谈石材大板图像采集

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石材行业对于大板采集的图像有啥要求，目前世界范围内又处于何种水平，我们的产品处于哪个层次呢？本文拟从这点出发探索此类设备的成长方向。

采集这个词比起拍摄显得更专业一点。生活中我们拿相机拍照获得照片，而工业应用则称之为采集获取图像，不单是词汇的区别，其含义也是有区别的。采集是涵盖了面阵相机的拍照采集和线阵相机的扫描采集的。 

摄影被称为光与影的艺术，很多人不知道的是摄影用的镜头其实不是“高保真”的，是做了一些处理的，现在的手机相机及其拍摄软件则做了更多的处理，其目的是为了弱化缺陷，如人脸上的瑕疵，甚至是美化图像，如手机拍照的美颜相机。而工业应用则对图像的“保真”有非常高的要求。我们看著名的工业镜头厂商、德国的施耐德公司的镜头产品，就列出对应波长范围的畸变系数，这是有其道理的。比如现在的机器视觉技术可以用来进行精密测量，其测量精度可以达到微米以下数量级，除了采用特殊的计算机算法外，高精密的光学器件（镜头）和传感器（CCD或CMOS）也必不可少。 

现在机器视觉领域绝大多数应用都是检测，追求的是图像的精细和保真程度。一些特殊领域如印刷质量检测、医学检测等相对冷门些，专业的器件及商品程序都很难见到，成为某些领域的独门秘籍，赖以吃饭的法宝密不外传。 

如果采集的石材大板图像，只是要求能看出石材品种与色系，发现明显的瑕疵，检测大概的外形尺寸，用来进行网络营销及后续的切割排版以控制出材率，现在达到的水平基本满足需要。这也是现在国外厂家配备此类设备能够做得到，也觉得基本够用的原因。 

其实对于专业摄影来讲，石材的摄影是非常难的。这是因为其特有的丰富的色彩，多变的纹理及色阶，不同材质在不同环境中表现出的迷人质感。没有一个摄影家敢说玩得转石材。 

对于一些名贵的品种，一项超高要求的石材工程，一本精美逼真的产品目录，获得、提供色彩真实、质感逼真、纹理清晰、版面精确的图像是至关重要的，此图像的格式最好能够满足不同用途的需要。为了后期处理的需要，就要有RAW格式的图像；为了打印、印刷的需要，就要有TIFF格式的图像；为了网络传输的需要，就要有JPEG或PNG格式的图像。所以说，不是行业不需要高水平的石材大板图像采集设备，而实在是难度太高了，一时半会儿很难做到。高度色彩还原比高清晰难得多得多，而表现石材质感又是难上加难。 

现在石材行业石材大板图像采集设备的水平，在图像采集设备行业中处于中等。国际上顶尖的大幅面采集设备已经达到了很高的水平。德国的CRUSE，丹麦的CONTEX，意大利的METIS具有一流品质的扫描设备，但没有专用于石材大板的系统，其幅面最大约为1000X1600mm。其价格在200万人民币数量级。 

意大利的设备，倚仗其先进的软件功能，可以再现某些品种石材在不同的环境光下的真实质感，如果用在石材行业，这是一项近乎神奇的软件技术。 

如此高档的设备，不见得采集石材大板就有上佳的表现，毕竟没有针对石材优化。一旦破除价格壁垒，势必拔高石材行业大板图像采集设备水准。见过CRUSE采集的石材样板图像，表现一般，不如国内做得出色的企业。由此看到，针对石材行业应用而言，国内做的好的企业完全有能力做出世界级产品。 

那么，要做出好产品，重点要做好那些工作，采取那些关键技术措施呢？  

1，真实色彩 

不论是意大利出产的采集设备，还是起步中的国产设备，色彩还原都是软肋。色彩还原是一门很深的学问，要求研制团队既要有硬件专家，机械专家，软件专家，还要有资深的摄影和色彩学专家。而领军人物要具备强烈的色彩概念和必要的基础知识。 

