Forståelse af objektivaberrationer og objektivforvrængning
I verdenen af Machine Vision afhænger opnåelsen af præcise og pålidelige resultater i høj grad af optagelsen af billeder i høj kvalitet. Mens industrielle kameraer og Machine Vision-belysning spiller afgørende roller, er Machine Vision-objektivet muligvis den mest kritiske komponent for at sikre, at billedet gengiver det inspicerede objekt troværdigt. Objektiverne er imidlertid ikke perfekte, og den måde, de bryder og fokuserer lyset på, kan føre til forskellige fejl i det resulterende billede. Disse fejl kaldes objektivaberrationer og objektiv forvrængning. For designere og integratorer af Machine Vision-systemer er det afgørende at forstå disse fænomener for at kunne vælge det rette objektiv og optimere systemets ydeevne samt undgå potentielt spildte investeringer i uegnede komponenter.
Hvad er objektivaberrationer og objektivforvrængning?
Objektivaberrationer er afvigelser fra den ideelle billeddannelse i et Machine Vision-objektiv, som medfører, at billedet bliver sløret, får farvekanter eller udviser andre fejl, der ikke er til stede i det faktiske objekt. De opstår, fordi virkelige objektiver ikke kan fokusere alle indkommende lysstråler perfekt til ét enkelt punkt, selv når de er perfekt fremstillet. Aberrationer klassificeres generelt i to hovedtyper: monokromatisk aberration og kromatisk aberration. I 1857 blev fem centrale typer af monokromatiske objektivaberrationer defineret: sfærisk aberration, koma, astigmatisme, feltkrumning og forvrængning. Aksiale og laterale kromatiske aberrationer blev identificeret senere og forekommer ved polykromatisk lys.
I en ideel verden ville et objektiv fokusere alle indkommende lysstråler fra ét enkelt punkt på et objekt til ét tilsvarende punkt på billedsensoren, uanset lysets farve eller hvor strålen passerer gennem objektivet. Objektivaberrationer repræsenterer afvigelser fra denne ideelle adfærd, som får lysstråler til at konvergere forkert eller forskyde position, hvilket fører til slørede eller forvrængede billeder.
Objektivforvrængning er en specifik type aberration, hvor billedets forstørrelse varierer på tværs af synsfeltet, hvilket får rette linjer i objektet til at fremstå buede i billedet. Ved geometrisk forvrængning forskydes billedpunkter radialt fra den optiske akse, så rette linjer fremstår buede. I modsætning til nogle andre aberrationer slører forvrængning ikke billedet, men ændrer dets form.
Hvis du gerne vil vide mere om objektivaberrationer og objektivforvrængning, er du velkommen til at rulle ned for yderligere ressourcer.
Er du interesseret i udvalget af objektiver, vi tilbyder hos VA Imaging, eller har du specifikke spørgsmål? Tøv ikke med at kontakte os. Udfyld blot kontaktformularen nedenfor, så vil et medlem af vores team med glæde hjælpe dig.
Forståelse af objektivforvrængning
Objektivforvrængning er i modsætning til disse skarphedsproblemer et geometrisk fænomen, der forskyder billedpunkter radialt i forhold til den optiske akse uden nødvendigvis at gøre dem uskarpe. Positionen af et punkt i et let uskarpt billede kan stadig måles som centrum for det uskarpe punkt; hvis den målte position imidlertid er unøjagtig på grund af forvrængning, vil resultater, der afhænger af billedkoordinater, være fejlbehæftede. De mest almindelige typer forvrængning er radialt symmetriske. Disse radiale forvrængninger falder typisk i to kategorier: tøndeforvrængning og pudeformet forvrængning.
Væsentlige objektivaberrationer
Selvom objektivforvrængning er én type objektivaberration, adskiller den sig fra andre såsom sfærisk aberration, koma, astigmatisme og feltkrumning, der primært påvirker billedskarpheden uden at ændre objektets grundlæggende struktur i billedet (en lige linje forbliver lige, selvom den potentielt er sløret). Forvrængning kan derimod grundlæggende ændre den opfattede form af objekter i billedet.
