如何在具有挑战性的照明条件下获取更好的成像方法

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可能很难针对特定的应用选择合适的相机。通常考虑的常见相机规格包括分辨率和帧率。然而，照明可能是一个更重要的外部因素。在照明可能不一致的情况下，动态范围和增益是成功捕获图像的关键因素。本文重点介绍了高转换增益（HCG）和低转换增益（LCG）相机功能如何在苛刻的照明条件下发挥作用，以及通常会出现这些苛刻情形的成像应用示例。

照明不一致的挑战

设置视觉系统时，照明至关重要。如果光线很暗，照明不一致可能会导致图像数据变得难以使用的问题。增加信号的常见解决方案是增加相机的增益。但是，如此一来噪声会增加，从而降低图像质量。在其他情况下，过多的光线可能会导致图像曝光过度。由于相机像素无法捕获所有光线，因此图像数据也会减少，从而有效消除传感器过度曝光的区域。

动态范围的重要性

高动态范围能够使视觉系统捕获更多细节。这是因为图像的动态范围是指图像数据在不损失清晰度的情况下的可以有最暗和最亮影调。在到达传感器的光线较暗的系统中，捕获的图像可能无法满足指定应用的需求。如果视觉系统光线过多，也会影响图像质量。在这种情况下，图像会曝光过度，明亮区域会导致图像褪色。这种情况会阻碍图像软件在车辆通过收费站时分析重要数据，例如车辆上的车牌字符。

当车辆经过收费站时，捕获车牌信息。

如果在光线不足的情况下拍摄图像，则图像可能会显得很暗。这是因为当传感器没有捕捉到足够的光线时，光线不足的区域会显示为黑色。这些较暗的图像曝光不足，因此可能无法产生图像数据来识别感兴趣的对象。增加相机的增益可以提高传感器的整体灵敏度，如果在黑暗环境中成像，这一点至关重要。然而，增加增益的缺点是会在图像中引入额外的噪声。这意味着需要平衡视觉系统将使用的增益量与可能同时引入的噪声。这种平衡关系称为信噪比（SNR）。

高转换增益

与大多数传感器支持的传统增益不同，Teledyne Lt系列相机选用的Sony®Pregius®第3代传感器具备高转换增益（HCG）功能。传统增益和HCG之间的主要区别在于，具有HCG的传感器可以在降低读出噪声的同时利用更多光线成像。该传感器能够使相机在较暗的环境中成像，用户无需担心会产生影响图像质量的噪声。噪声会在图像中产生伪影，干扰需要分析图像以确定场景或目标所需特征的图像处理软件。这对于交通成像等应用来说是非常有用的，因为在太阳开始落山时，来自太阳的自然光会逐渐减弱。平衡方法是HCG有助于相机实现出色的弱光成像，动态范围略有减少。

HCG通过防止曝光不足，使相机能够在黑暗环境中成像。

低转换增益

在一些最新款Teledyne Lt系列相机中发现的另一种主要采集和读出模式是低转换增益（LCG）。采用这种模式时，传感器的主要目标是减少图像曝光。与HCG模式一样，LCG模式在交通中的用处也很大，因为该模式可以防止相机在非常明亮的环境中过度曝光。这导致读出噪声更高，但满阱容量显著增多。对增益放大可以保持在最低限度的明亮场景进行成像时，该模式可以提高动态范围。

当过多的光线到达传感器时，LCG模式可以防止相机过度曝光。

应用

户外成像的照明条件千变万化，因此可以从具有高动态范围或HCG/LCG模式的相机中显著受益。在诸如超速和收费执法等交通应用中，太阳的位置会影响光线照射到相机的角度。在某些角度，进入传感器的强烈反射光会导致图像出现曝光过度的区域。雨、云、雾、湿度、雪和冷凝等各种天气条件也会导致影响图像的照明发生很大变化。HCG/LCG模式能够为拍摄难度更高的表面（例如在晴天具有很强反射光的车牌）提供更多细节，或提高弱光条件下能见度以识别过往车辆的数量。

在生命科学中，相机的灵敏度可能是成像性能的关键因素。在显微镜下成像时，可能只能短暂曝光样品，以确保光线不会损坏敏感对象。对于许多可能无法捕捉到足够的光线来正确显示样品的相机来说，这可能会导致成像问题。通过使用HCG模式，这些图像可以改善弱光性能。Teledyne Lumenera的INFINITY8-2M具备HCG模式，借此成为INFINITY8显微镜相机系列中灵敏度最高的相机。通过降低满阱容量和读出噪声，使用该显微镜相机捕获的图像清晰地描绘了大靶面1.1''传感器捕捉的所有细节。

在自动化和机器人等机器视觉应用中，使用HCG/LCG有助于进行检验。该功能能够根据工厂环境中的照明条件调整照明模式，使相机适应这种环境。无需增加装配线上的灯光数量，相机在照明减弱的条件下也能够捕获更多细节。因此有助于工厂执行检查任务，例如装瓶或机械组装。然而，许多工厂可能会有充足的光线，并且很难设置每个检验区域，因此只有充足光线量才能照亮相机感兴趣的对象。LCG模式有助于为视觉系统提供灵活性，从而降低过度曝光的可能性。

凭借可以在HCG和LCG之间切换的相机，工厂自动化能够适应具有挑战性的照明条件。

除了特定测试需要一致照明的单独环境（例如在实验室房间中进行校准）之外，多个相机系统同时对不同的场景进行成像时，很难获得一致的照明。通过使用Sony Pregius第3代传感器启用的HCG/LCG模式，Lt系列相机为具有挑战性的照明条件提供了解决方案。除了量子效率，相机影响灵敏度的主要因素是读出噪声。采用HCG模式后，相机可以降低读出噪声，同时为各种应用拍摄更亮的图像。

来源：Teledyne Imaging

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