通过传感器偏振节省时间和精力

为什么采用传感器偏振？

许多视觉系统都试图克服玻璃、塑料和金属等反光表面产生的动态或多余光线、反射、朦胧和眩光影响。Blackfly S 机器视觉摄像头具有 Sony 的传感器偏振和 Spinnaker SDK 内置的防眩光功能，提供便于实施、轻量化且可靠的解决方案，以应对这种充满挑战的情况。Blackfly S 摄像头对曝光、增益、白平衡和颜色校正进行精确动态控制，以传感器偏振方式在单帧图像中从四个角度捕获光线，可显著降低系统复杂度和应用设计。

当前的系统依靠偏光分束镜后的多摄像头和滤光器，或配备一个旋转滤光器或一个非常复杂、慢速旋转的大滤光轮的单摄像头。通过同时传感整个传感器的所有偏振光的角度和强度，配备偏振传感器的 Blackfly S 摄像头与现有的解决方案相比，增加了速度，减小了体积、复杂度和耗电量。

支持的摄像头型号：

Blackfly S GigE 摄像头，带传感器偏振

BFS-PGE-123S6P-C：1230 万像素，10 FPS，Sony IMX253MZR，偏振

BFS-PGE-51S5P-C：500 万像素，24 FPS，Sony IMX250MZR，偏振-单色

BFS-PGE-51S5PC-C：500 万像素，24 FPS，Sony IMX250MYR，偏振-RGB

Blackfly S USB3 摄像头，带传感器偏振

BFS-U3-51S5PC-C：500 万像素，75 FPS，Sony IMX250MYR，偏振-RGB

BFS-U3-51S5P-C：500 万像素，75 FPS，Sony IMX250MZR，偏振-单色

摄像头偏振的应用：

无人机系统 (UAS)

UAS 或无人机等通常在室外不受控制的照明条件下运行。Blackfly S 提供四组偏振图像，偏振角分别为 90°、45°、135° 和 0°，以根据照明条件的变化，以及 UAS 的相对运动和方向做出补偿。Blackfly S 通过向应用工程师提供每帧 4 组偏振图像，减少了系统的复杂度、有效载荷重量和故障点，同时改善了在挑战性照明条件下的图像质量和决策时间。

智能交通系统 (ITS)

鉴于户外照明条件全天都在变化，对于 ITS 应用（如透过反光的挡风玻璃对安全带或移动设备违规行为拍照）而言，采用偏振滤光器设置很有挑战性。有些系统通过多摄像头/滤光器设置克服了这一难题，但这样做既提高了硬件和维护成本，同时又严重影响了系统的可靠性。通过相机偏振可以每帧同时捕获四组图像；确保其中至少有一幅图像可以有效消除不必要的反射。应用程序开发人员可以在后处理过程中灵活地选择一幅或多幅偏振图像，从而节省开发、集成和维护的时间和成本。

在室外照明条件下的挡风玻璃反射；有偏振和无偏振。

探测和识别

使用传统的可见或热成像方法很难探测到目标，而偏振测定法就能解决了这个问题。伪装的车辆或微观细胞结构持续反射平行于表面的偏振光；这些反射在 AoLP 模式（线性偏振角）下可以清楚地显现，如下图所示。

伪装良好的车辆在使用传感器偏振技术之前和之后的观察效果

优化对 AUV 和 USV 的深度学习 (DL)

通过去除有害的眩光和反射来清理影像，可以简化深度学习系统的培训。特别是在自动驾驶汽车和海洋无人舰船（Unmanned Surface Vehicle，即 USV）遇到的各种高反光环境中，其将发挥极大的作用。

其他应用

Blackfly S 摄像头的高分辨率和低读取噪声可实现用标准显微镜设备分析宽广的视野（例如，利用生物化合物的偏振特性和光学活性可以区分健康和患病的组织）。半导体和电子产品制造、平板显示器 (FPD) 制造和检验、食品包装、化妆品、药品包装、物流、显微镜和检验等其他多种应用都需要处理表面反光区域，这些情况下摄像头偏振特别有用。

采用 Sony 偏振传感器的 Blackfly S 有什么不同？

Sony 的传感器偏振

Sony IMX253MZR 和 IMX50MZR 传感器基于广受欢迎的 1200 万和 500 万像素 IMX253 和 IMX250 Pregius 全局快门 CMOS 传感器研发而成。每个像素都有自己的偏振滤光器 - 这些滤光器的朝向角度为 0°、45°、90° 和 135°，并以重复的双像素块排列。这些传感器能够将由于添加像素偏振滤光器而降低的量子效率 (QE) 的影响降到最低。例如，IMX250MXR 的偏振滤光器的消光比为 4:1，足够提供准确的测定偏振的数据，无需阻挡正交偏振光。这保证了即使最小量的光通过对齐的滤光器，也有足够的光到达感光二极管，以捕获有用的图像。这样即使在具有挑战性、需要增益补偿降低的 QE 的条件下，也可以捕获低噪声的影像。

具有防眩光和消除反射功能的 Spinnaker SDK

Spinnaker SDK 支持 API 调用，以通过从每个偏振象限中选择最暗像素，从源影像中创建眩光减少的图像。它可以利用偏振测量，动态地减少来自非金属表面的反射，从而降低系统复杂度并节省应用的开发时间。请看以下示例：