Lad os kort berøre nogle af de andre aberrationer for at fremhæve denne forskel:
Sfærisk aberration
Forekommer ofte i ældre objektiver eller objektiver af lavere kvalitet. Den opstår, når lysstråler, der passerer gennem den horisontale akse i et sfærisk objektiv, konvergerer i forskellige punkter efter at have passeret gennem objektivet, afhængigt af om de passerer nærmere centrum eller periferien af synsfeltet. I et perfekt objektiv ville alle stråler konvergere i samme brændpunkt. Resultatet af sfærisk aberration er et sløret billede, da et enkelt punkt i objektet afbildes som en plet frem for et skarpt punkt på sensoren. Mange moderne objektiver anvender asfæriske objektivelementer, som har en krumning, der varierer fra kanten til centrum, og som er specifikt designet til at korrigere lysstråler og føre dem til et enkelt brændpunkt, hvorved sfærisk aberration reduceres.
Koma
En anden aberration, der påvirker punkter uden for aksen. Lysstråler, der passerer gennem punkter længere fra den optiske akse, brydes anderledes end dem, der er tættere på aksen. Dette får punktkilder uden for aksen til at fremstå forvrængede med en karakteristisk tåre- eller kometlignende form i billedplanet, ofte større end de stråler, der passerer gennem aksen. Koma bidrager sammen med sfærisk aberration til uregelmæssige former og sløring i billeder.
Astigmatisme
Opstår, når et punktobjekt er langt fra aksen i et objektiv. Ligner feltkrumning, da det påvirker skarpheden fra hjørne til hjørne, hvor skarpere områder typisk findes i midten. Astigmatisme påvirker dog også forstørrelsen på tværs af billedfeltet, hvilket ofte medfører mindre klarhed i de berørte områder sammenlignet med feltkrumning alene. Astigmatisme medfører, at lysstråler orienteret vandret og lodret har forskellige fokuspunkter. Forskellen mellem disse brændvidder, kendt som den astigmatiske afstand, fungerer som et mål for mængden af astigmatisme i objektivet.
Feltkrumning
Et meget almindeligt problem, hvor målobjektet kun fremstår skarpt i bestemte dele af billedrammen i stedet for at være ensartet skarpt i hele synsfeltet. Typisk kan billedets centrum være skarpere og have bedre kontrast end kanterne, som fremstår slørede eller ude af fokus. Dette sker, fordi selve dybdeskarpheden er krum, og objektivet afbilder et fladt objekt på en krum overflade. Da digitale kameraer har flade billedsensorer, resulterer optagelse af dette krumme billede i sløring mod periferien. De fleste, hvis ikke alle, objektiver vil producere en vis grad af feltkrumning, hvor objektiver af højere kvalitet generelt viser mindre. I objektiver til den virkelige verden med flere elementer kan feltkrumning undertiden fremstå 'bølget', hvilket betyder, at billedet kan være skarpt i centrum og hjørnerne, men mindre skarpt på mellemliggende punkter.
Kromatisk aberration
Opstår ved billedbehandling med polykromatisk (farvet) lys. Det sker, fordi brydningsindekset for objektivmaterialet varierer en smule afhængigt af lysets bølgelængde (farve). Da brydningsindekset er forskelligt for forskellige farver (f.eks. større for blåt lys end for rødt lys), fokuseres forskellige bølgelængder forskelligt. Der findes to typer:
- Aksial kromatisk aberration opstår, fordi forskellige bølgelængder fokuseres på forskellige punkter langs den optiske akse. Dette fører til uklare farver både foran og bag den ideelle fokusposition. Denne variation i fokuspunkter for forskellige farver er mere tydelig ved billedets kanter og hjørner, hvor lysstyrken kan være højere.
- Lateral kromatisk aberration opstår, fordi forskellige bølgelængder forstørres i forskellig grad. Dette resulterer i farvekanter omkring detaljer med høj kontrast i billedet. Disse kanter kan fremstå som fine detaljer, der er slørede med modsatrettede farver (f.eks. røde og cyanfarvede kanter) på hver side. Lateral kromatisk aberration ses ofte ved kanterne og hjørnerne af billeder, især med objektiver med stor blændeåbning. Det er vigtigt at bemærke, at denne aberration skyldes objektivet og ikke kamera-sensoren.