在研究国外顶尖产品的资料时发现一个细节，这些顶尖的公司开发的顶尖的设备，也是配合校色硬件和软件进行后期处理的。 

影响采集的图像色彩的因素很多，包括整体光路设计、光学镜头、图像传感器、转换电路精度、计算机程序的色彩管理、图像的格式、图像品质与文件大小的权衡等。 

业界公认的是CCD传感器的色彩表现强于普通CMOS传感器。前面讲过，现在工业相机主要用于机器视觉检测，其侧重点不在色彩。CMOS传感器以其出色速度特点被广泛应用在工业相机上，以满足高速生产线的需要。即使是彩色CMOS也有2线与3线之分，2线CMOS相机具有价格优势，但用2线来表现RGB三种色彩靠的是算

法的模拟而不是原生硬件的保障，效果自然打折扣。进口工业相机产品某些性能不错，价格价格相对较高，而色彩表现大多数平平。具有上佳色彩表现的相机，其价格不是行业所能承受。 

前面讲到的施耐德镜头无疑是首选，二线、三线厂家镜头产品表现就没啥保障了。不幸选择了这样的产品，镜头设计、加工水平低，造成失焦、虹影也是常见的，不但色彩表现不佳，也拖累清晰度。 

我们看到的颜色是物体反射光的颜色。晴天的正午前后物体的色彩是最准确丰富的。传感器收集到的光线是石材板面反射的环境光的的颜色，来自采集设备使用的光源。由于采集设备必须使用灯光照明，目前基本都是使用LED光源，有些商品LED光源做尽了功夫，高亮度、线聚焦、可调节，这些指标非常好。但这些都是基于机器视觉应用而设计的，机器视觉相当大的应用份额是基于黑白相机的，黑白图像是机器视觉图像分析的基础，很多情况下是将采集到的RGB彩色图像只是提取R通道进行分析的。 

为了评价光源对于色彩显示的能力，引入显色指数概念，显色指数Ra是15个样板颜色前8个的平均值。高显色指数的光源一般能提供较好的色彩表现。笔者测试过某高性能线阵LED光源的显色指数，仅为70数量级，这还不算，代表红黄蓝绿四种饱和色的R9-R12都偏低，饱和红色R9只有个位数。测试中也遇到过R9是负值的光源，那是为汽车设计制作的LED光源。所以评价光源的显色指数不仅要看Ra，还要看看R9。 

用于石材大板图像采集设备的LED光源，除了看显色指数Ra外，还要关注几个饱和色，特别是红、黄、绿的显指，这几个颜色色系是石材的常见色系。 

至于转换电路精度如果是购买成品相机则关注一下参数即可，市面上的产品规格几乎一样。 

计算机色彩管理程序是最核心的技术，无论国内外、高中低档产品都不会轻易交流，只能靠知识的积累和不懈的探索，有时还需要一点点灵感和运气。大名鼎鼎的ADOBE是这方面的强者，笔者曾经试图购买色彩处理模块的开发包，答复是绝无可能；至于后期处理专家爱色丽、德塔彩色也是一样。 

图像与原物色彩完全一样是不可能的，这里涉及的因素较多。首先我们是通过显示器看到图像的，显示器的品质就很重要；其次物体反射的光线是减色系统，而显示器色彩表现是加色系统，系统的差异也使得完全一致非常困难。另外颜色是一种心理学概念，同样的显示效果不同的人观看感受可能不同，年龄和生理的差异也会产生影响。比如达芬奇晚年的作品赭石色就比较重，医学专家给出答案是人眼老化造成视网膜对赭石色敏感度下降，所以达老总是认为不够。环境光线的变化也会影响对石材颜色的判断，同时也会对显示器的色彩也会产生影响，但是这两个影响性质是不同的。石材因其组织结构的差异在不同角度的入射光下会改变视觉效果，这也是形成石材质感的重要原因。 

图1 LED官员一种典型光谱色品图

从图中可以看到最左边的蓝色光很强，而靠近波长480nm出是个低谷。这是因为LED本来是半导体发光，发出的是蓝光。通过在硅胶中添加稀土荧光材料激发出其他波长的光。下面图2是色温和显色指数等数据。

