Polarización en tiempo real
Uso de cámaras de polarización con preprocesamiento de datos en la cámara
Los conocimientos sobre la luz polarizada permiten reducir los reflejos y los brillos o aumentar el contraste de estructuras finas en el procesamiento industrial de imágenes. Incluso se pueden visualizar las propiedades físicas que hay debajo de la superficie, como las tensiones de un material. Hasta ahora, para determinar la información de polarización se necesitaban 4 tomas secuenciales con distintas orientaciones del filtro de polarización y el procesamiento posterior de los datos en un ordenador. Gracias a la tecnología Polarsens de Sony, ahora basta con una sola captura. Mediante el preprocesamiento de datos adicional los datos en bruto de las cámaras de polarización IDS se convierten en tiempo real a formatos de imagen compatibles para una evaluación o un procesamiento posteriores más efectivos en el ordenador.
¿Qué diferencia a una cámara de polarización IDS de una cámara normal, y qué posibilidades ofrece el preprocesamiento de la información de polarización en la cámara? Para entender la aplicación de estas cámaras especiales se necesita una breve explicación técnica.
Ya sabemos que la luz es una serie de ondas electromagnéticas que contienen toda la información importante para describir las características de la luz visibles para nosotros. Tanto el ojo humano como los sensores de imagen de las cámaras pueden captar la dirección, la intensidad (amplitud) y el color (longitud de onda) de la luz y digitalizarla para el procesamiento imágenes. El rango de longitudes de onda de la luz es sólo una pequeña parte del espectro total de las ondas electromagnéticas.
Luz polarizada
Otra característica que se ha utilizado en el procesamiento de imágenes, principalmente por medio de iluminación especial, filtros de vidrio y ópticas, es la polarización de las ondas. La polarización no describe la dirección de los rayos de luz propiamente dichos, sino la dirección de las amplitudes de onda en la que las partículas de luz (fotones) vibran perpendicularmente a la dirección de propagación. Las ondas de la luz no polarizada vibran en distintas direcciones. Una bombilla o la luz del sol son ejemplos de esto. En cambio, si los fotones se mueven en un solo plano, hablamos de luz polarizada linealmente. Los polarizadores especiales absorben o atenúan la luz incidente que oscila en todos los planos excepto en uno, su eje de polarización, lo que da lugar a una polarización más o menos lineal.
Sobre el efecto de filtros de polarización lineal
El físico francés Étienne Louis Malus demostró en 1808 el efecto sobre la intensidad resultante de una fuente de luz con una intensidad de partida I0 al atravesar un filtro de polarización lineal, un efecto conocido como "ley de Malus" y descrito matemáticamente con la siguiente fórmula: I = I0 . cos²(Φ)
En consecuencia, las ondas de luz que se tuercen en relación con el eje óptico del polarizador no se suelen bloquear, sino que su intensidad se atenúa en función del ángulo y se polarizan en la dirección del filtro. Con frecuencia la descripción del efecto de los polarizadores lineales se presta a confusión. Lamentablemente, el gráfico anterior también es un ejemplo de ello.
¿Qué tienen que ver los reflejos con la polarización?
En las superficies altamente reflectantes, como el vidrio, los rayos de luz pueden desviarse. En función del ángulo de observación del objeto, pueden producirse reflejos no deseados en dirección al observador. La imagen del coche del ejemplo de abajo muestra cómo las ventanas se vuelven opacas debido a estos reflejos, que apenas permiten distinguir los objetos o la persona del habitáculo, y se vuelven casi "invisibles".
Enlace de información: Cómo evitan los filtros polarizadores el brillo y los reflejos
Si se generan reflejos en superficies no metálicas (como en el vidrio del ejemplo), se produce una polarización natural de la luz debido a procesos físicos. Es decir, con un filtro polarizador adecuado, se puede reducir esa proporción de luz polarizada especial y por consiguiente el efecto deslumbrante. La parte no polarizada de la luz, en cambio, aún puede pasar a través del filtro.
Un filtro de polarización puede eliminar los reflejos de la luz de un parabrisas
Pero cuidado: los reflejos de las superficies metálicas no se pueden eliminar solo con un filtro polarizador. En las superficies metálicas la luz no se polariza, solo se refleja. Por esa razón, a pesar de utilizar una cámara de polarización, dependiendo de la aplicación es necesario montar otro filtro de polarización en la lámpara para neutralizar los reflejos perturbadores de la luz.
