Nella visione artificiale eimaging industriale, La gamma dinamica è uno degli indicatori di prestazione principali che influiscono sulla qualità dell'immagine. Descrive la capacità di un'immagine di visualizzare simultaneamente i dettagli sia nelle aree luminose che in quelle scure.
Quando la gamma dinamica di una fotocamera è insufficiente, le immagini spesso soffrono di sovraesposizione nelle aree luminose e di completa oscurità nelle aree scure, con conseguente perdita di dettagli e un grave impatto sull'accuratezza del rilevamento e sulla precisione del riconoscimento dell'algoritmo. Pertanto, l'introduzione della tecnologia HDR (High Dynamic Range) ha portato effetti di immagine più realistici, più chiari e più dettagliati nei sistemi di visione industriale.
Cos'è la tecnologia HDR?
La tecnologia HDR ottimizza le diverse aree di luminosità durante il processo di imaging, consentendo alle immagini di conservare ricche gradazioni tonali e dettagli anche in scene complesse con luci e ombre.
È ampiamente utilizzato nelle ispezioni industriali, nella guida autonoma, nel monitoraggio del traffico, nell'imaging medico e in altri campi, soprattutto in ambienti ad alto-contrasto con drastici cambiamenti di illuminazione o metalli riflettenti, dove i vantaggi dell'imaging HDR sono particolarmente evidenti.
Attualmente, i metodi comuni di implementazione dell'HDR nelle fotocamere industriali includono principalmente: HDR a-frame singolo, HDR a doppio-guadagno e HDR a-frame multipli.
HDR a-fotogramma singolo
L'HDR a- fotogramma singolo si riferisce a una tecnologia che acquisisce simultaneamente informazioni sia dalle aree luminose che da quelle scure in un'unica esposizione. Il sistema registra i segnali luminosi provenienti da diverse aree di luminosità all'interno dello stesso fotogramma e li fonde utilizzando algoritmi per generare un'immagine ad alta gamma dinamica.
Vantaggi:
Richiede una sola esposizione, eliminando la necessità della fusione di più-fotogrammi;
Evita efficacemente problemi quali il disallineamento dei contenuti e il motion blur che si verificano nelle soluzioni HDR multi-frame;
Velocità di imaging elevata, adatta per scene dinamiche.
Svantaggi:
La maggior parte delle tecnologie HDR-a fotogramma singolo sacrifica parte della risoluzione spaziale;
Richiede algoritmi di elaborazione delle immagini più sofisticati.
Questa tecnologia è particolarmente-adatta per applicazioni industriali ad-tempo-reale elevato come il rilevamento ad alta-velocità e l'imaging di bersagli in movimento.
HDR a doppio guadagno
Nei sensori di immagine CMOS, la luminosità del segnale può essere migliorata attraverso la regolazione del guadagno (come guadagno analogico e guadagno digitale).
La tecnologia Dual Gain HDR si basa su questo principio e consente di ottenere una gamma dinamica più ampia utilizzando canali di guadagno diversi in diverse condizioni di esposizione.
Attualmente, due metodi comuni a doppio guadagno includono:
DCG (Dual Conversion Gain): raggiungimento del doppio guadagno di conversione a livello di pixel;
DGA (Dual Gain Amplifier): ottenere un guadagno di doppia amplificazione nel circuito di lettura.
Questo approccio può migliorare i dettagli nelle aree luminose riducendo al contempo il rumore nelle aree scure, consentendo alla fotocamera di mantenere un contrasto elevato e un'uscita a basso rumore anche in condizioni di illuminazione complesse.
Pertanto, la tecnologia HDR a doppio guadagno è ampiamente utilizzata in scenari ad alta gamma dinamica come l'ispezione di semiconduttori, l'ispezione di superfici metalliche riflettenti e il monitoraggio del traffico esterno.
HDR multi-fotogramma
Multi-frame HDR (Multi-frame HDR) raggiunge una gamma dinamica più ampia acquisendo più fotogrammi con tempi di esposizione diversi e fondendoli in un algoritmo backend.
Rispetto all'HDR a-frame singolo, l'HDR a-frame multipli non perde la risoluzione spaziale ma soffre di una diminuzione della risoluzione temporale.
Le comuni implementazioni multi-frame includono:
HDR-basato su frame
Ciò comporta l'acquisizione di un fotogramma di esposizione lungo- seguito da un fotogramma di esposizione-breve, quindi la loro fusione utilizzando un ISP (Image Signal Processing) per generare un'immagine HDR.
Svantaggi: a causa della differenza di tempo tra i due fotogrammi, è probabile che si verifichino motion blur o cali di frequenza dei fotogrammi.
Vantaggi:
Preserva dettagli ricchi e produce transizioni naturali tra aree chiare e scure;
Alta qualità dell'immagine, adatta per scenari di rilevamento statico.
Svantaggi:
Non efficace per spostare bersagli;
Una latenza di elaborazione più elevata limita le prestazioni-in tempo reale.
L'applicazione della tecnologia HDR consenteTelecamere industrialiper superare i limiti fisici dell’imaging tradizionale, portando informazioni sull’immagine più realistiche e accurate alla visione artificiale. Dalla produzione elettronica alla guida autonoma, dal rilevamento dei difetti superficiali ai sistemi di smistamento automatizzati, l'HDR sta diventando una tecnologia chiave per migliorare l'affidabilità e l'intelligenza dell'ispezione visiva.
In futuro, con il continuo miglioramento delle prestazioni del sensore di immagine e l’ottimizzazione degli algoritmi, l’HDR non sarà solo un parametro funzionale delle telecamere industriali, ma anche un vantaggio competitivo fondamentale dei sistemi di imaging intelligenti.
