3.3 圖像亮度

圖像的亮度模式是二維的，那么這個亮度模式是如何在一個光學(xué)成像系統(tǒng)中生成的呢？上一節(jié)已經(jīng)找到了場景中點和圖像上點之間的對應(yīng)關(guān)系，本節(jié)將探討什么決定了圖像中點的亮度。

3.3.1 亮度模式

亮度是一個非正式術(shù)語，比如它可以用來描述圖像亮度與場景亮度。對于圖像，亮度和射入像平面的能流有關(guān)，許多不同的方法可以用來度量亮度。本書用輻照強(qiáng)度來代替圖像亮度。輻照強(qiáng)度是指照射到某一表面上的“輻射能”在單位面積上的功率（單位為W·m^-2，即瓦特每平方米）。在圖3-6a中，E代表輻照強(qiáng)度，δP表示照射到一個面積為δA的極其微小的曲面區(qū)域上的輻照能功率。例如，相機(jī)中膠片的亮度就是輻照強(qiáng)度的函數(shù)。圖像中某一點的輻照強(qiáng)度取決于從該像素點所對應(yīng)的物體表面點所射過來的能流。

在場景中，亮度和從物體表面發(fā)射的能流有關(guān)。位于成像系統(tǒng)前的物體表面上不同的點會有不同的亮度，而其亮度取決于光照情況及物體表面如何對光進(jìn)行反射。場景亮度采用輻射強(qiáng)度來表示。輻射強(qiáng)度是指從物體表面的單位透視面積發(fā)出的、射到單位立體角中的功率（W·m^-2·sr^-1，即瓦特每平方米立體弧度）。在圖3-6b中，L表示輻射強(qiáng)度，δ²P是指從一個面積為δA的極小表面射入一個極小立體角δw中的能流大小。從形式上看，輻射強(qiáng)度的定義很復(fù)雜，因為從某一微小表面發(fā)出的光會射向各個不同的方向，所有的射出方向?qū)纬梢粋€半球，而且不同方向上的光線強(qiáng)度可能不同。因此，只有指定這個半球中的立體角后談?wù)撦椛鋸?qiáng)度才是有意義的。通常情況下，隨著觀測方向的不同，輻射強(qiáng)度會發(fā)生變化。圖像輻照強(qiáng)度的測量結(jié)果與場景輻射強(qiáng)度成正比，其比例取決于成像系統(tǒng)的參數(shù)。

3.3.2 傳感器

工業(yè)相機(jī)主要用來對待測物體進(jìn)行實際的成像，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號或者數(shù)字信號，它的關(guān)鍵部件是CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器。圖像像素值（即圖像灰度值）是CCD或CMOS圖像傳感器對光強(qiáng)（光亮度）的測量對象。由于其采集圖像的質(zhì)量將直接影響到后續(xù)圖像處理的效果，所以選擇一個合適的相機(jī)對機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)來說是非常重要的。對于一般的工業(yè)相機(jī)主要有如下參數(shù)。

1）分辨率：分辨率是工業(yè)相機(jī)最基本的參數(shù)，可以用水平分辨率和垂直分辨率來描述，例如1920（H）×1080（V）表示每行的像元數(shù)量為1920個，共有1080行。分辨率越大，圖片所占內(nèi)存空間也越大，但是圖片的細(xì)節(jié)越清晰。所以，一般要首先保證圖像有足夠多的數(shù)據(jù)信息，能夠滿足系統(tǒng)檢測的需要，然后考慮分辨率不能過大，以免浪費資源、降低效率。

2）幀速：幀速表示相機(jī)采集圖像的頻率，單位為幀/秒，即每秒所能采集的畫面數(shù)量，可以用來衡量采集速度。幀速是衡量一臺工業(yè)相機(jī)的重要參數(shù)，當(dāng)相機(jī)速度足夠時才能滿足相應(yīng)的系統(tǒng)需求。一般而言，不同類型的機(jī)器視覺系統(tǒng)所需要的幀速不盡相同，幀速需要與實際項目需求相匹配。目前，工業(yè)相機(jī)的幀速從十幾幀/秒到幾百幀/秒甚至上萬幀/秒。例如，德國PCO公司的高速相機(jī)可在100萬分辨率時達(dá)到7039幀/秒的成像速度。

值得一提的一點——一萬億幀相機(jī)

科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了一萬億幀/秒成像，可用于觀察光子的運動和對光成像。圖3-7為高速相機(jī)捕獲的光在飲料瓶傳播過程的畫面。

