วิธีรักษาความแม่นยำของสีกล้องภายใต้สภาพแสงผสม

ตั้งแต่กล้องวงจรปิดและอุปกรณ์สมาร์ทโฮม ไปจนถึงระบบภาพสำหรับยานยนต์ การตรวจสอบในอุตสาหกรรม การส่องกล้องทางการแพทย์ และวิชันสำหรับหุ่นยนต์ ระบบกล้องทั้งหมดมีความต้องการที่ดูเรียบง่ายแต่แฝงความซับซ้อนไว้ นั่นคือ สีที่กล้องจับภาพมาได้ควรตรงกับสิ่งที่มนุษย์มองเห็น

แสงที่ใช้ในชีวิตประจำวันทำให้การบรรลุความต้องการนั้นเป็นเรื่องยาก ในสำนักงาน แสงธรรมชาติจากหน้าต่างผสมผสานกับแสงฟลูออเรสเซนต์ ในห้างสรรพสินค้า แสงเย็นจากเพดานทับซ้อนกับแสงอุ่นจากโคมไฟแสดงสินค้า ในโรงจอดรถ หลอด LED สีขาวและหลอดโซเดียมสีเหลืองส่องสว่างฉากเดียวกัน สภาพแวดล้อมธรรมดาเช่นนี้จัดเป็นหนึ่งในสภาพที่กล้องยากที่สุดในการจำลองสีได้อย่างแม่นยำ แสงแบบผสมพบได้ทั่วไปในการติดตั้งจริง โดยแหล่งกำเนิดแสงเดี่ยวที่สม่ำเสมอค่อนข้างหายาก

บทความนี้อธิบายเหตุผลที่กล้องสร้างโทนสีผิดเพี้ยนภายใต้แสงแบบผสม วิธีที่วิศวกรปรับแต่งและทดสอบภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว รวมถึงวิธีรักษาประสิทธิภาพด้านสีให้คงที่ในการผลิตจริง สำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้สีในการตัดสินใจ การจำลองสีอย่างแม่นยำจึงเป็นข้อกำหนดเชิงฟังก์ชัน

เหตุใดการใช้แหล่งกำเนิดแสงผสมจึงทำให้เกิดข้อผิดพลาดของสี

สีที่รับรู้ได้ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดแสง วิธีที่วัตถุสะท้อนแสง และผู้สังเกต ไม่ว่าจะเป็นบุคคลหรือกล้อง

เมื่อแสงตกกระทบวัตถุ พื้นผิวของวัตถุจะสะท้อนความยาวคลื่นบางช่วงมากกว่าความยาวคลื่นช่วงอื่น แสงที่สะท้อนเข้าสู่เลนส์กล้อง จากนั้นอาร์เรย์ตัวกรองสี (CFA) บนเซนเซอร์ภาพจะทำการสุ่มตัวอย่างแสงนั้นในช่องสีแดง เขียว และน้ำเงิน ต่อมาโปรเซสเซอร์สัญญาณภาพ (ISP) จะดำเนินการต่าง ๆ เช่น การแปลงสัญญาณแบบเดโมเสค (demosaicing) การปรับสมดุลสีขาว (white balance) การแก้ไขสี (color correction) และการเข้ารหัสแกมมา (gamma encoding) เพื่อสร้างภาพที่คุณมองเห็นบนหน้าจอ

ขั้นตอนการประมวลผลเหล่านี้อาศัยสมมุติฐานเกี่ยวกับลักษณะของแสงที่ส่องสว่าง ซึ่งแหล่งกำเนิดแสงผสมทำให้สมมุติฐานเหล่านั้นผิดพลาดได้สามประการ

1. อุณหภูมิสีที่แตกต่างกัน การมองเห็นของมนุษย์ปรับตัวเข้ากับระดับความสว่าง และมักรับรู้วัตถุสีขาวว่าเป็นสีขาว แม้ในสภาวะแสงที่แตกต่างกันหลายแบบ กล้องคำนวณจุดสีขาวโดยใช้อัลกอริธึม เมื่อไฟแอลอีดีที่ให้แสงอุ่น 2700 เคลวิน และแสงกลางวันที่ให้แสงเย็น 6500 เคลวิน ส่องลงบนส่วนต่าง ๆ ของฉากเดียวกัน การตั้งค่าสมดุลสีขาวแบบทั่วทั้งภาพเพียงค่าเดียวอาจทำให้บริเวณหนึ่งเป็นกลาง แต่ยังคงเหลือโทนสีผิดปกติในอีกบริเวณหนึ่ง

