Forstå objektivaberrasjoner og objektivforvrengning
I verdenen av machine vision avhenger oppnåelsen av presise og pålitelige resultater i stor grad av å ta bilder av høy kvalitet. Selv om industrielle kameraer og belysning for maskinsyn spiller avgjørende roller, er machine vision-objektivet kanskje den mest kritiske komponenten for å sikre at bildet gjengir objektet som inspiseres på en nøyaktig måte. Objektivene er imidlertid ikke perfekte, og måten de bryter og fokuserer lys på, kan føre til ulike ufullkommenheter i det resulterende bildet. Disse ufullkommenhetene er kjent som objektivaberrasjoner og objektiv forvrengning. Det er avgjørende at systemdesignere og integratorer av machine vision-systemer forstår disse fenomenene for å kunne velge riktig objektiv og optimalisere systemytelsen, slik at man unngår potensielt bortkastede investeringer i uegnede komponenter.
Hva er objektivaberrasjoner og objektivforvrengning?
Objektivaberrasjoner er avvik fra den ideelle bildeformasjonen av et machine vision-objektiv, som fører til at bildet blir uskarpt, får fargekanter eller viser andre feil som ikke finnes i det faktiske objektet. De oppstår fordi reelle objektiver ikke kan fokusere alle innkommende lysstråler perfekt til ett enkelt punkt, selv når de er perfekt fremstilt. Aberrasjoner klassifiseres generelt i to hovedtyper: monokromatisk aberrasjon og kromatisk aberrasjon. I 1857 ble fem viktige typer monokromatiske objektivaberrasjoner definert: sfærisk aberrasjon, koma, astigmatisme, feltkrumning og forvrengning. Aksiale og laterale kromatiske aberrasjoner ble identifisert senere, og oppstår med polykromatisk lys.
I en ideell verden ville et objektiv fokusere alle innkommende lysstråler fra ett enkelt punkt på et objekt til ett tilsvarende punkt på bildesensoren, uavhengig av lysets farge eller hvor strålen passerer gjennom objektivet. Objektivaberrasjoner representerer avvik fra denne ideelle oppførselen, og fører til at lysstråler konvergerer feil eller forskyves i posisjon, noe som resulterer i uskarpe eller forvrengte bilder.
Objektivforvrengning er en spesifikk type aberrasjon der bildets forstørrelse varierer over synsfeltet, slik at rette linjer i objektet fremstår som buede i bildet. Ved geometrisk forvrengning forskyves bildepunkter radialt fra den optiske aksen, slik at rette linjer fremstår som buede. I motsetning til enkelte andre aberrasjoner gjør ikke forvrengning bildet uskarpt, men endrer formen.
Hvis du ønsker å lære mer om objektivaberrasjoner og objektivforvrengning, kan du gjerne bla ned for ytterligere ressurser.
Interessert i utvalget av objektiver vi tilbyr hos VA Imaging, eller har du spesifikke spørsmål? Ikke nøl med å ta kontakt. Fyll ut kontaktskjemaet nedenfor, så hjelper et medlem av teamet vårt deg gjerne.
Forståelse av objektivforvrengning
Objektivforvrengning er, i motsetning til disse skarphetsproblemene, et geometrisk fenomen som forskyver bildepunkter radialt i forhold til den optiske aksen uten nødvendigvis å gjøre dem uskarpe. Posisjonen til et punkt i et lett uskarpt bilde kan fortsatt måles som sentrum av det uskarpe punktet; dersom den målte posisjonen imidlertid er unøyaktig på grunn av forvrengning, vil resultater som avhenger av bildekoordinater, være feilaktige. De vanligste typene forvrengning er radialt symmetriske. Disse radiale forvrengningene faller vanligvis inn i to kategorier: tønneforvrengning og puteforvrengning.
Betydelige objektivaberrasjoner
Selv om objektivforvrengning er én type objektivaberrasjon, skiller den seg fra andre som sfærisk aberrasjon, koma, astigmatisme og feltkrumning, som primært påvirker bildeskarpheten uten å endre objektets grunnleggende struktur i bildet (en rett linje forblir rett, selv om den potensielt blir uskarp). Forvrengning kan derimot grunnleggende endre den oppfattede formen på objekter i bildet.
