海康彩色工业相机图像格式转换方法(Bayer转RGB)
海康彩色工业相机图像格式转换方法
-
- 1.彩色相机是如何变成彩色的-Bayer的由来
- 2.工业相机支持的图像格式
- 3.图像格式转化
- 4.一些其他的问题
1.彩色相机是如何变成彩色的-Bayer的由来
提到工业相机图像格式，尤其是彩色相机的图像格式，不得不先讲一下bayer图像格式，网上有很多介绍这种图像格式的文档，随意引用一篇简单介绍下，引用链接: 图像bayer格式介绍以及bayer插值原理.
大致原理呢，就是相机上面的图像传感器只能感受光强而无法感知光的波长，然而光的颜色却是由波长决定的，因此图像传感器是无法记录颜色的。
虽然可以在相机的内部内置三个图像传感器来分别记录红、绿、蓝三元色，然后将这三种颜色合并得到最终的彩色图像，但是这样做的成本太高。
因此，柯达这个公司，提出的解决方案就是，使用一个图像传感器，在图像传感器的前面，放置一个滤光层，滤光层的滤光点与图像传感器的像素一一对应，每个滤光点只能通过红、绿、蓝三种光其中之一；
通过规律性的排列不同颜色的滤光点，我们就能在传感器上面有规律的获得不同颜色的光强值，也就是R、G、B的灰度值；
根据不同于颜色的排列，我们把Bayer分为BayerRG、BayerBG、BayerGB、BayerBG四种
但是呢，这样得到一幅图像，其实仅仅是灰度图，它并不能表达呈现真实世界的图像
放大看
如果想要呈现真实的色彩世界，那么就需要弥补每个像素所缺少的其他色彩分量，用相邻的像素值补充进来，这个过程就叫做bayer差值，也叫“去马赛克”（如要简单理解原理，可以去看开篇引用的链接）
当然，相机实现彩色图像原理，肯定不止这一种，但是，出于成本、生产技术等因素，目前你所能接触到的大部分相机，工业相机，数码相机，原始数据，都是有bayer转换产生的；
2.工业相机支持的图像格式
前面讲了，传感器的彩色由来，那么就接下来讲讲工业相机支持的图像格式种类，以海康工业相机为例子
| 相机种类 | 图像格式 | 细分 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 黑白相机 | Mono | Mono8、Mono10、Mono12，Mono10 Packed、Mono12 Packed | |
| 彩色相机 | Bayer | Bayer8、Bayer10、Bayer12 、Bayer10 Packed、Bayer12 Packed | Bayer根据sensor遮挡层排列不同，分为BG、GR、GB、BR四种 |
| 彩色相机 | YUV | YUV 422 (YUYV) Packed、YUV 422 Packed | |
| 彩色相机 | RGB | RGB8 Packed、BGR8 Packed | 两者的区别就是R、B排列是相反的 |
mono10、mono12:分别代表10位、12位黑白图像，在内存中以16位数据存储，不够的数据位填0补充
Mono10 Packed、Mono12 Packed：这种数据跟上面的mono10、mono12没有本质上的区别，差异就是，在数据排列上面，16位数据存储，原来补0的位置，被下一帧图像数据填充，这样的好处就是节约了传输带宽，坏处就是小小的增加了解码的难度
Bayer8、Bayer10、Bayer12：分别代表8位、10位、12位的彩色相机相机原始数据格式，传感器采样最原始的数据是Bayer12，Bayer8、Bayer10都是由Bayer12下采样过来的
Bayer10 Packed、Bayer12 Packed:与mono10 Packed，mono12 Packed一样的道理，数据排列方式不同
YUV 422 Packed、YUV 422 (YUYV) Packed:YUV是由bayer数据先转化为RGB，然后RGB转化为YUV数据得到的，其中Y代表亮度值，数据排列分别是UYVY、与YUYV两种,它们都是16位存储的，Packed就是数据填充方式
那么如何查询自己手上的工业相机，支持的图像格式，以海康工业相机为例，使用其MVS客户端，打开相机后，在相机属性中找到Pixel Format点击即可查看,切换图像格式，需要再非预览模式状态下
3.图像格式转化
以海康工业相机的格式转换例程为例，讲讲图像格式如何转化
先来看一下他们提供的代码
#include 关键的几句代码如下，要看MV_CC_GetImageBuffer函数后面，拿到一帧图像之后，调用MV_CC_ConvertPixelType进行图像转换图像格式，在其SDK开发文档中，我们可以看见这个函数作用范围
格式转换的总体思路如下：
Created with Raphaël 2.2.0 相机拍照 采集一帧图像 彩色格式？ 格式转换目标格式：RGB 格式转换 输出Mono or RGB图像 黑白格式？ 格式转换目标格式：Mono8 yes no yes
第一步，黑白彩色相机判断；
- 示例代码中，是根据帧结构体来判断的，如下所示
//如果是彩色则转成RGB8
//IsColor这个函数，列举了相机支持的所有彩色图像格式
//然后再与stImageInfo.stFrameInfo结构体里面相机传递上来的enPixelType做对比判断
if (IsColor(stImageInfo.stFrameInfo.enPixelType))
{
//----
//转换的目标格式设置为RGB
