Comprendere le aberrazioni dell'obiettivo e la distorsione dell'obiettivo
Gaspar van Elmbt
Nel mondo della machine vision, ottenere risultati precisi e affidabili dipende fortemente dalla cattura di immagini di alta qualità. Sebbene le telecamere industriali e l'illuminazione per machine vision svolgano ruoli fondamentali, l'obiettivo per machine vision è forse il componente più critico per garantire che l'immagine riproduca fedelmente l'oggetto ispezionato. Tuttavia, gli obiettivi non sono perfetti e il modo in cui rifrangono e mettono a fuoco la luce può portare a varie imperfezioni nell'immagine risultante. Queste imperfezioni sono note come aberrazioni dell'obiettivo e distorsione dell'obiettivo. Comprendere questi fenomeni è essenziale per i progettisti e gli integratori di sistemi di machine vision, al fine di scegliere l'obiettivo giusto e ottimizzare le prestazioni del sistema, evitando potenziali investimenti sprecati su componenti non idonei.
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Cosa sono le aberrazioni dell'obiettivo e la distorsione dell'obiettivo?
Le aberrazioni dell'obiettivo sono deviazioni dalla formazione ideale dell'immagine da parte di un machine vision obiettivo, che causano l'immagine sfocata, la presenza di frange colorate o altri difetti non presenti nell'oggetto reale. Si verificano perché gli obiettivi reali non possono mettere perfettamente a fuoco tutti i raggi di luce in un unico punto, anche se perfettamente realizzati. Le aberrazioni sono generalmente classificate in due tipologie principali: aberrazione monocromatica e aberrazione cromatica. Nel 1857 sono stati definiti cinque tipi principali di aberrazioni monocromatiche dell'obiettivo: aberrazione sferica, coma, astigmatismo, curvatura di campo e distorsione. Le aberrazioni cromatiche assiali e laterali sono state identificate successivamente, e si verificano con la luce policromatica.
In un mondo ideale, un obiettivo metterebbe a fuoco tutti i raggi di luce provenienti da un singolo punto di un oggetto su un unico punto corrispondente sul sensore d'immagine, indipendentemente dal colore della luce o dal punto in cui il raggio attraversa l'obiettivo. Le aberrazioni dell'obiettivo rappresentano deviazioni da questo comportamento ideale, causando la convergenza errata dei raggi di luce o lo spostamento della loro posizione, portando a immagini sfocate o distorte.
La distorsione dell'obiettivo è un tipo specifico di aberrazione in cui l'ingrandimento dell'immagine varia attraverso il campo visivo, facendo apparire curve le linee rette dell'oggetto nell'immagine. Nella distorsione geometrica, i punti dell'immagine sono spostati radialmente rispetto all'asse ottico, facendo apparire curve le linee rette. A differenza di altre aberrazioni, la distorsione non sfoca l'immagine ma ne modifica la forma.
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Comprendere la distorsione dell'Obiettivo
La distorsione dell'obiettivo, a differenza di questi problemi di nitidezza, è un fenomeno geometrico che sposta i punti dell'immagine radialmente rispetto all'asse ottico senza necessariamente sfocarli. La posizione di un punto in un'immagine leggermente sfocata può ancora essere misurata come il centro del punto sfocato; tuttavia, se tale posizione misurata è imprecisa a causa della distorsione, i risultati che dipendono dalle coordinate dell'immagine saranno errati. I tipi più comuni di distorsione sono radialmente simmetrici. Queste distorsioni radiali rientrano tipicamente in due categorie: distorsione a barilotto e distorsione a cuscinetto.
Aberrazioni significative dell'Obiettivo
Sebbene la distorsione dell'obiettivo sia un tipo di aberrazione dell'obiettivo, è distinta da altre come l'aberrazione sferica, il coma, l'astigmatismo e la curvatura di campo, che influenzano principalmente la nitidezza dell'immagine senza modificare la struttura di base dell'oggetto nell'immagine (una linea retta rimane retta, anche se potenzialmente sfocata). La distorsione, invece, può alterare in modo fondamentale la forma percepita degli oggetti nell'immagine.
