎn)生很大噪音。工業(yè)相機在不同增益時圖像的成像質(zhì)量不一樣,增益越小,噪點越小;增益越大,噪點越多,特別是在暗處。

數(shù)碼相機的ISO就是這里說的增益,增大ISO,是增加感光器件對光的靈敏度。高感光度對低光照靈敏,同時對噪雜信號也靈敏,信噪比小,所以高感光度噪點也多(可利用圖片軟件的降噪功能減輕或去除)。

調(diào)節(jié)亮度增益說白了就是改變ISO,改變CMOS傳感器的感光性能,但是會影響到畫質(zhì)。調(diào)節(jié)曝光補償則是為了改變快門速度,不改變ISO不會影響畫質(zhì)。

工業(yè)相機不同增益時圖像的成像質(zhì)量不一樣,增益越小,噪點越小;增益越大,噪點越多,特別是暗處。增益在工業(yè)相機中叫增益,在民用數(shù)碼相機、單反中,有一個更常用的名字叫ISO。

ISO越大,則增益越大,圖像的噪聲也越多。而評價各廠商的相機產(chǎn)品時,往往后評價其在高增益條件下的成像質(zhì)量如何。

增益一般只是在信號弱,但不想增加曝光時間的情況下使用。一般相機增益都產(chǎn)生很大噪音的,所以幾乎不怎么用。

其中曝光和增益是直接控制傳感器(CCD/CMOS)上讀出來的數(shù)據(jù),是要優(yōu)先調(diào)節(jié)的,以調(diào)節(jié)曝光時間為主。

不過曝的前提下,增加曝光時間可以增加信噪比,使圖像清晰。軟件上有個選項可以把過曝的區(qū)域顯示出來。當然,對于很弱的信號,曝光也不能無限增加,因為隨著曝光時間增加,噪音也會積累。所謂冷CCD就是靠降溫減少噪音,從而可以長時間曝光拍攝弱信號。

審核編輯 :李倩

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原文標題:工業(yè)相機的曝光、曝光時間、快門、增益

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