4. 图像预处理与增强
在 In-Sight 视觉系统中，相机采集到的原始图像往往并不适合直接送入缺陷检测工具。光照不均、镜头渐晕、传感器噪声、工件表面纹理干扰等因素，都会让真正需要关注的缺陷在灰度上"淹没"在背景里。图像预处理与增强的任务，就是在不改变缺陷本质特征的前提下，重新分配图像的灰度分布、抑制干扰、突出目标，使后续的 Blob、边缘、斑点或缺陷检测工具能够稳定地"看见"缺陷。
本节围绕三类核心手段展开：灰度变换、滤波、形态学操作，并针对低对比度缺陷给出可落地的预处理策略组合。
一、灰度变换：重新分配亮度，拉开缺陷与背景的差距
灰度变换是逐像素操作，输出像素值只由输入像素值决定，不依赖邻域。它解决的核心问题是"对比度不足"和"亮度偏移"。
线性拉伸是最基础的手段。设输入灰度范围为 [Imin, Imax]，希望映射到 [Omin, Omax]，则输出为 O = (I − Imin) × (Omax − Omin) / (Imax − Imin) + Omin。例如某金属件图像灰度集中在 90～150，缺陷与背景仅差 8 个灰度级，肉眼几乎不可分。若将 90 映射到 0、150 映射到 255，则原本 8 级的差异被放大到约 34 级，缺陷立刻显现。In-Sight 中可通过"Extract Histogram"先统计实际灰度分布，再据此设定拉伸区间，避免盲目拉伸导致过曝或截断。
伽马变换 O = 255 × (I/255)^γ 用于非线性调整。γ < 1 提亮暗部，适合暗背景上的亮缺陷；γ > 1 压暗亮部，适合亮背景上的暗缺陷。当缺陷只出现在某一亮度区间时，伽马变换比线性拉伸更精准。
阈值分割可视为最极端的灰度变换：将灰度二值化为 0/255。它既是增强手段，也是缺陷提取的前置步骤。关键在于阈值选取——固定阈值适合光照稳定的产线，自适应阈值（如基于局部均值的动态阈值）适合光照波动或曲面工件。
二、滤波：在空间域抑制噪声、保留缺陷边缘
滤波是邻域操作，输出像素由周围像素共同决定。选择滤波器的核心矛盾是：平滑噪声与保留边缘往往相互冲突。
均值滤波用邻域平均替代中心像素，能有效抑制随机噪声，但会模糊缺陷边缘，对细小缺陷不利。高斯滤波按距离加权，平滑更自然，边缘模糊程度低于同尺寸均值滤波，是通用去噪的首选。中值滤波取邻域中值，对椒盐噪声（孤立亮点/暗点）效果极佳，且能较好保留边缘，适合表面有灰尘、反光点的场景。
当缺陷本身是"边缘型"（如划痕、裂纹）时，应使用锐化或边缘增强而非平滑。拉普拉斯算子、Sobel 算子可突出灰度突变区域。In-Sight 的"Filter"工具支持在预处理链中串联多个滤波步骤，建议顺序为：先去噪（中值/高斯），再增强边缘（锐化），避免先锐化把噪声也放大。
三、形态学操作：按几何形状筛选缺陷
形态学操作基于结构元素（核）对二值或灰度图像进行形状运算，是缺陷增强中"按形状筛选"的利器。
腐蚀使亮区域收缩，可消除小于结构元素的亮点噪声；膨胀使亮区域扩张，可填补缺陷内部的小孔洞、连接断裂的缺陷区域。开运算（先腐蚀后膨胀）去除小亮点、保留大目标；闭运算（先膨胀后腐蚀）填补小暗孔、平滑缺陷轮廓。
举例：某塑料件表面有直径约 0.3 mm 的黑点缺陷，同时存在大量 0.05 mm 的灰尘亮点。若直接做 Blob 分析，灰尘会被误判。此时可先做一次开运算，结构元素选 3×3 圆形，灰尘亮点被消除，而 0.3 mm 缺陷保留；再做闭运算填补缺陷内部反光造成的小孔，最后送入 Blob 工具统计面积与圆度，即可稳定区分真实缺陷与干扰。
四、低对比度缺陷的预处理策略
低对比度缺陷的典型特征是：缺陷与背景灰度差小（常小于 15 个灰度级）、缺陷尺寸小、背景纹理复杂。针对这类缺陷，单一手段往往不够，需要组合策略。
策略一：先拉伸，再滤波，后形态学。顺序不能颠倒。若先滤波，低对比度缺陷的边缘会被进一步模糊；若先形态学，噪声会被当作缺陷放大。正确顺序是：线性拉伸或伽马变换先把灰度差拉开，再用中值/高斯去噪，最后用开/闭运算按形状筛选。
策略二：局部对比度增强替代全局拉伸。当光照不均时，全局拉伸会把亮区过曝、暗区仍不足。此时可用"背景估计 + 差分"：先对图像做大核高斯模糊得到背景，再用原图减去背景，得到仅保留局部变化的残差图。缺陷在残差图中表现为局部亮/暗斑，对比度显著提升。In-Sight 中可用"Image Math"或"Filter"组合实现。
策略三：多尺度形态学。对尺寸未知的缺陷，用不同大小的结构元素分别做开运算，取各尺度结果的差异或并集，可同时捕获大缺陷和小缺陷，避免单一核尺寸漏检。
总结来说，灰度变换解决"看不看得见"，滤波解决"干不干净"，形态学解决"是不是缺陷"。三者按"拉伸→去噪→形状筛选"的顺序组合，并针对低对比度场景引入局部增强与多尺度策略，才能让 In-Sight 的缺陷检测工具在复杂工况下保持稳定、可重复的判定能力。