enDstPixelType = PixelType_Gvsp_RGB8_Packed;//部分使用OpenCV的朋友，这里要修改成PixelType_Gvsp_BGR8_Packed
}
//如果是黑白则转成mono8
//IsMono这个函数，列举了相机支持的所有黑白图像格式
//然后再与stImageInfo.stFrameInfo结构体里面相机传递上来的enPixelType做对比判断
else if (IsMono(stImageInfo.stFrameInfo.enPixelType))
{
//----
//转换的目标格式设置为mon8
enDstPixelType = PixelType_Gvsp_Mono8;
}
第二步，调用接口进行图像格式转换，这里的变量enDstPixelType就是目标格式
if (enDstPixelType != PixelType_Gvsp_Undefined)
{
pConvertData = (unsigned char*)malloc(stImageInfo.stFrameInfo.nWidth * stImageInfo.stFrameInfo.nHeight * nChannelNum);
if (NULL == pConvertData)
{
printf("malloc pConvertData fail!\n");
nRet = MV_E_RESOURCE;
break;
}
nConvertDataSize = stImageInfo.stFrameInfo.nWidth * stImageInfo.stFrameInfo.nHeight * nChannelNum;
// ch:像素格式转换 | en:Convert pixel format
MV_CC_PIXEL_CONVERT_PARAM stConvertParam = {0};
stConvertParam.nWidth = stImageInfo.stFrameInfo.nWidth; //ch:图像宽 | en:image width
stConvertParam.nHeight = stImageInfo.stFrameInfo.nHeight; //ch:图像高 | en:image height
stConvertParam.pSrcData = stImageInfo.pBufAddr; //ch:输入数据缓存 | en:input data buffer
stConvertParam.nSrcDataLen = stImageInfo.stFrameInfo.nFrameLen; //ch:输入数据大小 | en:input data size
stConvertParam.enSrcPixelType = stImageInfo.stFrameInfo.enPixelType; //ch:输入像素格式 | en:input pixel format
//这里就是目标格式
stConvertParam.enDstPixelType = enDstPixelType; //ch:输出像素格式 | en:output pixel format
//输出的mono8或者RGB8数据
stConvertParam.pDstBuffer = pConvertData; //ch:输出数据缓存 | en:output data buffer
stConvertParam.nDstBufferSize = nConvertDataSize; //ch:输出缓存大小 | en:output buffer size
nRet = MV_CC_ConvertPixelType(handle, &stConvertParam);
if (MV_OK != nRet)
{
printf("Convert Pixel Type fail! nRet [0x%x]\n", nRet);
break;
}
FILE* fp = NULL;
errno_t err = fopen_s(&fp, chFileName, "wb");
if (0 != err || NULL == fp)
{
printf("Open file failed\n");
nRet = MV_E_RESOURCE;
break;
}
fwrite(stConvertParam.pDstBuffer, 1, stConvertParam.nDstLen, fp);
fclose(fp);
printf("Convert pixeltype succeed\n");
}
}
需要注意的是，如果你想使用10bit、12bit的数据，那么你需要先在相机端，设置相机的图像格式为mono10、mono12等，这样拿到的raw数据才会是其他位数，同时，不去做格式转换；上面格式转换的目的是转换成常用的8bit数据
4.一些其他的问题
- mono8 、mono10、mono12之间的区别
首先，要了解一个灰阶的概念，通常来说，液晶屏幕上人们肉眼所见的一个点，即一个像素，它是由红、绿、蓝（RGB）三原色组成的。每一个基色，其背后的光源都可以显现出不同的亮度级别。而灰阶代表了由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别。