El uso de luz polarizada (por ejemplo mediante una lámina de filtro polarizador colocada delante de la lámpara) disminuye más la generación de reflejos en las superficies. Por eso ciertas pantallas de ordenador (sin función táctil) se equipan con una lámina "antirreflectante". Aunque la intensidad de la luz disminuye con un ángulo de visión estrecho, no se crean reflejos. Si se mira casi en paralelo a estas pantallas, parece que sean oscuras.
Importancia de la polarización para el procesamiento de imágenes
Para la mera percepción o la digitalización de la luz, técnicamente es indiferente si la luz es polarizada o no polarizada. En el procesamiento de imágenes digital, la iluminación de una escena lo es todo para hacer visibles determinadas características. No obstante, todo aquél que lo haya probado, conoce los pros y los contras de captar imágenes con iluminación. La aparición de sombras no deseadas se puede contrarrestar más o menos fácilmente añadiendo o intensificando la iluminación desde otros ángulos Utilizando discos difusores se consigue una iluminación homogénea de la escena. Pero cuando se trabaja con luz siempre hay que lidiar con superposiciones y reflejos no deseados que a menudo ocultan características importantes. Si un reflejo impide obtener una información, como en el caso de que el rostro de un conductor de automóvil quede eclipsado por el reflejo en el parabrisas, una vez capturada la imagen, no existe la posibilidad de restituirla con ningún sistema de procesamiento de imágenes. Precisamente en el procesamiento industrial de imágenes se trabaja a menudo con luz difusa para reducir en lo posible las interferencias. En función de la aplicación, una iluminación óptima puede ir asociada a un coste muy elevado.
Y es que no siempre más es mejor, ni tampoco adecuado. En el caso de la luz, también se puede hacer visible lo importante filtrando específicamente los elementos que interfieren. El conocimiento sobre la luz polarizada, sobre cómo se genera y cómo se puede influir en ella, ayuda a encontrar soluciones a este respecto. Así, en el procesamiento industrial de imágenes, se utilizan filtros de polarización para reducir reflejos o brillos, pero también para aumentar el contraste. También en el sector de la fotoelasticidad son de ayuda para visualizar características físicas bajo la superficie.
Las ventajas de la polarización
Dado que la luz puede polarizarse no solo por las características superficiales, sino también por otras propiedades físicas, como el esfuerzo mecánico o la refracción de la luz, también se pueden hacer visibles características o defectos de los objetos que no pueden ser detectados por sensores de imagen normales.
Hacer visible lo invisible
Los defectos de material o las características de los objetos que se intentan detectar no siempre se hacen visibles añadiendo más luz o eliminando interferencias. En el siguiente ejemplo parece que el contenido que nos interesa se haya iluminado más o se haya aumentado su intensidad luminosa. Pero no es así. Los reflejos de la luz en las manchas y los arañazos hacen que la luz se polarice.
Con ayuda del grado de polarización se hacen visibles las manchas y los arañazos durante la inspección del cristal
Las huellas dactilares y los arañazos se pueden ver claramente solo por la visualización del "grado de polarización"; los rayos de luz polarizada se reconocen más claramente que la luz no polarizada. Pero los sensores de cámara normales no registran la polarización de la luz. Esto hace que la información se pierda al hacer la toma. No se podrá aplicar una visualización ni tampoco una corrección de polarización posterior mediante el procesamiento de imágenes, dado que incluso en un archivo RAW ya no se podrá reconocer dónde se ha registrado luz ni el ángulo o el grado de polarización con el que se ha hecho.
Para calcular una imagen de este tipo es necesario registrar la polarización de la luz de esa escena. Esto permitirá editar posteriormente una imagen ya digitalizada o hacer visibles características previamente "invisibles". Esta cuantificación de la polarización es muy fácil de hacer por ejemplo con la tecnología Polarsens de Sony. Es decir, con cámaras como nuestra GV-5080CP-P (GigE Vision) o la U3-3080CP-P (USB3 Vision), que incorporan el sensor Sony Mono Polarsens IMX250MZR, se puede registrar la información de polarización con una sola imagen.
