1861年，維多利亞女王統(tǒng)治期間，英國(guó)仍處于工業(yè)革命的巔峰，此時(shí)，物理學(xué)家馬克斯威拍出了世界上第一張彩色照片。70年過(guò)后，英國(guó)科學(xué)家約翰 洛吉 貝爾德在戰(zhàn)前的倫敦首次展示了世界上第一款彩色電視，盡管上世紀(jì)在技術(shù)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但制造商徹底接受彩色檢測(cè)卻還是過(guò)了好多年。

   食品、紡織、電子和半導(dǎo)體行業(yè)中，對(duì)產(chǎn)品色彩的檢測(cè)非常重要，這并不令人驚訝。在黑白相機(jī)應(yīng)用中，每個(gè)像素可以對(duì)光源照射到圖像上每個(gè)點(diǎn)的光線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。彩色相機(jī)可對(duì)每個(gè)點(diǎn)上的三種不同色彩的光線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，將所捕獲的數(shù)據(jù)量翻了三倍。這復(fù)雜了從數(shù)據(jù)捕獲到計(jì)算機(jī)處理的每個(gè)步驟，意味著灰階技術(shù)雖然有局限性但仍是最受歡迎的方法。

   Matrox Imaging公司MIL處理組經(jīng)理Arnaud Lina說(shuō)：“成像行業(yè)推動(dòng)了黑白圖像檢測(cè)的應(yīng)用。這些圖像的獲取相對(duì)簡(jiǎn)單，處理黑白圖像的專業(yè)技術(shù)豐富，但現(xiàn)有的彩色圖像處理軟件包和專業(yè)技術(shù)非常少。灰階方法更加廣泛，更加容易理解和操作、價(jià)格便宜，并且計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較低。所有這些因素使得灰度方法成為行業(yè)中具有吸引力的方案。機(jī)器視覺(jué)制造商克服這些困難并開(kāi)發(fā)出高費(fèi)效比，且容易使用的方案還是最近的事。

   在一些例子中，謹(jǐn)慎的選擇光源和黑白相機(jī)就已足夠，無(wú)需增加額外的彩色系統(tǒng)成本。例如，紅色光能夠照明圖像中的紅色區(qū)域，綠光和藍(lán)光則呈現(xiàn)黑色。相對(duì)簡(jiǎn)單的灰階軟件工具隨后可用于進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。

   Firstsight Vision公司銷售主管Mark Williamson說(shuō)：“很多人都有一個(gè)誤解，認(rèn)為人觀測(cè)到的是彩色，就需要用彩色檢測(cè)。如果你需要辨別色彩，這的確很重要，但無(wú)需用彩色進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量。”

  數(shù)據(jù)獲取

   對(duì)于更為復(fù)雜的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)制造商在近年來(lái)有了穩(wěn)步提升。曾經(jīng)的一個(gè)障礙是在適宜的價(jià)位提供分辨率好的彩色相機(jī)，但近年CCD分辨率的提升提供了解決方案。

   在過(guò)去，面陣掃描彩色相機(jī)采用三種獨(dú)立的CCD芯片分別用于每個(gè)像素紅、綠、藍(lán)三種光的捕獲。這些數(shù)據(jù)隨后被合成一張全彩色圖像。

   更為便宜的解決方案是只采用一個(gè)芯片，芯片上的每個(gè)像素只對(duì)輪流穿越圖像的一種色彩感光。由于每個(gè)像素都將被其他測(cè)量不同色彩的像素包圍，相機(jī)能夠通過(guò)尋找缺失色彩周邊的反饋來(lái)填充缺失的色彩。但這降低了圖像色彩分辨率，因?yàn)橹徊捎昧舜蟾乓话氲恼鎸?shí)像素，相比具有相同像素的三芯片相機(jī)來(lái)說(shuō)，色彩保真度不夠精確。

   這曾經(jīng)限制單芯片相機(jī)的采用，但新的百萬(wàn)像素芯片的出現(xiàn)使高分辨率色彩的獲取成為可能，并且無(wú)需對(duì)每種彩色都準(zhǔn)備一個(gè)傳感器。Williamson說(shuō):“我們?cè)趪L試向單芯片彩色相機(jī)轉(zhuǎn)變，因?yàn)閮r(jià)格更加便宜。”

   彩色檢測(cè)在采用線陣相機(jī)拍攝圖像中仍存在問(wèn)題。線陣相機(jī)含有成千上萬(wàn)個(gè)連續(xù)的像素，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)中傳送帶上的目標(biāo)物進(jìn)行掃描，來(lái)成行構(gòu)建每個(gè)目標(biāo)物的圖像。由于單行限速需要對(duì)每種色彩進(jìn)行單獨(dú)的獲取，導(dǎo)致了相機(jī)性能的下降，而采用三行像素成本則太高。

   由于三線性掃描相機(jī)仍有廣泛的高端應(yīng)用，一些制造商現(xiàn)在開(kāi)始生產(chǎn)雙線性相機(jī)，一行像素只捕獲一種色彩，并且其他行含有交錯(cuò)像素可捕獲另外兩種主要色彩。

