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摘要：隨著智能制造的深入推進，市場對工業相機的應用提出了更高要求，普通工業相機在特定場景下，已經無法完全滿足特殊工業應用需求。與光的強度和波長一樣，光的偏振也提供了極其豐富的信息。根據Stokes矢量計算偏振度原理，平行光源照射在被測物表面形成光的反射，反射光透過偏振片后，相機的圖像傳感器可從多個方向采集到圖像數據，最終結合成的偏振度圖像，能夠體現出偏振圖像特有的信息。

關鍵詞：機器視覺；偏振度；偏振相機成像

1　引言

與常見的可見光、遙感、紅外成像等相比，偏振成像可以獲取物體的多維度偏振信息，這在圖像視覺領域中有十分顯著和獨到的優勢。利用偏振相機獲取到的偏振信息，可大幅增強被測物的細節特征體現。普通面陣相機難以辨別的缺陷，利用偏振相機可加以區分。偏振相機具備更強的缺陷識別能力，是各大檢測行業的理想選擇。

2　偏振相機檢測原理

2.1　偏振度

光作為電磁波家族的一份子，在經過物體表面反射后，因為物體表面的結構、材質、顏色以及光本身的入射角等物理性質的不同，其偏振方向等也將隨之改變，從而使某些反射信息得到加強，某些信息被弱化，這樣便可更加有效地得到相應的圖像信息，對被測物加以鑒別，如物體表面紋理結構、粗糙程度、表面缺陷等等。

偏振光分為完全偏振光和部分偏振光。其中，完全偏振光又分為線偏振光、圓偏振光以及橢圓偏振光。線偏振光是指在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在光的偏振同一平面內。

一般來說，線偏振光可以通過反射、折射、干涉以及散射來產生，還可以通過二向色性晶體（人造偏振片）、晶體雙折射等產生，途徑十分多樣。

偏振方向則表示為波此時的振動方向與傳播方向不一致時的方向，且只有橫波才具有偏振現象，其偏振方向與波的傳播方向垂直（如圖1所示），縱波則不存在偏振現象，因其傳播方向與振動方向一致。

圖1 線偏振方向示意圖

在使用偏振相機獲取圖像數據時，偏振度是最為根本的信息，是衡量電磁波中偏振信息的重要參數，我們習慣上將其描述為偏振光在總光強中所占的比例。

前面提到Stokes矢量是計算偏振度的數學原理，是光學偏振狀態的數學表示。其主要包含四個矢量作為偏振信息的參量：

其中，I表示光波的總強度，Q為x方向上線偏振光的強度差，U則表示+π/4方向與-π/4方向上線偏振光的強度差；Ex，Ey表示光的矢量E在x、y方向上的振幅，δ是x、y的相位差；V表示圓偏振光的右旋而非左旋偏振分量占優勢，然而自然界中，圓偏振的分量極少，對儀器造成的誤差也基本可以忽略不計，一般來說V均記為0。因此，得到Stokes矢量S=[I Q U V]后，即可通過下列公式計算出光的偏振度：

2.2　實驗原理

目前市面上的偏振圖像傳感器中，帶有四向偏振器的Sony IMX250MZRCMOS全局曝光偏振感光芯片較具代表性。四向偏振器便是從四個不同角度測量線偏振光強，從而得到最終的偏振圖像，大致原理可結合2.1中提及的公式，即：

其中I為光的總強度，I0、I1、I2、I3分別表示相機圖像傳感器中的四向偏振片透光軸與參考方向呈0°、45°、90°、135°方向上的線偏振光強，I r和 Il表示右旋（r）和左旋（l）圓偏振光強。線偏振光的Stokes矢量為[1 1 0 0]，自然光的Stokes矢量為[1 00 0]。

將偏振相機測出0°、45°、90°、135°四個角度下的灰度圖像結合，即可獲得四個方向的光強I0、 I1、I2、I3的圖像，再將所得的值代入上式（6）求出I、Q、U，然后再代入公式（5）便可求得偏振度值P。

3　行業解決方案

3.1　獨特的芯片排布設計

Sony在IMX250MZR中有獨特的像元排布設計，在物理像素陣列的偏振編碼中，該圖像傳感器的四個方向偏振器按如圖2所示的布局排列以獲得透射光，輸出90°信號線、45°信號線、135°信號線和0°信號線。

表1傳感器四向偏振排列

3.2　偏振相機

海康機器人的工業面陣相機已經發展得十分全面，分辨率廣度覆蓋了30萬像素到1.5億像素，數據傳輸接口從傳統的GigE、U3V、CameraLink，到帶寬更高的10GigE、CoaXPress等均有涉獵。然而，在一些特定場合，如照明情況十分不好，或者被檢測物品較難直接用傳統面陣相機檢測時，利用光的偏振，便可以進行效果更加出色的檢測。

基于Sony IMX250MZR CMOS 偏振感光芯片，海康機器人自主研發CH系列500萬像素USB接口的偏振相機MV-CH050-10UP，可利用偏振信息和四向偏振器獲取更多的圖像信息，在工業機器視覺中創造了一系列新的成像可能性。

MV-CH050-10UP搭載Sony IMX250MZR CMOS全局曝光的偏振感光芯片，能夠同時采集四個不同偏振方向的圖像；通過USB3.0數據接口進行圖像數據的傳輸，并集成I/O (GPIO) 接口，提供線纜鎖緊裝置，能在各種惡劣環境下穩定工作，是高可靠性、高性價比的工業面陣相機產品。具有高分辨率、高清晰度、高精度、低噪聲等特點，適用于工業檢測、醫療、科研、教育以及安防等領域。