Cámara IDS con polarizador lineal de 4 direcciones
Las cámaras de polarización IDS con el sensor Sony Mono Polarsens IMX250MZR están disponibles en las variantes GigE Vision y USB3 Vision.
Pueden descargarse las fichas técnicas de
- U3-3080CP-P-GL Rev.2
- GV-5080CP-P-GL
en nuestra página web.
Basta una sola imagen para registrar la información de polarización junto con el contenido de la imagen. No son necesarios accesorios especiales, como una fuente de luz polarizada o un filtro de polarización. Lo hace posible el innovador diseño del sensor de Sony.
Mediante el principio de filtros de polarización lineales, el "polarizador de cuatro direcciones" situado entre el fotodiodo y la microlente genera una imagen en bruto del sensor con cuatro direcciones de polarización (0°, 45°, 90° o 135°) en una sola captura. En cada ángulo del filtro de polarización se mide una intensidad distinta. Cada grupo de cuatro píxeles adyacentes en un clúster de 2x2 crea con sus cuatro filtros de polarización una "unidad de cálculo". De ese modo los 5 Megapíxeles reales del sensor se reparten en 4 imágenes más pequeñas para cada ángulo de polarización, si bien su contenido refleja el mismo momento. Esto hace que la cámara disponga de los datos de partida óptimos para el cálculo de la información de polarización en cada una de las capturas.
Las cuatro imágenes se generan con 1,26 MP, con un brillo y una resolución reducidos, lo que puede dar lugar a un fuerte ruido de los valores resultantes durante los cálculos de polarización posteriores en la zona límite. Por consiguiente, a la hora de hacer las capturas debe garantizarse una iluminación adecuada y suficiente.
El cálculo matemático del estado de polarización de cada sensor tiene como base la unidad vector stoke. Con ayuda de sus 4 componentes se pueden determinar el grado y el ángulo de polarización a partir de las cuatro intensidades de luz medidas.
Polarización en la cámara
Las cámaras industriales proporcionan las imágenes para el procesamiento digital. Aunque el formato en bruto de un sensor de imagen ofrezca muchas posibilidades para el procesamiento posterior de la imagen, no es indicado por ejemplo para la inspección visual directa. Con un procesamiento previo podrían calcularse directamente resultados importantes que se necesitan con frecuencia. Esto permite ahorrar tiempo y carga de trabajo al ordenador. Por lo tanto, en combinación con la tecnología Polarsens de Sony, se obtienen otros formatos de imagen útiles además del formato en bruto del sensor, que pueden proporcionar datos de salida óptimos para el procesamiento de imágenes en el ordenador.
A partir de la versión 2.4 del firmware, las cámaras de polarización uEye CP pueden determinar por sí solas la dirección y el grado de la luz polarizada mediante el preprocesamiento de píxeles con la adquisición de una sola imagen utilizando los datos de la imagen en bruto del "polarizador de cuatro direcciones". Esto permite calcular y visualizar la nueva información de la imagen con los datos de polarización, por ejemplo para hacer visible un contraste. Con componentes de imagen predefinidos y seleccionables el usuario puede, por ejemplo, filtrar los reflejos de luz perturbadores directamente de los datos en bruto del sensor o hacer visibles las características de los objetos reflectantes en una oscuridad casi completa, incluso antes de que la imagen se transmita al ordenador ¡y con sólo un clic!
Ventajas del "preprocesamiento de datos en la cámara"
- It's so easy - Facilita el trabajo del procesador de imágenes, que ya recibe de la cámara los datos óptimos para el procesamiento posterior.
- Eficiencia - Ahorra recursos del ordenador. La cámara y el ordenador se reparten el trabajo.
- Compatible con Vision - Los datos de la cámara están disponibles para todo tipo de aplicaciones con el estándar Vision sin necesidad de utilizar un software especial.
Formatos de imagen específicos para una aplicación
Para las aplicaciones más importantes se ofrecen 8 formatos de imagen a elegir que se calculan en tiempo real en la FPGA de la cámara.
Raw
Formato de imagen: 8 bits mono, 2448 x 2048 píxeles (resolución total del sensor)
En el modo Raw, la cámara proporciona los datos del sensor sin preprocesamiento en la resolución completa de 5 MP como imagen de escala de grises de 8 bits. Con los valores de intensidad de los filtros de píxeles de distinta polarización, se pueden determinar tanto el ángulo como el grado de polarización de la luz polarizada linealmente. El formato de datos Raw es, por lo tanto, la base de las evaluaciones y cálculos propios del ordenador en las aplicaciones de los clientes.