2. การกระจายกำลังสเปกตรัมที่ต่างกัน หลอดไส้สร้างสเปกตรัมแบบต่อเนื่อง ขณะที่หลอดฟลูออเรสเซนต์และแอลอีดีอาจมีพีคแคบ ๆ และช่องว่างในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ แหล่งกำเนิดแสงสองแหล่งอาจมีอุณหภูมิสีสัมพันธ์เท่ากัน แต่ส่องวัตถุด้วยชุดความยาวคลื่นที่ต่างกัน เมื่อสัดส่วนของแสงเปลี่ยนไปตามตำแหน่งต่าง ๆ ในฉาก สเปกตรัมที่วัตถุสะท้อนกลับมาก็จะเปลี่ยนไปด้วย

3. การกระพริบและการเปลี่ยนแปลงระหว่างเฟรม แสงที่จ่ายจากแหล่งจ่ายไฟหลักอาจกระพริบ และการไม่สอดคล้องกันระหว่างช่วงเวลาการรับแสงกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสง อาจทำให้เกิดแถบแสงที่มองเห็นได้

ผลลัพธ์ที่ได้อาจเป็นโทนผิวที่มีสีเขียวหรือสีแดงปน ผนังสีขาวที่มีสีต่างไป สีของผลิตภัณฑ์ที่ไม่ตรงกับความเป็นจริง หรือความแตกต่างของสีที่มองเห็นได้บนกระดาษและผ้า ข้อผิดพลาดเหล่านี้มีความสำคัญเมื่อใช้สีในการประเมินทางการแพทย์ การคัดแยกในอุตสาหกรรม การตรวจสอบคุณภาพ หรือการถ่ายภาพเพื่อจัดแสดง

กระบวนการจัดการสีของกล้อง

ส่วนประกอบสี่ส่วนของกระบวนการจัดการสีของกล้องมีบทบาทในการกำหนดวิธีที่กล้องสร้างสีภายใต้สภาพแสงแบบผสม

1. การปรับสมดุลสีขาวอัตโนมัติ (AWB) AWB ประมาณค่าแหล่งกำเนิดแสงในฉาก และปรับค่าการขยายสัญญาณของช่องสีแดงและสีน้ำเงิน เพื่อให้พื้นผิวที่เป็นกลางปรากฏโดยไม่มีโทนสีปน อย่างไรก็ตาม ชุดค่าการขยายสัญญาณเดียวมีความสามารถจำกัดในการแก้ไขบริเวณที่ได้รับแสงจากแหล่งต่างกัน

2. เมทริกซ์การแก้ไขสี (CCM) หลังจากปรับสมดุลสีขาวแล้ว กล้องยังจำเป็นต้องปรับการเรนเดอร์สีแต่ละสีให้ถูกต้อง ปฏิกิริยาต่อสเปกตรัมของเซนเซอร์แบบเบเยอร์แตกต่างจากปฏิกิริยาของสายตาคน โดยเมทริกซ์ขนาด 3 × 3 จะทำหน้าที่แปลงค่าการตอบสนอง RGB ของเซนเซอร์ไปยังพื้นที่สีเป้าหมาย ระบบกล้องมักทำการแคลิเบรตเมทริกซ์แยกต่างหากสำหรับแหล่งกำเนิดแสงแต่ละแบบ

3. แกมมาและการแมปโทน การเข้ารหัสแบบแกมมาจะแปลงข้อมูลภาพเชิงเส้นให้กลายเป็นสัญญาณที่ไม่เป็นเชิงเส้น ร่วมกับการแมปโทน จึงส่งผลต่อการเรนเดอร์โทนกลางและลักษณะของสีที่มีความอิ่มตัวสูง

4. พื้นที่สีและตารางการค้นหา กล้องจะแมปสีเข้าสู่พื้นที่สีขาออก เช่น sRGB หรือ Display P3 และในกรณีที่ต้องการการปรับแก้แบบไม่เป็นเชิงเส้นอย่างละเอียดยิ่งขึ้น ตารางการค้นหาสามมิติ (3D LUT) สามารถปรับสีได้ลึกกว่าที่เมทริกซ์จะทำได้

