短波紅外成像增強(qiáng)機(jī)器視覺(jué)功能

光源選擇是實(shí)現(xiàn)成功的短波紅外成像應(yīng)用的關(guān)鍵。

大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)和圖像處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，已經(jīng)廣泛使用工作在可見(jiàn)光波段的相機(jī)用于質(zhì)量控制、過(guò)程控制或是那些需要區(qū)分物體的應(yīng)用中。傳統(tǒng)的可見(jiàn)光成像使用寬帶白光照明，其允許相機(jī)看到所有可見(jiàn)的顏色。為了更有效地觀察某些顏色，開(kāi)發(fā)者還可以選擇特定波長(zhǎng)的照明光，例如紅光、藍(lán)光或綠光。

對(duì)于這類可見(jiàn)光波段的應(yīng)用，面向機(jī)器視覺(jué)和圖像處理應(yīng)用的照明系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，已經(jīng)做了很多出色的工作，因此目前市場(chǎng)上存在很多各種形式和各種顏色的商用照明產(chǎn)品供用戶選擇。然而，隨著開(kāi)發(fā)人員轉(zhuǎn)向非可見(jiàn)光波段的成像方法，照明隨之成為了一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的命題。

超越可見(jiàn)光波段的成像短波紅外（SWIR）波段（在此定義為750~2600nm）就是一個(gè)非可見(jiàn)光波段。很多在可見(jiàn)光照明下看起來(lái)非常相似的材料，在SWIR光的照射下看起來(lái)會(huì)非常不同。圖1中顯示了四種不同的液體——水、丙酮、三氯乙烯和異丙醇。在可見(jiàn)光照明下，這四種液體都是無(wú)色透明的；但是在SWIR寬帶光照射下成像時(shí)，這四種液體卻顯示出了不同的顏色。

在可見(jiàn)光波段，今天的硅芯片相機(jī)可以在大約400~1050nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)成像，剛剛超出可見(jiàn)光波段進(jìn)入近紅外（NIR）波段，成像使用現(xiàn)成的照明光源，波長(zhǎng)為850nm和950nm。然而，用反射光實(shí)現(xiàn)超出該波段的成像，則需要其他成像探測(cè)器材料的相機(jī)，如砷化銦鎵（InGaAs）、碲鎘汞或銻化銦（Indium Antimonide）相機(jī)。

由于不同的原子結(jié)構(gòu)在SWIR波段的反射特性有所不同，因此非制冷InGaAs相機(jī)提供了一種在400~1700nm波段成像的簡(jiǎn)單方法，可以輕松區(qū)分在可見(jiàn)光波段看起來(lái)相似的許多材料。圖2顯示了多個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂材料，在可見(jiàn)光波段，它們看起來(lái)或透明、黑暗、明亮，或與基底顏色相似。然而，在SWIR波段，它們看起來(lái)卻彼此不同，特別是相對(duì)于基底的顏色。

波長(zhǎng)是溫度的函數(shù)成像可以通過(guò)反射來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種情況下物體被外部光源照亮；或者如果物體足夠熱，也可以通過(guò)測(cè)量物體的發(fā)射光來(lái)實(shí)現(xiàn)成像。當(dāng)物體被照亮?xí)r，物體將來(lái)自外部光源的光子反射給相機(jī)。外部光源的照射角度、光源的波長(zhǎng)及其成分，將直接影響物體的反射特性?；蛘哒f(shuō)，物體在所有波長(zhǎng)光的照射下都會(huì)發(fā)光，但是其發(fā)光量取決于物體的溫度。黑體被認(rèn)為是一個(gè)理想的輻射體。

SWIR熱成像圖3給出了不同溫度的黑體的波長(zhǎng)與發(fā)射光之間的曲線圖。由于所有的物體都不是理想黑體，因此物體的發(fā)光量因輻射系數(shù)而不同，輻射系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)。

