图像处理背景知识

什么是摄像头?

我们都见过各种摄像头,比如

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那么什么是摄像头,说到底,就是一个将光学信号转变成电信号的一个装置。在计算机视觉中,最简单的相机模型是小孔成像模型

小孔模型是一种理想相机模型,没有考虑实际相机中存在的场曲、畸变等问题。但是在实际使用时,这些问题可以通过在标定的过程中引入畸变参数解决,所以小孔模型仍然是目前最广泛使用的相机模型。

图像透过镜头,照在一个感光芯片上,感光芯片可以把光照的波长和强度等信息转成计算机(数字电路)可以识别的数字信号,感光元件是长这样的:

camera sensor

(中间的方形元件就是感光元件)

什么是像素和分辨率?

感光元件是有很多个感光点构成的,比如有 640 x 480 个点,每个点就是一个像素,把每个点的像素收集整理起来,就是一副图片,那么这张图片的分辨率就是 640x480:

什么是帧率

帧率(FPS)就是每秒钟处理的图片数量,如果超过20帧,人眼就基本分辨不出卡顿。当然,如果用在机器上,帧率是越高越好的,MaixPy 的最大帧率对比: 注:没有标注均为不传输图像给 IDE,因为这个过程很耗费时间。

什么是颜色

物理上,颜色就是不同波长的电磁波。

sRGB rendering of the spectrum of visible light

颜色 频率 波长
紫色 668–789 THz 380–450 nm
蓝色 631–668 THz 450–475 nm
青色 606–630 THz 476–495 nm
绿色 526–606 THz 495–570 nm
黄色 508–526 THz 570–590 nm
橙色 484–508 THz 590–620 nm
红色 400–484 THz 620–750 nm

但是,根据人眼的视觉效果,可以通过 RGB,CMYK,HSB,LAB 色域,来将可见光的颜色描述出来。

RGB 三原色

RGB and CMYK

三原色的原理不是物理原因,而是由于人的生理原因造成的。人的眼睛内有几种辨别颜色的锥形感光细胞,分别对黄绿色、绿色和蓝紫色(或称紫罗兰色)的光最敏感(波长分别为564、534和420纳米)。

所以 RGB 经常用于显示器上,用来显示图片。

  • LAB 亮度-对比度 Lab颜色空间中,L亮度;a的正数代表红色,负端代表绿色;b的正数代表黄色,负端代表兰色。不像RGB和CMYK色彩空间,Lab颜色被设计来接近人类视觉。

因此L分量可以调整亮度对,修改a和b分量的输出色阶来做精确的颜色平衡。

注意:在MaixPy的查找色块的算法中,运用的就是这个LAB模式!

  • 光源的选择

如果你的机器是在工业上,或者24小时长时间运行的设备,保持一个稳定的光源是至关重要的,尤其在颜色算法中。亮度一变,整个颜色的值会变化的很大!

镜头的焦距

因为图像是通过镜头的光学折射,照到感光元件上的。那么镜头就决定了,整个画面的大小和远近。一个最重要的参数就是焦距。

focal_distance

镜头焦距:是指镜头光学后主点到焦点的距离,是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小,视场角大小,景深大小和画面的透视强弱。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时,镜头焦距长的所成的象大,镜头焦距短的所成的象小。注意焦距越长,视角越小。

还有一点是镜头的畸变,因为光学原理,在感光芯片上不同的位置,与镜头的距离不同的,简单说就是近大远小,所以在边缘会出现鱼眼效果(桶型畸变)。为了解决这个问题,可以在代码中使用算法来矫正畸变,注:MaixPy中使用image.lens_corr(1.8)来矫正2.8mm焦距的镜头。也可以直接使用无畸变镜头。无畸变镜头加入了额外的矫正透镜部分,价格自然会高不少。

下面是,当 MaixPy 距离桌面20cm左右时,不同焦距镜头的对比图

标配镜头
广角镜头
无畸变镜头
长焦镜头

镜头的滤片

在镜头上,通常会有一个滤片。 camera sensor

这个滤片是做什么的呢?

我们知道,不同颜色的光,是波长不一样。在正常环境中,除了可见光,还有很多红外光,在夜视中,用的就是红外光。

但是,在正常颜色应用中,是不需要红外光的,因为红外光也会使感光元件受到反应,就使得整个画面泛白。所以我们在镜头上放一个只能通过波长 650nm 以内的滤光片,将红外光进行过滤。

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