Accenniamo brevemente ad alcune delle altre aberrazioni per evidenziare questa distinzione:
Aberrazione sferica
Si verifica comunemente in obiettivi più vecchi o di qualità inferiore. Si manifesta quando i raggi di luce che attraversano l'asse orizzontale di un obiettivo sferico convergono in punti diversi dopo aver attraversato l'obiettivo, a seconda che passino più vicino al centro o alla periferia del campo visivo. In un obiettivo perfetto, tutti i raggi convergerebbero nello stesso punto focale. Il risultato dell'aberrazione sferica è un'immagine sfocata, poiché un singolo punto dell'oggetto viene riprodotto come una macchia anziché come un punto nitido sul sensore. Molti obiettivi moderni impiegano elementi ottici asferici, che presentano una curvatura variabile dal bordo al centro, appositamente progettati per correggere i raggi luminosi e guidarli verso un unico punto focale, riducendo così l'aberrazione sferica.
Coma
Un'altra aberrazione che colpisce i punti fuori asse. I raggi luminosi che attraversano punti più lontani dall'asse ottico vengono rifratti in modo diverso rispetto a quelli più vicini all'asse. Questo fa sì che le sorgenti puntiformi fuori asse appaiano distorte con una caratteristica forma a goccia o a cometa sul piano dell'immagine, spesso più grande rispetto ai raggi che passano attraverso l'asse. La coma, in combinazione con l'aberrazione sferica, contribuisce a forme irregolari e sfocature nelle immagini.
Astigmatismo
Si verifica quando un oggetto puntiforme è lontano dall'asse di un obiettivo. Simile alla curvatura di campo in quanto influisce sulla nitidezza da angolo ad angolo, con aree generalmente più nitide al centro. Tuttavia, l'astigmatismo influisce anche sull'ingrandimento lungo l'intero fotogramma, portando spesso a una minore chiarezza nelle aree interessate rispetto alla sola curvatura di campo. L'astigmatismo si manifesta quando i raggi luminosi orientati orizzontalmente e verticalmente hanno punti focali diversi. La differenza tra queste lunghezze focali, nota come distanza astigmatica, rappresenta una misura della quantità di astigmatismo nell'obiettivo.
Curvatura di campo
Un problema molto comune in cui l'oggetto target appare nitido solo in alcune parti dell'inquadratura, invece di essere uniformemente nitido su tutto il campo visivo. Tipicamente, il centro dell'immagine può risultare più nitido e mostrare un contrasto migliore rispetto ai bordi, che appaiono sfocati o fuori fuoco. Questo accade perché la profondità di campo stessa è curva e l'obiettivo proietta un oggetto piatto su una superficie curva. Poiché le fotocamere digitali hanno sensori di immagine piatti, la cattura di questa immagine curva comporta una sfocatura verso la periferia. La maggior parte degli obiettivi, se non tutti, produce un certo grado di curvatura di campo, con gli obiettivi di qualità superiore che generalmente ne mostrano meno. Negli obiettivi reali con più elementi, la curvatura di campo può talvolta apparire "ondulata", il che significa che l'immagine può essere nitida al centro e agli angoli ma meno nitida nei punti intermedi.
Aberrazione Cromatica
Si verifica durante l’imaging con luce policromatica (colorata). Accade perché l’indice di rifrazione del materiale dell’obiettivo varia leggermente a seconda della lunghezza d’onda (colore) della luce. Poiché l’indice di rifrazione è diverso per i vari colori (ad esempio, maggiore per la luce blu rispetto a quella rossa), le diverse lunghezze d’onda vengono messe a fuoco in modo differente. Esistono due tipi:
- Aberrazione cromatica assiale si verifica perché le diverse lunghezze d’onda vengono messe a fuoco in punti diversi lungo l’asse ottico. Questo porta a colori sfocati sia davanti che dietro la posizione di fuoco ideale. Questa variazione dei punti focali per i diversi colori è più evidente ai bordi e agli angoli dell’immagine, dove la luminosità può essere maggiore.
- Aberrazione cromatica laterale si manifesta perché le diverse lunghezze d’onda vengono ingrandite in misura diversa. Questo comporta la comparsa di aloni colorati attorno ai dettagli ad alto contrasto nell’immagine. Questi aloni possono apparire come dettagli fini sfocati con colori opposti (ad esempio, frange rosse e ciano) su entrambi i lati. L’aberrazione cromatica laterale si osserva spesso ai bordi e agli angoli delle immagini, in particolare con obiettivi a grande apertura. È importante notare che questa aberrazione è causata dall’obiettivo, non dal sensore della Telecamera.