在数字信息存贮中，计算设备用2进制数来表示，每个0或1就是一个位(bit)。 假设1代表黑、0代表白，在黑白双色系统中最少有2bit。单基色为nbit，画面位数就为2 ⁿbit，位数越大，灰度越多，颜色也越多，彩色系统中同理。视频画面10bit含义就是画面能以10为二进制数的数量控制色彩层次（即灰阶）。通常8bit相当于256级灰阶——即常说得24位真彩色；而10bit就相当于1024级灰阶。三基色混合成彩色，增加1 bit就意味色彩数增加8倍。10bit就相当于1024的三次方——1073741824，约为10.7亿色。远大于8bit的1670万色。
那么，mono8，就是2^8=256灰阶，因此你看见的黑白mono8图像，灰度值范围时0-255；
同理，mono10，mono12分别是2^10、 2^12， 图像灰度值范围0-1024、0-4096，但是如果你将图像数据存储下来，在计算机内存里面，只能按照8、16、24、32等位深存储的，那么10、12位数据就会被补0，灰度范围就会被拉伸到2^16,也就是0-65536
2.Bayer转RGB，注意事项
- bayer插值算法差异
海康提供的sdk接口中，提供了3种不同的bayer转RGB算法，调用MV_CC_SetBayerCvtQuality()接口实现，接口调用在其Opendevice函数之后即可
| BayerCvtQuality | Value | 备注 |
|---|---|---|
| 0 | 快速 | 速度最快，图像边缘有锯齿感 |
| 1 | 均衡 | 效果适中 |
| 2 | 最优 | 图像效果最好，速度最慢，cpu 消耗较高 |
下图来看一下不同插值算法的效果，从上到下，依次是快速，均衡，最优
当对格式转换速度有要求时，可以尝试下不同插值算法，从中做取舍
3.其他的格式转换方法
- halcon
halcon也提供了算子做图像格式转化：cfa_to_rgb (ImageCFA, RGBImage, ‘bayer_gb’, ‘bilinear’)，最后一个参数“bilinear”就是不同的插值算法，也有三种选择可配【halcon参考文档】，同样的，不同的插值算法也有不同的优劣势，用户需要自行测试；
bayer格式需要看相机输出什么，需要根据相机参数进行填写
/************************************************************************
* @fn ConvertBayer8ToHalcon()
* @brief Bayer8转换为Halcon格式数据
* @param Hobj [OUT] 转换后的输出Hobject数据
* @param nHeight [IN] 图像高度
* @param nWidth [IN] 图像宽度
* @param nPixelType [IN] 源数据格式
* @param pData [IN] 源数据
* @return 成功，返回STATUS_OK；错误，返回STATUS_ERROR
************************************************************************/
int ConvertBayer8ToHalcon(Halcon::Hobject *Hobj, int nHeight, int nWidth, MvGvspPixelType nPixelType, unsigned char *pData)
{
if(NULL == Hobj || NULL == pData)
{
return MV_E_PARAMETER;
}
gen_image1(Hobj, "byte", nWidth, nHeight, (Hlong)pData);
if (nPixelType == PixelType_Gvsp_BayerGR8)
{
cfa_to_rgb(*Hobj, Hobj, "bayer_gr", "bilinear");
}
else if (nPixelType == PixelType_Gvsp_BayerRG8)
{
cfa_to_rgb(*Hobj, Hobj, "bayer_rg", "bilinear");
}
else if (nPixelType == PixelType_Gvsp_BayerGB8)
{
cfa_to_rgb(*Hobj, Hobj, "bayer_gb", "bilinear");
}
else if (nPixelType == PixelType_Gvsp_BayerBG8)
{
cfa_to_rgb(*Hobj, Hobj, "bayer_bg", "bilinear");
}
return MV_OK;
}
- OpenCV
使用OpenCV提供的接口，也能将bayer数据快速转化为RGB/BGRcvtColor（source, destination, CV_BayerRG2BGR)，但是似乎没有更多的插值方法可以选择
Mat bayer2rgb;
bayer2rgb.create(ImageBuffer.rows,ImageBuffer.cols,CV_8UC3);
cvtColor(ImageBuffer,bayer2rgb,CV_BayerRG2BGR);
//BayerRG需要事先知道bayer数据的种类
//OpenCV要使用BGR而非RGB，如果要转RGB，CV_BayerRG2BGR需要替换为CV_BayerRG2RGB
-
其他的方法
还有很多bayer转RGB的接口，暂时没遇到或者没有学到，靠大家来分享，共同学习