Metoder til at minimere eller eliminere objektivforvrængning
- Objektivdesign: Selvom det er umuligt at opnå et "perfekt" objektiv, anvender objektivdesignere teknikker til at reducere forvrængning og andre aberrationer. Brug af flere objektivelementer eller inkorporering af asfæriske overflader kan hjælpe. Design af objektiver med passende former og materialer kan minimere aberrationer såsom koma.
- Blænde: Placering af en blænde kan hjælpe med at minimere sfærisk aberration. Blænder kan også anvendes til at minimere eller eliminere forvrængning. Placering af en blænde symmetrisk mellem to objektiver kan hjælpe med at kompensere for modsatrettede typer forvrængning (f.eks. tøndeforvrængning fra det ene objektiv og pudeformet forvrængning fra det andet). Reduktion af blændestørrelsen kan mindske mængden af lys, der passerer gennem de yderste kanter af sfæriske objektiver, og dermed reducere risikoen for aberrationer og forvrængning, selvom dette påvirker eksponering og kontrast.
- Valg af egnede objektiver: Valg af objektiver, der er kendt for lav forvrængning, er en direkte måde at undgå problemet på. Til opgaver, der involverer målinger, kan det være fordelagtigt at anvende et makroobjektiv, der er designet til nærfotografering og ofte er godt korrigeret for forvrængning. Brug af en brændvidde, der er mindre tilbøjelig til forvrængning for det specifikke objektiv, såsom området 35-55 mm på nogle kameraer, kan også hjælpe.
- Softwarekorrektion: Dette er en effektiv og udbredt metode, især inden for digital fotografering og computer vision. Softwarekorrektion kræver udførelse af kamerakalibrering for at bestemme objektivets forvrængningskoefficienter. Dette indebærer brug af kalibreringsmål (såsom skakbrætmønstre) med kendte 3D-punkter og deres tilsvarende billedprojektioner (Til kontrol af forvrængningen i dit objektiv anbefaler vi at bruge vores diagram med skakbrætmønster, som kan downloades her, Gratis testdiagram) Når kalibreringen er udført, anvendes forvrængningsparametrene til at korrigere billedet. Software kan kalibreres (ved hjælp af eksisterende objektivprofiler) eller muliggøre manuel justering af parametre. Biblioteker som OpenCV indeholder funktioner til kamerakalibrering og korrektion af forvrængning i billeder. Processen omfatter generelt udførelse af kalibrering for at opnå intrinsiske parametre (herunder forvrængningsparametre), forfining af kameramatrixen for at optimere det korrigerede billede og derefter anvendelse af processen til forvrængningskorrektion. Nogle kamerasystemer udfører automatisk forvrængningskorrektion ved hjælp af parametre, der er lagret i objektivets firmware.
For nøjagtige Machine Vision- og computer vision-applikationer er håndtering af objektivforvrængning afgørende. Selvom valg af veldesignede objektiver kan minimere problemet på forhånd, er kamerakalibrering og softwarekorrektion ofte nødvendige, især ved kvantitative opgaver. Det er vigtigt at forstå karakteren af forskellige forvrængningstyper og begrænsningerne ved de modeller, der anvendes til korrektion, for at sikre pålideligheden af resultaterne fra billedanalyse.
Afsluttende Objektivaberrationer og Objektivforvrængning
Objektivaberrationer og forvrængning er iboende optiske fænomener, der kan have betydelig indvirkning på billedkvaliteten i Machine Vision-applikationer. Fra de krumningseffekter, der skyldes tøndeformet og pudeformet forvrængning, til den sløring, der skyldes sfærisk aberration, koma og astigmatisme, samt farvekanterne fra kromatisk aberration, udgør hver type unikke udfordringer. Feltkrumning påvirker den ensartede skarphed på tværs af billedet. Ved at forstå disse effekter, hvordan de skyldes objektivets design, og hvordan de kan minimeres gennem valg af objektiv og systemkonfiguration (såsom justering af blænde), kan designere og integratorer træffe velinformerede beslutninger for at sikre, at det valgte objektiv er optimeret til de specifikke krav til kamera og applikation.