图2 色温 显指

此光源色温7980K；显指Ra=76.9，是R1-R8的平均值；R9-R10-R12在50一下，R9更可怜只达到8。 这个光源是文中提到的某大牌光源，线聚光、高流明，外观漂亮制作精良。但是不适合作为石材大板图像采集设备的光源。 

我们再来看看南方仲夏下午15点的日光。 

图3 南方仲夏午后日光光谱

从上面的光谱图可以看出，图形饱满无明显的峰谷。红色丰富，远离饱和波长处也有不错的强度，色温为5207K，比5500K的标准值略低。下面再看测试的显色指数。

图4 显色指数

上图可看出即使是测量的阳光，显色指数也没到100。Ra=98.3是人造光源梦寐以求的。R9最低，也达到了92.1。再看看LED光源做好点能达到的水平。 

图5 高显指LED光源

从上图可以看到，Ra=96.4，且R9-R10-R11也很高，而最低的R12也接近第一个光源的Ra。这样的光源肯定比第一个更适合作为采集设备光源。 

2，逼真质感 

拍摄高光的物品，不在于小件还是较大面积，都有不错的作品。但是这些作品都有一个共同的特点，保真度不行。这里说的保真度是指，即使是匀质的材质如不锈钢，拍摄后的物体虽然很漂亮，但各个局部色彩、亮度并不均匀，正是靠这些差异来表现该物体的质感与美感。最典型的例子就是玉器的拍摄，这是和某些石材有共性的材质的材料。非常漂亮的摄影作品，其拍摄手法搬来采集石材大板图像，就会失真。 

表现石材大板的质感，是要在均匀的板面、真实的色彩、清晰的纹理前提下，让石材表面玉质的晶亮油光的感觉有所体现。 

第一个前提是色彩要有足够的深度，以表现出微妙的色阶变化。这个指标各厂家的相机产品基本一致，这时候就要看品质而不是看参数了。其次既然环境光能对石材观感产生影响，比如黑金沙、兰珍珠、易县黑，布光就是关键因素之一。还有软件算法至关重要，既然能用软件去雾，有人还编制出专门的去雾算子，有不错的去雾效果，那么研究吃透质感成因采取适合的算法就有助于提高图像的质感，只是要经过艰苦的演算掌握技巧。看看PS的滤镜，看看VRay的渲染，就知道应该能够做到，或找到能够做到的人才。 

做到表现逼真质感需要一个团队而不是一个程序员。一个人再博学也不可能面面俱到；一个人技术再强也不太可能精通几个专业领域；现代科技的特点就是专业划分很细，很窄的题目要突破也要倾注很多的工作甚至毕生的精力。擅长色彩管理的人员加入开发团队而不是从头学起也是加块开发进度的不错选择。 

图5 质感还可以做出来

电脑时代墨写的黑字变成翠绿的翡翠，开发这种软件的人就是大师，请来就不愁出不来石材的质感。  

3，清晰的纹理 

前面提到过清晰度是最容易做到的，是相比较色彩和质感而言的。首先澄清一个概念，高像素不代表高清晰度。举一个简单的例子，如果我们使用高像素高清晰成像的设备采集一张年代久远的照片，我们可以得到原作的忠实复件，却不会使照片中的场景变清晰。获得高清晰图像由3个环节决定。1，物体清晰成像；2，传感器清晰捕获；3，传感器输出的模拟信号被高精度转换成数字信号。这三个环节大部分取决于相机的质素，也取决于光路设计及调整。

用于工业目的的相机镜头都是定焦镜头，如果使用了变焦镜头，成像质量肯定没有同类型的定焦镜头好。 镜头的成像区域尺寸要和传感器尺寸匹配。由于镜头的边缘比起中心部分成像质量差，最好成像区域比传感器尺寸略大。经常碰到一些几百万像素级别的所谓高清相机，成像质量不如普清，问题就出在镜头上。石材大板图像采集所用的线阵相机，一般都选用8K级别的，就是每条扫描线有8K个像素点。这个规格换算成面阵相机表达，一幅图像已经突破千万像素级别。如此高分辨率的相机，对镜头的要求是非常高的。设计水平不高、制作精度不够的镜头，必然会产生重影、彩虹边等现象，极大影响成像的清晰度。 