圖3不同溫度下物體的黑體輻射與波長(zhǎng)的關(guān)系

隨著溫度的升高，光輻射變強(qiáng)，波長(zhǎng)峰值輻射移向更短的波長(zhǎng)。由于輻射系數(shù)是波長(zhǎng)和物體的物理屬性的函數(shù)，因此當(dāng)一個(gè)物體（如煤）發(fā)射出紅光時(shí)，這個(gè)物體顯然很熱，不能去觸摸。如圖3所示，一個(gè)500℃的理想黑體在700~750nm的紅光波段發(fā)射足夠的能量，能被人眼看到。當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，盡管物體可能仍然太熱而不能觸摸，但是人眼已經(jīng)看不到紅光，因?yàn)榧t光發(fā)射與輻射系數(shù)組合，致使發(fā)光量太低而無(wú)法顯示出紅色。使用探測(cè)范圍超過(guò)750nm波長(zhǎng)的紅外相機(jī)，可以輕松實(shí)現(xiàn)熱物體探測(cè)。
通常，這是通過(guò)長(zhǎng)波紅外（LWIR）或中波紅外（MWIR）相機(jī)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然也可以使用SWIR相機(jī)實(shí)現(xiàn)，具體取決于物體的溫度。例如，圖4是在SWIR波段發(fā)光的烙鐵。當(dāng)溫度大約為250℃時(shí)，烙鐵發(fā)出的光足以照亮位于黑暗房間里的人，實(shí)際上它相當(dāng)于SWIR波段的一個(gè)燈泡。實(shí)現(xiàn)SWIR熱成像的溫度范圍通常為100~2000℃，具體取決于實(shí)際應(yīng)用。低于300℃或在充裕的日光下，MWIR或LWIR熱相機(jī)可以輕松地探測(cè)到熱物體；在室內(nèi)或是物體非常熱的情況下，SWIR熱相機(jī)的表現(xiàn)更出色。

在可見(jiàn)光波段，需要外部光源照射物體，才能使物體足夠熱以發(fā)射出可見(jiàn)光相機(jī)探測(cè)所需要的光子數(shù)量。在成像期間，外部光源發(fā)射的光子，或被物體反射，或被物體吸收。使用不同顏色的外部光源照射物體，物體顯示為亮或暗，亮暗程度取決于物體對(duì)照明光的反射量。在燈泡中，燈絲被加熱到約2800K的高溫，并在可見(jiàn)光范圍內(nèi)發(fā)射許多光子，從而可以使人們看到房間內(nèi)的物體。圖3中分別顯示了太陽(yáng)和燈泡的黑體輻射曲線以及發(fā)光量。

圖4 本文作者處在黑暗的房間里，用烙鐵提供0.9~1.7μm的SWIR光

烙鐵的溫度低于300℃，SWIR光照射下的頭發(fā)和皮膚，都與可見(jiàn)光照射下的情況不同。雖然燈泡具有與太陽(yáng)類似的發(fā)光曲線，但是其溫度較低，因此在任何給定的波長(zhǎng)處產(chǎn)生的整體發(fā)光量較少。更重要的是，燈泡在紅光波段比在藍(lán)光和綠光波段，產(chǎn)生更多的光子。這就是為什么物體在室內(nèi)會(huì)比在太陽(yáng)光照亮?xí)r顯得更紅，因?yàn)樵谔?yáng)和燈泡發(fā)射的光譜中，紅光光子與藍(lán)光或綠光光子的比例是非常不同的。這就是為什么物體在室內(nèi)看起來(lái)與室外不同的原因，因?yàn)闊襞莸陌l(fā)射光譜與太陽(yáng)不同，所以物體反射的光量也不同。

白熾燈泡（如功率60W的產(chǎn)品）可能將不再使用，大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)照明將由發(fā)光二極管（LED）提供。LED是半導(dǎo)體器件，能夠發(fā)射特定波長(zhǎng)的光，或者說(shuō)其發(fā)射光譜范圍較窄的光，通常在特定波長(zhǎng)周圍±50nm（許多高端LED為±15nm）的范圍內(nèi)。

在可見(jiàn)光區(qū)域，已經(jīng)有許多類型的LED能為場(chǎng)景需求提供正確的顏色照明。用于機(jī)器視覺(jué)的光源，通常要指定顏色或色溫（如6000K的紅光、綠光、藍(lán)光或白光等）。6000K白光勒克斯或照度用來(lái)表征光的亮度，或者說(shuō)是一個(gè)白光可見(jiàn)光源發(fā)出多少光子。對(duì)于單色或多色LED光源，光用單位mW/cm2來(lái)表征，勒克斯是白光的度量單位。通過(guò)組合多種LED顏色，可以模擬白光或各種色溫的光。圖5是由Metaphase Technologies公司提供的6000K白光的光譜。這是在可見(jiàn)光波段模擬6000K黑體，非常有效。