พายไลน์ที่ปรับแต่งด้วยพารามิเตอร์ทั่วไปชุดหนึ่งจะใช้การปรับแก้แบบเดียวกันทั่วทั้งเฟรม หากหน้าต่างให้แสงกับด้านหนึ่งของห้อง ในขณะที่ไฟ LED แบบอุ่นให้แสงกับอีกด้านหนึ่ง สองบริเวณนี้อาจต้องการการปรับแก้ที่ต่างกัน

วิศวกรรมเพื่อความแม่นยำของสีภายใต้แสงที่ผสมกัน

เลือกฮาร์ดแวร์ให้สอดคล้องกับสภาพแสง

เซ็นเซอร์ภาพและ CFA ประเมินการตอบสนองสเปกตรัม RGB ของเซ็นเซอร์ภายใต้แสงที่เป็นตัวแทนในระหว่างการคัดเลือกชิ้นส่วน ตรวจสอบว่าแหล่งกำเนิดแสงบางชนิดทำให้ช่องใดช่องหนึ่งเกิดการอิ่มตัว หรือทำให้อีกช่องหนึ่งได้สัญญาณต่ำเกินไปจนไม่สามารถปรับสีได้อย่างเชื่อถือได้

ตัวกรองแสงแบบออปติคัลและการลดแสงอินฟราเรด แสงอินฟราเรดที่อยู่นอกช่วงแสงที่มองเห็นได้สามารถเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของสัญญาณ RGB และเปลี่ยนแปลงสีที่กล้องบันทึกไว้ ตัวกรองตัดแสงอินฟราเรดที่เลือกอย่างเหมาะสมจะช่วยลดโทนแดงที่ไม่ต้องการ โดยเฉพาะในฉากที่มีส่วนประกอบของแสงอินฟราเรดสูง

การควบคุมการกระพริบและความกว้างของช่วงไดนามิก จัดเวลาการรับแสงให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแหล่งกำเนิดแสงเท่าที่เป็นไปได้ ประเมินการตั้งค่า HDR หรือ wide dynamic range (WDR) สำหรับฉากที่มีทั้งบริเวณสว่างและมืด การจัดการปรากฏการณ์ banding และความแปรผันของการรับแสงจะทำให้ระบบปรับสีได้รับภาพที่มีเสถียรภาพมากขึ้น

ปรับการแก้ไขสีให้สอดคล้องกับฉาก

สมดุลสีขาวแบบภูมิภาคหรือหลายแหล่งกำเนิดแสง จัดกลุ่มพื้นที่ที่มีลักษณะการให้แสงคล้ายกัน ประมาณค่าแหล่งกำเนิดแสงในแต่ละภูมิภาค แล้วปรับค่าการขยายสีเฉพาะพื้นที่ ทำให้การเปลี่ยนผ่านระหว่างภูมิภาคมีความเรียบเนียน เพื่อไม่ให้เกิดขอบเขตที่มองเห็นได้จากการแก้ไข

การแทรกค่าระหว่างเมทริกซ์การแก้สี สอบเทียบเมทริกซ์การแก้สีที่อุณหภูมิสีอ้างอิงหลายค่า เมื่ออุณหภูมิสีที่ประมาณค่าไว้ตกอยู่ระหว่างสองจุดที่สอบเทียบ ให้แทรกค่าระหว่างเมทริกซ์ที่สอดคล้องกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงสีอย่างฉับพลัน

ปรับปรุงผลลัพธ์ด้วยตารางการแมปสีสามมิติ (3D LUT) ใช้ตารางการแมปสีสามมิติ (3D LUT) เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดสีที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่เหลืออยู่หลังการแก้ไขเบื้องต้น วิธีนี้มีประโยชน์ในงานที่ต้องควบคุมโทนสีผิวหรือสีของผลิตภัณฑ์อย่างแม่นยำเป็นพิเศษ

ปรับปรุงการประมาณค่าแหล่งกำเนิดแสง สถิติระดับสีเทาและแบบจำลองการประมาณค่าแหล่งกำเนิดแสงที่ผ่านการเรียนรู้สามารถช่วยประเมินสัดส่วนการมีส่วนร่วมของแหล่งกำเนิดแสงแต่ละแหล่ง และให้ข้อมูลนำเข้าที่ดีกว่าสำหรับอัลกอริทึมการแก้ไข