相机传感器的品质也影响成像质量，这个显而易见。传感器在相机中的安装位置精度不高，与镜头焦平面不平行不重合，势必影响清晰度。

另一些与安装精度有关的参数是相机焦平面与石材大板平面的平行度和与物距对应。这些参数是动态的概念，就是说不但要调整好静态的精度，还要保证采集图像过程中保持这个精度。采集设备制造商一般会精心调整好静态时的参数，而采集过程的精度被忽略或束手无策。比如石材大板传输过程中的振动会影响成像质量。 

清晰度其实也离不开色彩表现力。一些渐变颜色区域表达不够或不能表达，一般会被认为是清晰度问题，但极有可能是色阶表现力不够。区别产生原因的测试方法是看采集的表格、文字是否清晰，然后再做判断。 

8K分辨率的线阵相机虽然可以得到亿级像素的图像，其实清晰度是不高的，每个像素约0.5mm，只相当于100dpi，限制了采集的图像的应用领域。在有需要将板面局部位置以实际大小输出时，比如打印图片替代实物样板，比如印刷样本目录，这样的分辨率会惨不忍睹。适合打印和印刷的分辨率，行业共识是要达到300dpi。这个概念用流行的视网膜清晰度比较好解释，300dpi比视网膜清晰度略低。如果要获得300dpi的图像，8K的像素只能分布在约27英寸，也就是约675mm范围。300dpi如果要获取大约2000mm长度影像，像素总数要达到24K。目前工业成品线阵相机最高能够达到12K，还且不说色彩表现口碑不佳。大概这也是世界一流大幅面扫描设备制造商没推出2米以上幅面宽度的扫描设备的重要原因。 

采集石材大板图像要达到300dpi以上的分辨率，目前的相机技术水平只能采取多相机采集软件拼接融合的方案。多相机方案大大增加了采集设备的机械难度和软件难度，相机采集的图像拼接有纯机械拼接方案和机械与软件配合方案。通过机械调整使相机采集到的只有微米级的像素点在3维空间对接，即使不是光学机械专业人员对其难度也不难想象。机械与软件协同方案降低了机械调节难度，但调整工作也不是轻易就能搞定的。软件的融合拼接算法、运算的速度优化等都需要功力。限于篇幅这里不深入探讨，有兴趣的读者可查看相关论述。 

但是拼接方案也有其有利的一面。由于单个相机采集长度降低到原来的1/3（三个相机并联）到1/4（四个相机并联），使得视距也同样缩短，换句话说，相机到石材大板大光程缩短到原来的1/3到1/4。如此一来可以不通过反射光路就能直接采集到图像，这对于保证采集清晰度很重要。 

回到反射光路的话题，由于对石材大板图像采集设备外形尺寸特别是高度尺寸的限制，有些厂商采用了反射光路以降低高度，采用反射光路也是光学系统常见的手段，被应用在许多光学仪器设备中，比如最常见的办公用的扫描仪。不使用超广角镜头是因为此类镜头畸变严重，所以选用60mm焦距的微距镜头是最有利于清晰成像的。但是光线经过一次反射就会产生损失和畸变，这个量与采用的光学器件关系密切。小体积的光学反射镜片可以制作得很精密，对于石材大板采集设备来讲，反射镜片为细长形状，长度超过1.2米，甚至接近1.6米，其制造工艺和精度要求都很高，如果凭想象使用普通玻璃镜子作为反射镜就会使光线损失和畸变急剧升高。首先反射镜应该使用有一定厚度的材料并辅以增强框架以增加机械强度；其次应该采用专业光学镜片加工工艺，采用表面反射而不是透射反射；虽然增加真空溅射反射膜的厚度可以增加平均反射率，但是会造成反射不均匀，必须根据实际效果权衡。