MV-CH050-10UP在圖像傳感器芯片的光電二極管上具有四個方向（0°、90°、45°、135°）像素級偏振濾光鏡。除了捕獲亮度和顏色，它還可以捕獲正常圖像傳感器無法檢測到的偏振信息。使得偏振相機可以在眾多工業領域中應用，例如在能見度低下、拍攝畫面困難的情況下進行檢測。

因此，在工業相機應用中，除去偏振度外，還有偏振方向等信息也可進行相應的利用。借助這兩個不同的偏振特性，可以進行非常廣泛的應用。

MV-CH050-10UP可以一次拍攝四向偏振圖像（如圖2所示），根據每個方向的偏振強度計算被測物的偏振方向（Angle of Polarization）和偏振度（Degree of Polarization），結合后續的信號處理，可實時捕獲偏振信息。

圖2 四向偏振圖像

3.3　偏振圖像的抽取和融合

相機擁有2448×2048的有效像素，偏光鏡在90°和45°的角度由第一行上的每個像素交替提供，而在135°和0°的則由第二行上的每個像素交替提供；且圖像傳感器的數據輸出與相機的數據輸出模式相同。

圖像數據輸出被融合呈現于同一個屏幕，又分為四個畫面，如上圖2所示（偏振片呈45°的圖像在右上角，偏振片呈90°的圖像在左上角，偏振片呈0°的圖像在右下角，偏振片呈135°的圖像在左下角）。

在使用相關軟件配合相機取圖時，屏幕將會被劃分為四個不同的區域，并設置四個不同的功能，其中包括：四向偏振、漫射光（去偏振）、偏振度、偏振方向（偽彩圖）等，下面的示例顯示將用于配置輸出的設置分為四個功能：

4　軟件配合

為支持海康的機器視覺產品而開發的軟件應用程序——MVS客戶端（Machine Vision Software），基于GenICam標準，遵循GigE Vision以及USB3.0 Vision協議。用戶可通過客戶端或SDK連接工業相機，采集相機圖像，獲取并設置相機參數。軟件開發包中包含SDK及示例程序，可滿足用戶二次開發的多樣化需求。

MVS包含了客戶端，IP配置工具，固件升級工具，導入/導出屬性工具，日志查看工具，網卡配置工具，驅動管理工具，系統信息工具，SDK和Demo。目前發布版本適用于GigE和USB3.0接口工業面陣、線陣相機。

針對偏振相機，海康機器人定制了多畫面MVS客戶端，能夠直接呈現四向偏振圖、去偏振光圖、偏振度信息圖以及利用偏振方向信息的偽彩圖。對于被測物的偏振信息，以多種方法和角度，使得被測物體的特征更加明顯。

圖3所示是客戶端中相機在采集偏振畫面的軟件界面。

左側為相機對應型號、固件版本信息等；右側為相機參數調整界面，可以根據具體的應用需求，調節相機的各樣參數；下方為幀率、分辨率、帶寬等基本參數實時顯示；相機一次性呈現四幅畫面，可以根據偏振度和偏振方向的信息，讓缺陷最大程度呈現，從而減輕算法處理的壓力。

圖3 客戶端操作界面

5　應用行業

5.1　外殼檢測

由于物體的外包裝在具有缺陷時，其表面的平整

度、紋理構造等，均會產生偏振度（DOP）信息變化，偏振相機通過對物體表面偏振度信息的區別，可以提取大量的圖像信息，如圖4所示。

圖4 偏振度信息圖

普通相機在拍攝淺物體外殼或包裝時，沒有偏振度。而在MV-CH050-10UP下，由于被測物體的偏振程度不同，很容易就能識別出被測物體表面的相應缺陷信息。

5.2　變形檢測

除偏振度之外，當原本平整的物體表面發生變形時，其表面的偏振方向也隨之改變，這種改變同樣可以提供大量的信息供使用，如圖5所示。

圖5 偏振方向信息圖

在海康機器人的偏振相機下，被測物體可以偽彩圖形式呈現。在偽彩圖中，與基準表面的偏振方向不相同的區域，將會根據其自身的偏振方向而呈現出不同的顏色，因此能夠輕易檢測出物體表面變形的區域。

5.3　去除反光

光滑物體表面在經過光線照射時，會出現反射，十分影響相機拍攝物體的真實狀態，偏振相機特有濾光偏振片，當偏振片與反光呈垂直方向時，便可輕松過濾掉該方向上的反光，能夠輕松獲取被攝物的真實面貌，如圖6所示。

圖6 去除反光圖示

普通相機在拍攝有反光的物體時，只能拍攝出反光的畫面，而MV-CH050-10UP的四向偏振器，其偏振信息可用于同時消除多個平面上的反射，讓畫面達到最佳去反光效果。

6　結語

工業4.0時代對生產制造效率提出了更高的要求。在條件更加嚴苛的生產場景下，機器視覺產品需不斷融入新技術，以應對更為復雜的挑戰。

海康機器人自主研發的偏振相機基于偏振原理，結合相應客戶端軟件后，可實現多種新應用。道阻且長，行則將至，憑借多年在成像采集、圖像處理和模式識別領域的技術積累，海康機器人向偏振領域邁出了鏗鏘一步。日后將繼續聚焦工業視覺傳感應用，專注底層算法軟件和硬件技術，為用戶提供卓越的機器視覺產品和算法平臺，使用戶的工作效率及準確率再進一步。

摘自《自動化博覽》2019年12月刊