สอบเทียบและทดสอบเพื่อความสม่ำเสมอในการผลิต

จำลองสภาพแสงผสมในห้องปฏิบัติการ ใช้ห้องทดสอบแสงหรือพื้นที่ทดสอบที่ควบคุมได้ซึ่งมีแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับแต่งได้อย่างอิสระ สร้างสภาพแสงแบบต่าง ๆ ขึ้นมา เช่น แสงกลางวันร่วมกับแสงฟลูออเรสเซนต์ หรือแสงแอลอีดีเย็นร่วมกับแสงแอลอีดีอุ่น ใช้แหล่งกำเนิดแสงมาตรฐาน เช่น D65 และ D50 เป็นเกณฑ์อ้างอิง

วัดค่าสีและตรวจสอบโทนสีกลาง ถ่ายภาพเป้าหมายสีมาตรฐานแบบ 24 ช่อง (เช่น X-Rite ColorChecker) และเป้าหมายสีเทาภายใต้แต่ละชุดของสภาพแสง คำนวณความต่างของสีโดยใช้ตัวชี้วัดเช่น CIEDE2000 (ΔE₀₀) ปรับแต่งเมทริกซ์การแก้ไขสี (CCMs) และตารางการแปลงสี (LUTs) จนกว่าค่าที่วัดได้จะอยู่ภายในขอบเขตการยอมรับของโครงการ

ตรวจสอบความสม่ำเสมอระหว่างชุดการผลิต นำพารามิเตอร์การสอบเทียบที่ผ่านการอนุมัติแล้วไปใช้ในกระบวนการผลิต ใช้การสุ่มตัวอย่างแบบอัตโนมัติเพื่อตรวจสอบความต่างของสี ความคลาดเคลื่อนของการตั้งค่าสมดุลสีขาว และความสม่ำเสมอของค่าตอบสนองระหว่างชุดการผลิต การตรวจสอบเหล่านี้ช่วยยืนยันว่าโมดูลที่ผลิตออกมานั้นสามารถให้สมรรถนะตรงตามตัวอย่างที่ผ่านการอนุมัติแล้วหรือไม่

ทีมพัฒนากล้องแบบบูรณาการช่วยอย่างไร

ความแม่นยำของสีภายใต้แสงที่ผสมกันขึ้นอยู่กับการตัดสินใจในหลายขั้นตอน ได้แก่ การเลือกเซ็นเซอร์ การออกแบบโมดูล การพัฒนาไดรเวอร์ การปรับแต่ง ISP การรวมระบบ และการสอบเทียบในกระบวนการผลิต ปัญหาสีที่ปรากฏในภาพสุดท้ายอาจเกิดขึ้นได้ที่จุดใดก็ตามในห่วงโซ่เหล่านี้

เราออกแบบและผลิตโมดูลกล้องและเมนบอร์ด ขึ้นอยู่กับการใช้งาน เราสามารถประเมินตัวเลือกเซ็นเซอร์ เลือกเลนส์และตัวกรองแสง รวมทั้งออกแบบโมดูลให้สอดคล้องกับข้อกำหนดเชิงกลของอุปกรณ์

งานพัฒนาไดรเวอร์ของเราครอบคลุมการพอร์ตไดรเวอร์เซ็นเซอร์ การดีบักระดับรีจิสเตอร์ และการทดสอบความเสถียรภายใต้เงื่อนไขแสง อุณหภูมิ และอัตราเฟรมที่กำหนดไว้สำหรับโครงการ นอกจากนี้ เรายังปรับแต่ง ISP ให้เหมาะสมกับการใช้งานเป้าหมาย ซึ่งรวมถึงระบบปรับสมดุลสีขาวอัตโนมัติ เมทริกซ์การแก้ไขสี LUT แบบสามมิติ การลดสัญญาณรบกวน และโหมด HDR หรือ WDR โดยเกณฑ์การยอมรับภาพของลูกค้าจะเป็นแนวทางในการดำเนินงานเหล่านี้

ทีมเดียวกันสามารถดำเนินโครงการตั้งแต่ขั้นตอนการวิเคราะห์ความต้องการและการเลือกชิ้นส่วน ผ่านกระบวนการสร้างต้นแบบ การปรับแต่งภาพ การผลิตจริง และการตรวจสอบความสม่ำเสมอ หากคุณมีสภาพแวดล้อมการให้แสงเป้าหมาย หรือมีปัญหาสีในระบบปัจจุบัน โปรดแจ้งความต้องการของคุณ หรือส่งตัวอย่างภาพมาให้เราที่ [email protected]