圖5 各種Metaphase LED白光源的波長(zhǎng)輸出

LED試圖通過(guò)改變峰值波長(zhǎng)來(lái)在這些溫度下模擬黑體。然而，對(duì)于新一代SWIR機(jī)器視覺(jué)相機(jī)來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光LED照明是完全無(wú)效的。根據(jù)所使用的圖像傳感器類型，SWIR相機(jī)的靈敏度范圍通常為400~1700nm或1000~2600nm。過(guò)去，6000K黑體可以作為這些相機(jī)的非常有效的寬帶光源，但是今天的白光LED光源通常不會(huì)提供超過(guò)785nm的任何光線輸出。機(jī)器視覺(jué)照明行業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了近紅外光源，通常使用波長(zhǎng)為950nm或850nm的LED，成像已經(jīng)超出可見(jiàn)光范圍。但是，這些光源僅限定在一個(gè)或兩個(gè)波長(zhǎng)。
這些紅外光源，能夠使基于硅的可見(jiàn)光相機(jī)的成像范圍超出可見(jiàn)光到達(dá)近紅外范圍。然而，為了使成像范圍超出NIR達(dá)到SWIR范圍，需要比現(xiàn)有可見(jiàn)光LED發(fā)射更長(zhǎng)波長(zhǎng)的新光源。用InGaAs圖像傳感器制造的新型低成本SWIR線掃相機(jī)，其感光范圍為400~1700nm，跨越可見(jiàn)光波段和SWIR光。如前所述，白熾燈可為這些相機(jī)提供照明，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是黑體源，根據(jù)所用包裹燈泡的玻璃的不同，白熾燈的發(fā)光波長(zhǎng)范圍400~2500nm以上的范圍。

然而，由于市場(chǎng)已經(jīng)傾向于LED光源，大多數(shù)光源的波長(zhǎng)都是特定的，通常波長(zhǎng)帶寬為±50nm。雖然人們可以將這些白光可見(jiàn)LED光源視為可見(jiàn)光譜中的寬帶，但是由于它們是許多LED顏色的組合，所以在NIR和SWIR波段它們很可能不是寬帶。

現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)有一些商用的Vis-SWIR探測(cè)器系統(tǒng)，如普林斯頓紅外技術(shù)公司（Princeton Infrared Technologies）的LineCam12。在光源選擇方面，必須考慮超出通常紅、綠、藍(lán)、紫外線和近紅外光源，波長(zhǎng)為850nm或950nm。

VIS-SWIR寬帶光譜

現(xiàn)在SWIR中的新型LED照明器，使得指定這些紅外波長(zhǎng)更加簡(jiǎn)單。例如，Metaphase最近開(kāi)發(fā)了處于這個(gè)范圍內(nèi)的幾款SWIR LED光源，這些光源可以組合成各種SWIR顏色組合，或創(chuàng)建Vis-SWIR寬帶光譜。在SWIR中，一些成像條件可能不一定需要寬帶光源，這里的目標(biāo)是確定被檢測(cè)物體的特定反射或吸收屬性，而不是像在可見(jiàn)光波段那樣需要一個(gè)寬帶光源，例如比較一幅圖像中的綠色和紅色。

圖6 用可見(jiàn)光相機(jī)和SWIR相機(jī)對(duì)咖啡豆、巖石和棍子成像，光源波長(zhǎng)1450nm。這些物體都是棕色的，可見(jiàn)光成像很難區(qū)分，但是在SWIR成像中卻很容易區(qū)分，因?yàn)檫@時(shí)咖啡豆的反射性非常強(qiáng)。

相反，通過(guò)使用特定波長(zhǎng)的光源，在SWIR成像中物體A可以很容易地與物體B區(qū)分開(kāi)，即使它們?cè)诳梢?jiàn)光波段中可能呈現(xiàn)相同的顏色。例如，物體中的水分含量清楚地展示了這種現(xiàn)象。圖1顯示，水在SWIR波段特別是大約1400nm處吸收特別強(qiáng)。在圖6中，在SWIR波段，咖啡豆很容易與巖石和木材區(qū)分開(kāi)來(lái)。在黑色背景下，用可見(jiàn)光相機(jī)將咖啡豆、巖石和樹(shù)枝區(qū)分開(kāi)來(lái)非常困難，因?yàn)樗鼈兌际亲厣摹?/p>

在1400nm的SWIR波段（使用Metaphase 1450nm Peak SWIR光源），很容易看到咖啡豆，因?yàn)樗鼈兎浅７垂猓鴰r石和樹(shù)枝不是很反光，所以看起來(lái)是黑的。各種物體的材料，都對(duì)光具有獨(dú)特的吸收性和反射性，使用SWIR成像區(qū)別物體比可見(jiàn)光成像更加清晰。同樣，這（光譜獨(dú)特的對(duì)比區(qū)分）在很多濕度和/或干燥度很重要的應(yīng)用中，也是非常有用的。

結(jié)論

SWIR中的光源選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)成功的成像解決方案至關(guān)重要。SWIR波段可以分辨和檢測(cè)肉眼看不見(jiàn)的缺陷。為了對(duì)指定特征成像，開(kāi)發(fā)人員必須了解如何選擇正確的光源。標(biāo)準(zhǔn)的可見(jiàn)光LED將失效，因此理解圖像中正在分析的材料的反射屬性非常重要。這有助于選擇正確的光源和相機(jī)，從而簡(jiǎn)化機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，并消除對(duì)可見(jiàn)光波段昂貴且密集的處理算法的需求。