Metodi per minimizzare o eliminare la distorsione dell'Obiettivo
- Progettazione dell’Obiettivo: Sebbene ottenere un obiettivo "perfetto" sia impossibile, i progettisti di obiettivi utilizzano tecniche per ridurre la distorsione e altre aberrazioni. L’uso di più elementi ottici o l’incorporazione di superfici asferiche può essere d’aiuto. Progettare obiettivi con forme e materiali adeguati può minimizzare aberrazioni come la coma.
- Diaframma: Posizionare un diaframma può aiutare a minimizzare l’aberrazione sferica. I diaframmi possono anche essere utilizzati per ridurre o eliminare la distorsione. Posizionare un diaframma simmetricamente tra due obiettivi può aiutare a compensare tipi opposti di distorsione (ad esempio, a barilotto da un obiettivo e a cuscinetto dall’altro). Ridurre la dimensione del diaframma può diminuire la quantità di luce che passa attraverso i bordi esterni delle lenti sferiche, riducendo così il potenziale di aberrazioni e distorsioni, anche se ciò influisce su esposizione e contrasto.
- Selezione degli Obiettivos Appropriati: Scegliere obiettivi noti per la bassa distorsione è un modo diretto per evitare il problema. Per compiti che coinvolgono misurazioni, l’uso di un obiettivo macro progettato per riprese ravvicinate, spesso ben corretto per la distorsione, può essere vantaggioso. Utilizzare una lunghezza focale meno soggetta a distorsione per il particolare obiettivo, come la gamma 35-55mm su alcune Telecamera, può anch’esso aiutare.
- Correzione Software: Questo è un metodo potente e ampiamente utilizzato, soprattutto nella fotografia digitale e nel computer vision. La correzione software richiede la calibrazione della Telecamera per determinare i coefficienti di distorsione dell’obiettivo. Questo comporta l’utilizzo di target di calibrazione (come le scacchiere) con punti 3D noti e le loro corrispondenti proiezioni nell’immagine (Per verificare la distorsione del tuo obiettivo, consigliamo di utilizzare il nostro pattern a scacchiera, scaricabile qui, Free Test Chart). Una volta calibrati, i parametri di distorsione vengono utilizzati per correggere l’immagine. Il software può essere calibrato (utilizzando profili di obiettivo preesistenti) oppure consentire la regolazione manuale dei parametri. Librerie come OpenCV forniscono funzioni per la calibrazione della Telecamera e la correzione della distorsione delle immagini. Il processo generalmente prevede la calibrazione per ottenere i parametri intrinseci (inclusi i parametri di distorsione), la raffinazione della matrice della Telecamera per ottimizzare l’immagine corretta e quindi l’applicazione del processo di correzione. Alcuni sistemi Telecamera eseguono la correzione automatica della distorsione utilizzando parametri memorizzati nel firmware dell’obiettivo.
Per applicazioni di machine vision e computer vision accurate, affrontare la distorsione dell’obiettivo è essenziale. Sebbene la selezione di Obiettivos ben progettati possa minimizzare il problema a monte, la calibrazione della Telecamera e la correzione software sono spesso necessarie, in particolare per compiti quantitativi. Comprendere la natura dei diversi tipi di distorsione e le limitazioni dei modelli utilizzati per la correzione è importante per garantire l’affidabilità dei risultati dell’analisi delle immagini.
Concludendo le aberrazioni dell'obiettivo e la distorsione dell'obiettivo
Le aberrazioni e la distorsione dell'obiettivo sono fenomeni ottici intrinseci che possono influire in modo significativo sulla qualità dell'immagine nelle applicazioni di machine vision. Dalle deformazioni causate dalla distorsione a barilotto e a cuscinetto, all'offuscamento dovuto ad aberrazione sferica, coma e astigmatismo, fino alla frangiatura dei colori provocata dall'aberrazione cromatica, ogni tipologia presenta sfide uniche. La curvatura di campo influisce sulla nitidezza uniforme su tutto il fotogramma. Comprendendo questi effetti, come sono causati dalla progettazione dell'obiettivo e come possono essere ridotti tramite la selezione dell'obiettivo e la configurazione del sistema (ad esempio regolando il diaframma), progettisti e integratori possono prendere decisioni informate per garantire che l'obiettivo scelto sia ottimizzato per la specifica Telecamera e le esigenze dell'applicazione.