   Dalsa公司高級(jí)線陣相機(jī)銷售經(jīng)理Xing-Fei He說(shuō)：“這種彩色性能沒(méi)有三芯片CCD相機(jī)性能好，但是對(duì)于識(shí)別個(gè)別的盒子已經(jīng)足夠，如：垃圾回收應(yīng)用。它非常適用于這種應(yīng)用。”

   由于傳送帶的速度非常快，捕獲的數(shù)據(jù)量巨大。Williamson說(shuō)：“從相機(jī)中提取數(shù)據(jù)并傳送至采集卡常常是個(gè)問(wèn)題。只有通過(guò)PCI總線才能應(yīng)對(duì)大容量數(shù)據(jù)。”

   然而，根據(jù)Williamson，由于高速數(shù)字接口的出現(xiàn)，如：吉比特以太網(wǎng)和火線，對(duì)于線陣相機(jī)來(lái)說(shuō)，這種傳輸已經(jīng)不再是問(wèn)題。

   數(shù)據(jù)一旦被獲取，就需要計(jì)算對(duì)其進(jìn)行分析，這同樣因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)而變得復(fù)雜。
Williamson 說(shuō)：“對(duì)于智能相機(jī)來(lái)說(shuō)是個(gè)典型的問(wèn)題，你需要三倍的處理能力，而這是個(gè)瓶頸。”半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展可能會(huì)最終解決這個(gè)問(wèn)題。

   彩色分析

   FPGA技術(shù)也能夠幫助簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，在數(shù)據(jù)在從相機(jī)或采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)之前對(duì)其進(jìn)行快速預(yù)處理。Euresys的Grablink Quickpack ColorScan圖像采集卡配有FPGA和其他的功能，可簡(jiǎn)化彩色檢測(cè)應(yīng)用。

   例如：目標(biāo)物在一個(gè)線陣相機(jī)下移動(dòng)時(shí)，每個(gè)像素行都能夠在不同的時(shí)間點(diǎn)顯現(xiàn)出目標(biāo)物的特征，并且相機(jī)必須隨后對(duì)像素的不同色彩進(jìn)行拼合，并讀取為RG圖像。Euresys的方案是通過(guò)在圖像采集卡上采用FPGA技術(shù)，來(lái)實(shí)施這種“線陣延遲補(bǔ)償（scan-delay compensation）”，幫助減輕計(jì)算機(jī)的工作量。FPGA技術(shù)在處理中比計(jì)算機(jī)的CPU更為有效。這種方案還能糾正不同色彩的失真和平衡。

   即使對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，大容量意味著需要對(duì)分析算法進(jìn)行仔細(xì)斟酌。Dalsa的He說(shuō)，“算法比傳統(tǒng)的處理更加復(fù)雜。”

   Firstsight Vision的Williamson同意這樣的觀點(diǎn)，“你要做的是有效處理三倍的數(shù)據(jù)，所以更加復(fù)雜。關(guān)鍵是將復(fù)雜性隱藏在看起來(lái)簡(jiǎn)單的用戶界面之后。”

   He說(shuō)Dalsa的IPD檢測(cè)軟件工具是這方面非常好的例子。采用這個(gè)工具，用戶可以定義他們自己最感興趣的三種顏色。工具隨后創(chuàng)建三類單色圖像映射每種顏色的密度。

   一個(gè)通常的彩色傳感器只能提供一個(gè)二值圖像（彩色有效處為黑色，彩色無(wú)效處為白色），但是不能顯示強(qiáng)度。Williamson 說(shuō)，“iNspect可提供一張有關(guān)所有那種顏色不同漸變的圖片。這使用戶能夠在全彩色圖像中應(yīng)用這種典型的單色工具，如：邊緣查找和Blob分析。”

   機(jī)器視覺(jué)軟件庫(kù)還能夠通過(guò)為多數(shù)通常工作提供Ready-Written Code來(lái)簡(jiǎn)化色彩檢測(cè)。Euresys的Open eVision系列包括進(jìn)行彩色分析的EasyColor庫(kù)。這些包括有將RGB色彩數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)色彩強(qiáng)度、色調(diào)、飽和度的描述，這些參數(shù)對(duì)一些應(yīng)用很重要。它還可以根據(jù)色彩進(jìn)行圖像分割，糾正彩色平衡以及彩色濾波。

彩色分析可用于對(duì)不同物體進(jìn)行計(jì)數(shù)，如這些糖果。

   大多數(shù)現(xiàn)有的軟件都致力于提高用戶操作系統(tǒng)的便利性，使用戶無(wú)需具備豐富的機(jī)器視覺(jué)專業(yè)知識(shí)就能夠從色彩檢測(cè)中受益。Matrox Imaging的Arnaud Lina說(shuō)：“Matrox開(kāi)發(fā)出了一套軟件工具，能夠集成于Matrox Imaging Library （MIL），MIL是一個(gè)通用成像及視覺(jué)庫(kù)。軟件包含有顏色匹配工具、colourdistance工具和彩色投影。”