4，精准板面 

先解释精准板面的的定义，扫描获得的图像会产生畸变，线阵相机在石材大板运动方向的畸变控制，实际上是根据传感器像素间距控制好采集像素线间隔，这点相对容易。在采集线方向。就是垂直于石材大板运动方向上的畸变，主要是镜头畸变造成，要通过软件进行校正。是否需要校正实际上与图像应用目的有关，在机器视觉领域由于主要是用于检测，所以对图像的几何精度有很高的要求。如果图像主要是为了市场营销，工程设计参考，对于石材纹理对接匹配没有严格的要求，线阵相机获取的图像经过石材运行方向的校正就完全满足需要。 

但是有些情况比较特殊，因为石材的美感很大程度上取决于丰富的纹理，石材工程对于纹理的分布或拼接效果评价有时是十分重要的指标，实际上在材料确定的情况下纹理的拼接与分布就是影响工程效果的关键因素。有些有明显缺陷的板材，通过追纹排版，真的有化腐朽为神奇的效果。观赏者的注意力被吸引到天然纹理和色彩组成的图案上来，甚至缺陷也成了图案的一部分。对于鱼肚白这类具有优雅而疏密有致的纹理和迷人底色的昂贵石材品种，如果搞乱纹理就会变成破布一块。 

如此一来利用石材大板图像进行石材工程规划、排版就是石材生产、设计单位孜孜以求的事情。对于版面规划的设计者总是希望图像与板面完全一致，颜色、质感、尺寸和纹理。深圳某装饰公司承接的大连某工程，就将卡拉卡特狗头石荒料，做成一朵朵盛开的牡丹花。对于石材厂施工人员，大工程靠搬弄石材大板进行排版是几乎不可能的事情。 

意大利一家著名的石材产品软件公司的软件介绍，也特别提到了板面任意部位一一对应。这就需要在采集图像过程中对相机进行标定，对图像进行正畸。常见的标定方法是基于特定算法的。比如著名的张正有标定法，还有更先进的只用一张标定板就可以检测图像的三维倾斜和水平（二维）旋转及其畸变并进行校正。 

经过校正后的图像在后期还有重要应用，就是在智能化切割机上实现兼顾出材率和纹理效果的切割排版，这项技术无疑也会提升石材行业的水平。

5，多种格式 

采集的图像格式多样有两层含义，第一是指图像分辨率多样，第二是指图形文件格式多样。 

依据不同的应用和对图形文件体积与图像质量的权衡，最好可以使用多种分辨率采集图像。从印刷质量的300dpi到网络传输的50dpi，中间100dpi、200dpi可选，就可以满足不同层次不同客户的需求。 石材研习社（微信号stone5A）

图像格式与图像质量和文件大小有关，也决定能否进行后期处理。常用的JPEG格式属于有损压缩，具有可选的压缩比，算法先进，是一般应用首选格式；tiff格式是一种无损格式，广泛应用于印刷行业；RAW格式可以借助专门的软件进行后期白平衡、曝光度等设定，为石材大板图像进一步应用及质量改善提供了可能。 

至于采集时选择何种格式，各企业根据实际情况而定。100dpi相当于8K相机，2200mmX800mm样张JPEG压缩级数选为5级后文件体积3.7M，有不错的色彩、质感、清晰度表现足可应付一般应用，特别是在国内网络提速的情况下；同样100dpi，压缩级数选为8级，文件体积增加一倍，图像质量略好，如果不放在一起细看，没啥区别；100dpi图像tiff格式，文件体积达到168M，能够看出与JEPG压缩级别为5级的区别，而体积急速增长。没有测试100dpi图像的打印效果。300dpi同一样张，tiff格式文件体积1.42G，达到恐怖程度，但图像质量胜出明显。 

笔者认为石材大板图像采集系统是时代发展的必然，目前处于高速发展前夜。本文目的在于向消费者介绍相关知识以对今后选择提供参考；与设备供应商分享经验和研究心得，希望藉此在近垂暮之年为毕生从事的行业奉献绵薄之力。 

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作者：崔洪章  infoe@yfkete

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