利用HDR成像和色调映射技术在欠佳光线下进行可靠的缺陷检测
在工业和电子制造业中，高对比度的场景很常见，容易有明亮的反射光表面与黑暗的凹陷区域毗邻的情况。标准成像系统很难在这些极端光源条件下采集到完整的细节，尤其是在吞吐量受限的情况下。Basler针对运动、对比度和吞吐量需求，提供了一系列具有HDR功能的视觉方案。本使用实例展示了基于IMX676的DOL HDR功能可以如何在实践中发挥作用。
对反射、透明和阴影表面进行可靠检测
在许多低对比度、精细缺陷检测应用中，经常会遇到极端的对比度情况，为成像带来了巨大挑战。一些典型的应用场景包括：
在具有挑战性的场景中，即使是出色的光源设计也无法完全解决根本的光学矛盾，既要对明亮的反射区域进行适当曝光但不能过度曝光，又要对较暗区域进行充分的细节采集而不能曝光不足。
标准成像方法难以在高对比度场景中同时采集全动态范围内的关键细节，这往往会导致高光或阴影部分的重要信息丢失，从而严重影响精密检测应用中缺陷检测的准确性和可靠性。
应用实例：基于IMX676的HDR与Basler的相机内置色调映射
Basler ace 2搭载Sony（索尼）IMX676芯片，使用DOL HDR可让动态范围超过90 dB。相机采用色调映射技术，可直接提供均衡的图像 - 无需主机处理。输出格式包括Bayer8、Bayer16、RGB8和YCbCr，可同时用于显示和算法。
利用DOL HDR实现无缝采集高光和阴影场景
数字重叠(DOL) HDR专为滚动快门芯片而设计。其中，每条线是依次序曝光的。DOL HDR不需要等待整帧画面结束，而是在第一张图像曝光时开始下一张图像的曝光。通过这种重叠方法可在单帧时间内实现HDR，而无需多次全帧采集。
Basler通过固件级优化和内置色调映射，将DOL HDR直接集成到ace 2 IMX676相机中。这种实现方式提供了高动态范围输出，可即刻进行可视化或处理，无需外部同步、复杂的曝光定时或主机端图像合并。
最终可在在一帧图像中实现无缝采集高光和阴影，即使在高反射率或高对比度的场景中，也能较好地检测出细微裂缝、划痕或污染等缺陷。
从原始数据到显示：色调映射的作用
像IMX676这样的HDR芯片可以输出高位深度数据（例如16位Bayer），从而在暗部和亮部保留完整的动态范围。色调映射将此动态范围非线性地压缩为8-bit格式（例如Bayer8、RGB、YCbCr），以便在标准显示器上显示。
在ace 2 IMX676中，色调映射功能被直接集成到相机固件中，无需经过额外的主机端处理即可获得实时、自然的图像，尤其适用于供操作人员查看的图像。
不过，对于通过算法处理图像的机器视觉应用来说，色调映射是选配功能。算法可以直接处理原始的高位深数据，保留完整的动态范围和精度。
相机内置DOL-HDR和色调映射与软件视觉方案的对比
与OpenCV等基于软件的HDR方法相比，带有色调映射的相机内置DOL-HDR具有显著的优势。由于曝光是重叠进行的，大大缩小了长曝光和短曝光之间的时间差，这个优势是软件处理所无法比拟的。这将带来更快、更纯净的HDR输出，尤其适用于直播和对运动敏感的应用。下表重点介绍了两者的主要区别：
特点 | ace 2 IMX676，带DOL-HDR + 色调映射功能 | 基于软件的HDR（例如OpenCV） |
处理速度 | 相机内实时处理 | 速度慢，需要CPU/GPU进行处理 |
|---|---|---|
延迟 | 非常低 | 高 |
动态模糊 | 最小 | 出现伪影风险较高 |
带宽效率 | 单一优化图像输出 | 多图像传输 |
使用实例适用性 | 工业视觉 | 摄影；后处理情景 |
比较各种HDR方法：选择适合您应用的方法
采用DOL HDR和色调映射技术的IMX676是许多主流使用实例的理想选择。Basler可支持多种HDR方法，每种方法均可针对特定的用户需求量身定制。
HDR方法 | 技术 | FPS影响 | 运动稳定性 | 分辨率 | 成像质量(SNR) | 动态范围2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
以不同曝光时间拍摄多幅图像 | ||||||
多重曝光 | 在主机系统上完成多(N)帧、组合和色调映射 | 1/N | 欠佳 | 完整 | ♦♦♦ | +(N-1) x ■■ |
DOL HDR1（例如IMX 676） | 两次曝光，相机内处理（组合和色调映射） | 中等 | 完整 | 完整 | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
Quad HDR1（例如IMX900） | 多种曝光时间 在单一场景中使用 每像素控制 | 无 | 优秀 | 1/4 | ♦♦♦♦ | +■■■■ |
交错式HDR （例如GMAX芯片） | 在一次图像采集中逐行显示两个不同的曝光时间 | 无 | 优秀 | 1/2 | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
一次图像采集，多重增益 | ||||||
双增益 | 单次曝光，以两种不同增益读取同一像素 | 1/2至中等，具体视芯片而定 | 好 | 完整 | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
双转换增益(DCG)1 （例如IMX53X系列） | 单次曝光，以两种不同增益读取同一像素 | 无 | 好 | 完整 | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
Clear HDR1 （例如IMX676） | 单次曝光，以两种不同增益读出同一像素 | 无 | 好 | Full | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
一次图像采集，其他技术 | ||||||
Binning Fusion（像素融合） | 合并一个帧内的相邻像素(N) | 无 | 好 | 1/N | ♦♦♦ | +◪⧠⧠⧠ |
IMX490 | 每个像素有两个灵敏度区域 | 无 | 优秀 | 完整 | ♦♦♦ | +■■■■ |
脚注：
1. Sony（索尼）推出的功能
2. 实际动态范围的改善取决于芯片结构、场景特征和实施情况。符号表示相对能力，并不表示固定或保证提供的性能。
能否成功实施HDR的关键在于了解应用的具体检测要求。当客户提出具有挑战性的光源使用情景时，我们会评估物体运动模式、吞吐量需求和质量要求，从而推荐优秀的HDR方法。 我们的研发团队开发了一系列HDR方法，每种方法都针对不同的运动、分辨率和集成需求量身定制。
摘要：为什么选择Basler HDR成像技术？
对于高速生产线或对细节要求极高的检测，无法通过单一的HDR方法来适配所有情况。因此，Basler提供了多种更加灵活的HDR视觉方案，以满足不同的运动和成像要求：
综合选项：包括多重和单次曝光方法、芯片级功能以及基于FPGA的处理技术。
易于集成：实时HDR和相机内置色调映射功能减少了主机端的处理需求。
可扩展性和面向未来：支持最新的芯片技术，以满足不断变化的检测需求。
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无论是DOL HDR、Dual ADC还是Quad HDR，我们的工程师都能协助评估哪种HDR视觉方案可满足您的检测需求。
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