3）傳感器像元大小：傳感器芯片由許許多多像元陣列組成，像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸。像元尺寸從某種程度上反映了芯片對光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。通常像元尺寸為幾微米，大尺寸像元感光能力更好，但是使得在相同芯片面積條件下像素分辨率降低。

4）動態(tài)范圍：相機(jī)的動態(tài)范圍表明相機(jī)探測光信號的范圍，可用兩種方法來界定：一種是光學(xué)動態(tài)范圍，指飽和時最大光強(qiáng)與等價于噪聲輸出的光強(qiáng)的比值，由芯片的特性決定；另一種是電子動態(tài)范圍，指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。動態(tài)范圍大，則相機(jī)對不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

值得一提的一點——EMCCD和sCMOS相機(jī)

機(jī)器視覺常用相機(jī)主要有兩類光電傳感芯片，分別為CCD芯片和CMOS芯片。CCD和CMOS成像都是通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號獲得數(shù)字圖像。

在科學(xué)級成像中還有另外兩種相機(jī)：EMCCD（Electron-Multiplying CCD，電子倍增CCD）和sCMOS（scientific CMOS，科學(xué)級CMOS）相機(jī)。EMCCD和sCMOS相機(jī)比CCD和CMOS對光的感知靈敏度更高，具有極高的動態(tài)范圍，尤其適用于顯微、熒光成像等微弱光成像領(lǐng)域。比如，德國PCO公司的sCMOS相機(jī)動態(tài)范圍可達(dá)37500∶1，并具有0.8e-中值讀出噪音的高靈敏度。

3.3.3 感知顏色

顏色是圖像處理中很重要的一種特征，利用顏色可以簡化將目標(biāo)從場景中提取并識別的過程。顏色特征不會受到形變畸變的影響，有很好的不變性，如平移、旋轉(zhuǎn)和尺度增減等均不會改變圖像顏色，而且魯棒性能很好。顏色已經(jīng)成為使用非常廣泛的特征。最為常見的顏色模型就是RGB模型，為了適應(yīng)不同應(yīng)用，根據(jù)RGB顏色模型還提出了CMY顏色模型、HSV顏色模型和HSI顏色模型等。

1. RGB顏色模型

根據(jù)三基色的原理，通過加權(quán)混合紅、綠、藍(lán)三種基色可以得到各種不同的顏色，如圖3-8所示。這個模型是基于笛卡兒坐標(biāo)系的，為了方便描述，將顏色進(jìn)行了歸一化處理，紅、綠和藍(lán)的取值限定在0～1之間。在圖3-8中，紅、綠、藍(lán)三基色位于單位立方體在坐標(biāo)軸上的三個定點上。三個補(bǔ)色青色、品紅色和黃色位于另外三個頂點。黑色在原點，三基色都達(dá)到最大值時是白色，因此白色位于與原點相對的立方體頂點上。代表灰度值的點落在連接白色和黑色的對角線上。在模型內(nèi)部和邊緣上的點代表不同的顏色。

2. HSI顏色模型

人觀察彩色物體的時候，通常是用色調(diào)、飽和度和亮度來描述的，對應(yīng)于這種描述方式，有一種顏色模型稱為HSI顏色模型。HSI顏色模型將強(qiáng)度，也就是亮度信息，從顏色信息中分離出來，這使得很多適用于灰度圖像的處理方法同樣適用于HSI顏色模型。其中，H為色調(diào)，色調(diào)和混合光譜中的主波長有關(guān)；S是飽和度，是指顏色的相對純度；I代表亮度。色調(diào)和飽和度一起構(gòu)成了色度。

HSI顏色模型如圖3-9所示。色調(diào)是按角度來統(tǒng)計的，0°的色調(diào)表示紅色，120°的色調(diào)表示綠色，240°的色調(diào)表示藍(lán)色。0°～240°之間的色調(diào)表示了所有的可見光譜色，而240°～360°之間的色調(diào)表示了人眼可見的非光譜色。飽和度是色調(diào)圓環(huán)的圓心到顏色點的長度。最外面圓周上的飽和度是1，中心的飽和度是0。如果將HSI表示在一個圓錐模型上，那么亮度，即灰度是沿著軸線的，從底部到頂部，由黑變白。

給定一個RGB顏色模型的圖像，可以通過式（3-32）～式（3-35）轉(zhuǎn)換到HSI顏色模型，每個RGB像素的H分量為

其中

S分量為

最后，I分量為

為了編程方便，提高程序執(zhí)行效率，可采用以下快速近似轉(zhuǎn)換公式：

MATLAB官方提供的RGB與HSV格式轉(zhuǎn)換程序（rgb2hsv）如下：