摘要：随着智能制造的深入推进，市场对工业相机的应用提出了更高要求，普通工业相机在特定场景下，已经无法完全满足特殊工业应用需求。与光的强度和波长一样，光的偏振也提供了极其丰富的信息。根据Stokes矢量计算偏振度原理，平行光源照射在被测物表面形成光的反射，反射光透过偏振片后，相机的图像传感器可从多个方向采集到图像数据，最终结合成的偏振度图像，能够体现出偏振图像特有的信息。

关键词：机器视觉；偏振度；偏振相机成像

1　引言

与常见的可见光、遥感、红外成像等相比，偏振成像可以获取物体的多维度偏振信息，这在图像视觉领域中有十分显著和独到的优势。利用偏振相机获取到的偏振信息，可大幅增强被测物的细节特征体现。普通面阵相机难以辨别的缺陷，利用偏振相机可加以区分。偏振相机具备更强的缺陷识别能力，是各大检测行业的理想选择。

2　偏振相机检测原理

2.1　偏振度

光作为电磁波家族的一份子，在经过物体表面反射后，因为物体表面的结构、材质、颜色以及光本身的入射角等物理性质的不同，其偏振方向等也将随之改变，从而使某些反射信息得到加强，某些信息被弱化，这样便可更加有效地得到相应的图像信息，对被测物加以鉴别，如物体表面纹理结构、粗糙程度、表面缺陷等等。

偏振光分为完全偏振光和部分偏振光。其中，完全偏振光又分为线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。线偏振光是指在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在光的偏振同一平面内。

一般来说，线偏振光可以通过反射、折射、干涉以及散射来产生，还可以通过二向色性晶体（人造偏振片）、晶体双折射等产生，途径十分多样。

偏振方向则表示为波此时的振动方向与传播方向不一致时的方向，且只有横波才具有偏振现象，其偏振方向与波的传播方向垂直（如图1所示），纵波则不存在偏振现象，因其传播方向与振动方向一致。

图1 线偏振方向示意图

在使用偏振相机获取图像数据时，偏振度是最为根本的信息，是衡量电磁波中偏振信息的重要参数，我们习惯上将其描述为偏振光在总光强中所占的比例。

前面提到Stokes矢量是计算偏振度的数学原理，是光学偏振状态的数学表示。其主要包含四个矢量作为偏振信息的参量：

其中，I表示光波的总强度，Q为x方向上线偏振光的强度差，U则表示+π/4方向与-π/4方向上线偏振光的强度差；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表示圆偏振光的右旋而非左旋偏振分量占优势，然而自然界中，圆偏振的分量极少，对仪器造成的误差也基本可以忽略不计，一般来说V均记为0。因此，得到Stokes矢量S=[I Q U V]后，即可通过下列公式计算出光的偏振度：

2.2　实验原理

目前市面上的偏振图像传感器中，带有四向偏振器的Sony IMX250MZRCMOS全局曝光偏振感光芯片较具代表性。四向偏振器便是从四个不同角度测量线偏振光强，从而得到最终的偏振图像，大致原理可结合2.1中提及的公式，即：

其中I为光的总强度，I0、I1、I2、I3分别表示相机图像传感器中的四向偏振片透光轴与参考方向呈0°、45°、90°、135°方向上的线偏振光强，I r和 Il表示右旋（r）和左旋（l）圆偏振光强。线偏振光的Stokes矢量为[1 1 0 0]，自然光的Stokes矢量为[1 00 0]。

将偏振相机测出0°、45°、90°、135°四个角度下的灰度图像结合，即可获得四个方向的光强I0、 I1、I2、I3的图像，再将所得的值代入上式（6）求出I、Q、U，然后再代入公式（5）便可求得偏振度值P。

3　行业解决方案

3.1　独特的芯片排布设计

Sony在IMX250MZR中有独特的像元排布设计，在物理像素阵列的偏振编码中，该图像传感器的四个方向偏振器按如图2所示的布局排列以获得透射光，输出90°信号线、45°信号线、135°信号线和0°信号线。

表1传感器四向偏振排列

3.2　偏振相机

海康机器人的工业面阵相机已经发展得十分全面，分辨率广度覆盖了30万像素到1.5亿像素，数据传输接口从传统的GigE、U3V、CameraLink，到带宽更高的10GigE、CoaXPress等均有涉猎。然而，在一些特定场合，如照明情况十分不好，或者被检测物品较难直接用传统面阵相机检测时，利用光的偏振，便可以进行效果更加出色的检测。

基于Sony IMX250MZR CMOS 偏振感光芯片，海康机器人自主研发CH系列500万像素USB接口的偏振相机MV-CH050-10UP，可利用偏振信息和四向偏振器获取更多的图像信息，在工业机器视觉中创造了一系列新的成像可能性。

MV-CH050-10UP搭载Sony IMX250MZR CMOS全局曝光的偏振感光芯片，能够同时采集四个不同偏振方向的图像；通过USB3.0数据接口进行图像数据的传输，并集成I/O (GPIO) 接口，提供线缆锁紧装置，能在各种恶劣环境下稳定工作，是高可靠性、高性价比的工业面阵相机产品。具有高分辨率、高清晰度、高精度、低噪声等特点，适用于工业检测、医疗、科研、教育以及安防等领域。