Intensity
Formato de imagen: 8 bits mono, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor)
"Intensity" es el valor medio (m) de las cuatro intensidades de luz medidas después de atravesar el "polarizador de cuatro direcciones" con los cuatro ángulos 0°, 45°, 90° o 135°. Se calcula con m = (I_0° + I_45° + I_90° + I_135°) / 4
El formato de imagen representa el brillo sin información de polarización de la luz. Por lo tanto, es lo más parecido al valor de intensidad que registraría un sensor de imagen mono normal.
IntensityNonPolarized
Formato de imagen: 8 bits mono, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor)
Este valor de intensidad (I_min) corresponde solo a la proporción de la luz no polarizada de la imagen. La proporción polarizada de la luz se calcula con la fórmula I_min = m * (1 - DoP). Con este formato de imagen ya se reducen eficazmente los reflejos de la luz.
IntensityOnlyPolarized
Formato de imagen: 8 bits mono, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor)
Esta imagen de escala de grises (I_amp) contiene solo la proporción polarizada de la luz. Se calcula con la fórmula I_amp = I_max - I_min. Las zonas sin luz polarizada serán más oscuras. El brillo actual de los distintos píxeles está totalmente integrado en la imagen. Los cambios de exposición influyen en la visualización. Esto diferencia el modo del grado de polarización (DoP), dado que aquí se entregan los valores absolutos y no las proporciones relativas.
DegreeOfPolarization (DoP)
Formato de imagen: 8 bits mono, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor)
El grado de polarización indica el porcentaje de luz polarizada en relación con la intensidad total. Debido a los valores relativos, el cálculo del DoP sólo se ve afectado ligeramente por los cambios de exposición siempre que no se produzca ningún recorte.
- Cuanto mayor sea el grado de polarización, mejor serán los ángulos determinados para los cálculos y análisis posteriores.
- Si los valores del DoP son demasiado bajos la información sobre la polarización será inservible para los análisis. Existe mucho ruido en la información de la imagen.
En las aplicaciones con luz polarizada, el DoP es un valor importante para la calidad de los resultados y una buena medida para calificar las condiciones de iluminación correctas de una escena.
PolarizationAngle
Formato de imagen: 8 bits mono, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor)
Este modo de imagen presenta todos los ángulos de polarización calculados (1 ángulo por "polarizador de cuatro direcciones" con 2x2 píxeles) como una imagen de escala de grises. Los ángulos están escalados internamente para que salgan en el rango de 0-180°. Por consiguiente no aparecen valores de salida negativos.
En las zonas con muy poca luz polarizada los resultados de los ángulos varían mucho, ya que la información de los ángulos de los "polarizadores de cuatro direcciones" no se puede extraer claramente debido al ruido. Con frecuencia esto imposibilita el cálculo estable de los ángulos.
Cuando se utilizan los ángulos de polarización calculados en una aplicación, se recomienda realizar una cualificación previa a través del grado de polarización (DoP).
Combinación de la información del ángulo y del grado de polarización
Con ayuda del modelo de color HSV, la cámara puede generar un formato combinado con más de una información. Combinando por ejemplo el ángulo y el grado de la polarización en una imagen, los resultados se pueden interpretar especialmente bien. Esto también genera una presentación de falso color que hace visible la relación entre los diferentes parámetros.
Especialmente si la información de los ángulos no puede ser extraída limpiamente debido al ruido porque existe muy poca luz polarizada, los resultados no suelen servir para un procesamiento posterior representativo. En este caso un formato combinado, además del valor del ángulo, proporciona una medida para la validación en la misma imagen.
IDSHeatMap
Formato de imagen: 24 bits RGB, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor), basado en HSV (H = ángulo, V = DoP, S = 100%)
En este formato se combina el ángulo de polarización determinado con el grado de polarización. El brillo de la imagen resultante se escala mediante el DoP. Con esto las zonas oscuras indican que la información de ángulo no es fiable, dado que la proporción polarizada es muy pequeña y por consiguiente el cálculo del ángulo puede ser inexacto. En cambio, en las zonas claras existe una proporción polarizada muy amplia y el ángulo se puede determinar de forma fiable.