   “在通用成像及視覺(jué)包內(nèi)集成彩色工具，是讓開(kāi)發(fā)人員在使用簡(jiǎn)單的通用編程界面進(jìn)行成像應(yīng)用時(shí)，添加上彩色圖像獲取和處理功能。這樣用戶就能夠關(guān)注于彩色檢測(cè)硬件和軟件，而不是開(kāi)發(fā)軟件算法。”

   Matrox的工具包括有彩色數(shù)據(jù)分析，彩色識(shí)別和學(xué)習(xí)，以及類似人類感知能在不同色彩空間內(nèi)運(yùn)作的能力。靈活性是關(guān)鍵。Lina說(shuō)：“我們根據(jù)問(wèn)題的特質(zhì)提供各種策略。”

   未來(lái)

   其他的小革新也能夠簡(jiǎn)化彩色檢測(cè)設(shè)備的維護(hù)。Dalsa近期用車燈上通常采用的染料替代了傳感器上的色彩過(guò)濾器，這可以使其更經(jīng)久耐用。Dalsa的He說(shuō)：“用戶不會(huì)想要在幾個(gè)月中就看到褪色現(xiàn)象。

   技術(shù)很少保持不變，機(jī)器視覺(jué)供應(yīng)商似乎最終將掌握彩色檢測(cè)，他們可能會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，這又會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理提出更高的要求，像是三種色彩（紅、綠、藍(lán)）遠(yuǎn)不夠，大多數(shù)的制造商現(xiàn)在都在研究添加第四或第五種成分——UV和近紅外波長(zhǎng)。

   Basler公司視覺(jué)配件產(chǎn)品部經(jīng)理Joachim Linkemann說(shuō)：“單色信息將很可能發(fā)展為近紅外光。水果和蔬菜上的劃痕在近紅外下都能夠觀測(cè)得到。除RGB外，彩色相機(jī)很可能會(huì)開(kāi)發(fā)出NIR像素。”這可能會(huì)采用相同的像素技術(shù)，但新增的過(guò)濾器可使紅外波也融入所要求的像素。

   Dalsa的Xing-Fei He贊成相機(jī)很可能會(huì)在未來(lái)對(duì)更大范圍內(nèi)的波長(zhǎng)敏感,他說(shuō)：“客戶還會(huì)轉(zhuǎn)向紫外線檢測(cè)。由于電子元件變得越來(lái)越小，我們需要采用更短的波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)它們。我預(yù)計(jì)它將成為一個(gè)重要的市場(chǎng)趨勢(shì)。”

   直到現(xiàn)在，制造商至少能夠從多數(shù)彩色檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展中受益，這些發(fā)展簡(jiǎn)化了操作，費(fèi)效比比從前更高。He預(yù)測(cè)：“我們能看到越來(lái)越多的客戶轉(zhuǎn)向彩色檢測(cè)來(lái)區(qū)分不同的產(chǎn)品。”

   應(yīng)用

彩色分析工具能用于區(qū)別不同特征

   生產(chǎn)線上應(yīng)用的多數(shù)彩色檢測(cè)將會(huì)趨向美感：如:檢測(cè)標(biāo)簽印刷的錯(cuò)誤，或確保一塊布的顏色同特殊的色調(diào)匹配。這些應(yīng)用確實(shí)非常重要，但彩色通常用于檢測(cè)特征，而非美觀與否。

   Matrox Imaging 公司MIL過(guò)程組經(jīng)理Arnaud Lina說(shuō)：“在食品行業(yè)，產(chǎn)品的色彩通常是質(zhì)量的標(biāo)示。彩色處理可用于單個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)估，如：檢測(cè)西紅柿的紅色程度，或測(cè)量一個(gè)包裝內(nèi)各種物品的比例。”

   在紡織工業(yè)，UV檢測(cè)能夠查找出纖維中的雜質(zhì)，而這些無(wú)法用肉眼觀看得到。

   在電子和半導(dǎo)體行業(yè)，彩色可用于區(qū)分同一電路板上的不同元件。Dalsa 公司的Xing-Fei He 說(shuō)：“盡管元器件不再有彩色編碼的必要，彩色仍是用于識(shí)別的一個(gè)方面。”

   在醫(yī)療應(yīng)用中，彩色也非常重要。現(xiàn)在一些公司開(kāi)始生產(chǎn)影像設(shè)備，進(jìn)行腫瘤和痣等樣本的自動(dòng)分析，來(lái)判定病人是否患有惡性皮膚癌。Basler公司視覺(jué)配件產(chǎn)品經(jīng)理Joachim Linkemann說(shuō)：“一個(gè)非常有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生需要通過(guò)樣本來(lái)診斷癌癥，但他們需要具備極其豐富的經(jīng)驗(yàn)。一臺(tái)機(jī)器可以給出更可信的結(jié)果——它不會(huì)出現(xiàn)診斷失誤的時(shí)候。沒(méi)有彩色分析，腫瘤就很難識(shí)別”