MV-CH050-10UP在图像传感器芯片的光电二极管上具有四个方向（0°、90°、45°、135°）像素级偏振滤光镜。除了捕获亮度和颜色，它还可以捕获正常图像传感器无法检测到的偏振信息。使得偏振相机可以在众多工业领域中应用，例如在能见度低下、拍摄画面困难的情况下进行检测。

因此，在工业相机应用中，除去偏振度外，还有偏振方向等信息也可进行相应的利用。借助这两个不同的偏振特性，可以进行非常广泛的应用。

MV-CH050-10UP可以一次拍摄四向偏振图像（如图2所示），根据每个方向的偏振强度计算被测物的偏振方向（Angle of Polarization）和偏振度（Degree of Polarization），结合后续的信号处理，可实时捕获偏振信息。

图2 四向偏振图像

3.3　偏振图像的抽取和融合

相机拥有2448×2048的有效像素，偏光镜在90°和45°的角度由第一行上的每个像素交替提供，而在135°和0°的则由第二行上的每个像素交替提供；且图像传感器的数据输出与相机的数据输出模式相同。

图像数据输出被融合呈现于同一个屏幕，又分为四个画面，如上图2所示（偏振片呈45°的图像在右上角，偏振片呈90°的图像在左上角，偏振片呈0°的图像在右下角，偏振片呈135°的图像在左下角）。

在使用相关软件配合相机取图时，屏幕将会被划分为四个不同的区域，并设置四个不同的功能，其中包括：四向偏振、漫射光（去偏振）、偏振度、偏振方向（伪彩图）等，下面的示例显示将用于配置输出的设置分为四个功能：

4　软件配合

为支持海康的机器视觉产品而开发的软件应用程序——MVS客户端（Machine Vision Software），基于GenICam标准，遵循GigE Vision以及USB3.0 Vision协议。用户可通过客户端或SDK连接工业相机，采集相机图像，获取并设置相机参数。软件开发包中包含SDK及示例程序，可满足用户二次开发的多样化需求。

MVS包含了客户端，IP配置工具，固件升级工具，导入/导出属性工具，日志查看工具，网卡配置工具，驱动管理工具，系统信息工具，SDK和Demo。目前发布版本适用于GigE和USB3.0接口工业面阵、线阵相机。

针对偏振相机，海康机器人定制了多画面MVS客户端，能够直接呈现四向偏振图、去偏振光图、偏振度信息图以及利用偏振方向信息的伪彩图。对于被测物的偏振信息，以多种方法和角度，使得被测物体的特征更加明显。

图3所示是客户端中相机在采集偏振画面的软件界面。

左侧为相机对应型号、固件版本信息等；右侧为相机参数调整界面，可以根据具体的应用需求，调节相机的各样参数；下方为帧率、分辨率、带宽等基本参数实时显示；相机一次性呈现四幅画面，可以根据偏振度和偏振方向的信息，让缺陷最大程度呈现，从而减轻算法处理的压力。

图3 客户端操作界面

5　应用行业

5.1　外壳检测

由于物体的外包装在具有缺陷时，其表面的平整

度、纹理构造等，均会产生偏振度（DOP）信息变化，偏振相机通过对物体表面偏振度信息的区别，可以提取大量的图像信息，如图4所示。

图4 偏振度信息图

普通相机在拍摄浅物体外壳或包装时，没有偏振度。而在MV-CH050-10UP下，由于被测物体的偏振程度不同，很容易就能识别出被测物体表面的相应缺陷信息。

5.2　变形检测

除偏振度之外，当原本平整的物体表面发生变形时，其表面的偏振方向也随之改变，这种改变同样可以提供大量的信息供使用，如图5所示。

图5 偏振方向信息图

在海康机器人的偏振相机下，被测物体可以伪彩图形式呈现。在伪彩图中，与基准表面的偏振方向不相同的区域，将会根据其自身的偏振方向而呈现出不同的颜色，因此能够轻易检测出物体表面变形的区域。

5.3　去除反光

光滑物体表面在经过光线照射时，会出现反射，十分影响相机拍摄物体的真实状态，偏振相机特有滤光偏振片，当偏振片与反光呈垂直方向时，便可轻松过滤掉该方向上的反光，能够轻松获取被摄物的真实面貌，如图6所示。

图6 去除反光图示

普通相机在拍摄有反光的物体时，只能拍摄出反光的画面，而MV-CH050-10UP的四向偏振器，其偏振信息可用于同时消除多个平面上的反射，让画面达到最佳去反光效果。

6　结语

工业4.0时代对生产制造效率提出了更高的要求。在条件更加严苛的生产场景下，机器视觉产品需不断融入新技术，以应对更为复杂的挑战。

海康机器人自主研发的偏振相机基于偏振原理，结合相应客户端软件后，可实现多种新应用。道阻且长，行则将至，凭借多年在成像采集、图像处理和模式识别领域的技术积累，海康机器人向偏振领域迈出了铿锵一步。日后将继续聚焦工业视觉传感应用，专注底层算法软件和硬件技术，为用户提供卓越的机器视觉产品和算法平台，使用户的工作效率及准确率再进一步。

摘自《自动化博览》2019年12月刊