L - 原始偏振图像 | M - 偏振图像，侦测物体以红色突出显示 | R - 处理后的图像，启用了防眩光功能

更高的帧速率（采用无损压缩）

配备 Sony 偏振 CMOS 图像传感器的 Blackfly S GigE 摄像头可通过利用摄像头固件中内置的无损压缩功能，在高分辨率下实现更高的帧速率（例如，在 1200 万像素下高达 14FPS），同时不损失任何图像数据。这种更高的处理速度和高分辨率对于要求苛刻的工业和研究导向型应用特别有用。

偏振数据的解读

光偏振参数的解读和定性需要测量所有四个偏振角的数据。为了使传感器上的每一个像素都做到这一点，需要组合相邻像素数据进行插值处理。这与彩色传感器上组合相邻的红色、绿色和蓝色像素的数据得到每个像素的 RGB 值的方式类似。此过程由 Spinnaker SDK 本机支持。

偏振和色彩的结合

IMX250MYR 传感器在偏振滤光器下为传感器增加了一个色彩滤光阵列。该传感器使用一种独特的 Quad-Bayer 样式，使偏振域的空间分辨率优于色彩信息的空间分辨率。

RGB 像素排列为 2x2“超像素”。每个超像素在每个方向都有一个偏振滤光器，并包含在该位置计算斯托克斯参数所需的所有信息。

突出显示 2x2“超像素”的 Spinnaker SDK GUI 截图’

全局快门功能

由于焦平面失真，卷帘快门 CMOS 图像传感器无法准确识别快速移动的物体。配备 Sony 全新传感器偏振型传感器的 Blackfly S 摄像头解决此问题的方法是在每个像素内提供模拟内存，从而提供全局快门功能，以便实现较高的图像质量而不发生焦平面失真的情况。

更多阅读：

光是一种横向电磁波。在传播过程中，光垂直于传播方向振动。大多数光源发射出的是非偏振光，所有光波在任意角度振动。如果光线“排列”好，大部分光波就以一个相同角度振动，这种现象即称为偏振化。还有一种圆偏振也是可能的，但其不在本指南的讨论范围内。

非偏振光以随机的角度振荡，而偏振光的角度是一致的

偏振滤光器

偏振滤光器是绝大多数偏振光技术的基础。偏振滤光器将一系列的窄缝排成一线，让振动方向垂直于窄缝的光通过，并阻挡振动方向与其平行的光。

偏振滤光器让平行于偏振轴（或垂直于窄缝角）的黄光束通过，并阻挡垂直于偏振轴（或平行于窄缝角）的蓝光束。

工业应用中常常要用到一对偏振滤光器；其中一个产生一个偏振光源，另一个仅允许与特定方向一致的偏振光通过。这些系统往往需要精确对齐的滤光器和高度控制的光照条件。它们仅对一个角度的偏振光敏感。

随着偏振滤光器旋转，通过滤光器的光的强度会随着角度接近对齐而增加，超过对齐角度后，随着继续移动而减小。

当偏振滤光器旋转到与蓝色光波一致的角度时，开始阻挡蓝色光波，而通过橙色光波。

相对于偏振器方向的光强度变化可绘制成一条类似与正弦函数的曲线。最高和最低强度之比被称为消光比。

由于光的横波性，偏振角不能超过 180°。由于偏振滤光器的所有窄缝全部平行，因此滤光器旋转 180° 会返回其原方向。这便解释了滤光器旋转 360° 强度会两次达到峰值并到谷底的原因。

怎样使光发生偏振？

当从相干光源直接散射时，可通过偏振滤光器，或从非金属表面反射，得到偏振光。水面或抛光面反射的偏振光的角度平行于表面。

偏振光在通过某些类似于生物分子和药物等旋光活性材料时，角度可能会发生变化。

斯托克斯参数

光束的偏振状态可用四个斯托克斯 (Stokes) 参数方便地说明。斯托克斯参数是许多偏振测定计算和算法的基础。希望采用现有技术或自己的技术的用户，应熟悉如何在 IMX250MZR 上确定斯托克斯参数。

S0 是光束的强度。在 IMX250MZR 上，可通过垂直和水平偏振像素强度求和计算而获得。

S1 是水平和垂直分量间的差。正值为水平线性偏振，而负值为垂直线性偏振。

S2 是 45° 的分量。正值为 45° 线性偏振。负值是 -45° 或（所谓的 135°）线性偏振。

S3 为圆极化分量。虽然 IMX250MZR 未测量该参数，但常常可以准确地估算出它的值。在室外被动照明的环境中，由于日光是非偏振的，故假设 S3 为 0，日光的反射或散射仅影响线性偏振。

在具有主动控制照明的环境中，能够消除任何非偏振光源，以确定圆形分量的特性。

斯托克斯参数 S1、S2 和 S3 常常表示为一系列球坐标，从而绘制为一个“庞加莱球”。这种标示可以让人方便地理解光束的每个偏振分量对其整体偏振状态的相对影响。

庞加莱球。在室外，S3 分量可假设为 0。强度 Ip 等于 1。

可使用斯托克斯参数计算偏振参数，极大地增强了可见光谱图像。

线性偏振度

线性偏振度 (DoLP) 是解读偏振最基本的方式。DoLP 是指定像素上光的偏振比例。完美偏振光源的 DoLP 为 100%，非偏振光的 DoLP 为 0%。

100% 的 DoLP 与 0% 的 DoLP 之间的差异

线性偏振角 (AoLP)

线性偏振角 (AoLP) 是指定像素上的平均偏振角。若 DoLP 较低，则将只有少量光会偏振。这种情况下，得到的 AoLP 值会显示出清楚的空间和时间噪声。这与使用高增益放大的低强度信号相似。随着 DoLP 增加，AoLP 值的噪声会减小。