IDSColorMap
Formato de imagen: 24 bits RGB, 1216 x 1024 píxeles (1/4 de la resolución del sensor), basado en HSV (H = ángulo, V = abs (mono - DoP), S = DoP)
En este formato también se combinan el ángulo de polarización determinado con el grado de polarización. Sin embargo, aquí la imagen de escala de grises se incluye en el cálculo. La luminosidad corresponde a la diferencia entre la imagen de escala de grises y el DoP. Esto hace que la imagen sea más clara en su conjunto debido a las zonas luminosas de la imagen mono y a un alto DoP. Solo las zonas en las que no existe información de luminosidad ni de DoP se muestran oscuras o negras. Además, el DoP se utiliza como saturación. Por lo tanto, los colores intensos indican una alta proporción de luz polarizada en esa área de la imagen.
Configuración mediante el IDS Vision Cockpit
Los formatos de imagen de las cámaras de polarización IDS se pueden configurar y utilizar con cualquier software compatible con GenICam. Explicamos la configuración de los parámetros de la cámara con la ayuda del IDS Vision Cockpit, que puede instalar con nuestro kit de desarrollo de software IDS peak. Los formatos de imagen se pueden encontrar como componentes de imagen activables individualmente en el nodo ImageFormatControl. Si ha abierto su cámara con el firmware 2.4, puede encontrar los ajustes introduciendo "Componente" en el campo de búsqueda.
Puede activar los formatos de imagen con el IDS Vision Cockpit del siguiente modo:
- Desactivar captura de imagen
- Seleccionar el formato de imagen deseado con el "Component Selector"
- Activar el formato de imagen con "Component Enable"
- Reiniciar captura de imagen
La cámara cambia automáticamente al formato de imagen necesario (p. ej. "8 Bit Mono" o "24 bits RGB").
Programación con IDS peak
Para usar los nuevos formatos de imagen en su propia aplicación sólo son necesarias unas pocas líneas de código. Los siguientes bloques de código muestran la programación de los formatos de imagen con IDS peak en el lenguaje de programación C#.
Consultar todos los componentes de imagen disponibles
var imageComponentsNode = nodeMapRemoteDevice.FindNode<peak.core.nodes.EnumerationNode>("ComponentSelector");
var availableImageComponents = imageComponentsNode.Entries();
foreach (var entry in availableImageComponents)
{
display(entry.StringValue());
}Consultar el componente de imagen activo actualmente
var activeImageComponent = "";
foreach (var entry in availableImageComponents)
{
imageComponentsNode.SetCurrentEntry(entry);
if (nodeMapRemoteDevice.FindNode<peak.core.nodes.BooleanNode>("ComponentEnable").Value() == true)
{
activeImageComponent = entry.StringValue();
}
}
display(activeImageComponent);Selección y activación de un componente de imagen
imageComponentsNode.SetCurrentEntry("IDSHeatMap");
nodeMapRemoteDevice.FindNode<peak.core.nodes.BooleanNode>("ComponentEnable").SetValue(true);Resumen
La polarización es una propiedad de la luz que permite reconocer las características de los objetos que son invisibles al ojo humano y también a los sensores de imagen "normales". Esto la convierte en una herramienta importante para el procesamiento de imágenes digital en aplicaciones con superficies reflectantes o transparentes. Con el sensor SONY IMX250MZR y el preprocesamiento de píxeles en la cámara, las cámaras de polarización IDS pueden determinar toda la información de polarización necesaria de la escena con una sola captura de imagen y proporcionar esta información en diferentes formatos de píxeles al ordenador para su posterior procesamiento o su evaluación directa.
Los algoritmos acelerados por FPGA hacen que las cámaras sean más que meros proveedores de datos de los sensores. Proporcionan evaluaciones útiles en tiempo real que pueden ser utilizadas por cualquier aplicación compatible con GenICam a través de la interfaz GigE o USB3 Vision. Las cámaras de polarización IDS se convierten así en parte del procesamiento de imágenes y reducen la carga de trabajo del ordenador.
Compruebe lo fácil que es hacer visibles las características de un objeto con un solo clic antes de que la imagen se transfiera al ordenador.