La oss kort berøre noen av de andre aberrasjonene for å fremheve denne forskjellen:
Sfærisk aberrasjon
Forekommer ofte i eldre eller objektiver av lavere kvalitet. Den oppstår når lysstråler som passerer gjennom den horisontale aksen i et sfærisk objektiv, konvergerer på ulike punkter etter å ha passert gjennom objektivet, avhengig av om de passerer nærmere sentrum eller periferien av synsfeltet. I et perfekt objektiv ville alle stråler konvergere på samme fokalpunkt. Resultatet av sfærisk aberrasjon er et uskarpt bilde, ettersom et enkelt punkt i objektet avbildes som en flekk i stedet for et skarpt punkt på sensoren. Mange moderne objektiver bruker asfæriske objektivelementer, som har en krumning som varierer fra kanten til sentrum, spesielt utformet for å korrigere lysstråler og lede dem til ett enkelt fokalpunkt, og dermed redusere sfærisk aberrasjon.
Koma
En annen aberrasjon som påvirker punkter utenfor aksen. Lysstråler som passerer gjennom punkter lenger fra den optiske aksen, brytes annerledes enn de som er nærmere aksen. Dette gjør at punktkilder utenfor aksen fremstår forvrengt med en karakteristisk dråpe- eller kometlignende form i bildeplanet, ofte større enn strålene som passerer gjennom aksen. Koma bidrar, i kombinasjon med sfærisk aberrasjon, til uregelmessige former og uskarphet i bilder.
Astigmatisme
Oppstår når et punktobjekt befinner seg langt fra aksen til et objektiv. Ligner på feltkrumning ved at det påvirker skarpheten fra hjørne til hjørne, med skarpere områder vanligvis i sentrum. Astigmatisme påvirker imidlertid også forstørrelse over hele bildet, noe som ofte fører til mindre klarhet i berørte områder sammenlignet med feltkrumning alene. Astigmatisme fører til at lysstråler orientert horisontalt og vertikalt har ulike fokuspunkter. Forskjellen mellom disse brennviddene, kjent som den astigmatiske avstanden, fungerer som et mål på mengden astigmatisme i objektivet.
Feltskurvatur
Et svært vanlig problem der målobjektet bare fremstår skarpt i enkelte deler av bilderammen, i stedet for å være jevnt skarpt over hele synsfeltet. Vanligvis kan midten av bildet være skarpere og ha bedre kontrast enn kantene, som fremstår som uskarpe eller ute av fokus. Dette skjer fordi selve dybdeskarpheten er krummet, og objektivet avbilder et flatt objekt på en krummet overflate. Siden digitale kameraer har flate bildesensorer, resulterer opptak av dette krummede bildet i uskarphet mot periferien. De fleste, om ikke alle, objektiver vil produsere en viss grad av feltskurvatur, og objektiver av høyere kvalitet viser generelt mindre. I objektiver fra den virkelige verden med flere elementer kan feltskurvatur noen ganger fremstå som «bølgete», noe som betyr at bildet kan være skarpt i midten og hjørnene, men mindre skarpt på mellomliggende punkter.
Kromatisk aberrasjon
Oppstår ved bildebehandling med polykromatisk (farget) lys. Det skjer fordi brytningsindeksen til objektivmaterialet varierer noe avhengig av lysets bølgelengde (farge). Siden brytningsindeksen er forskjellig for ulike farger (f.eks. større for blått lys enn rødt lys), fokuseres ulike bølgelengder forskjellig. Det finnes to typer:
- Aksial kromatisk aberrasjon oppstår fordi ulike bølgelengder fokuseres på forskjellige punkter langs den optiske aksen. Dette fører til uklare farger både foran og bak den ideelle fokusposisjonen. Denne variasjonen i fokuspunkter for ulike farger er mer merkbar ved kantene og hjørnene av bildet, der lysstyrken kan være høyere.
- Lateral kromatisk aberrasjon oppstår fordi ulike bølgelengder forstørres i ulik grad. Dette resulterer i fargekanter rundt detaljer med høy kontrast i bildet. Disse kantene kan vises som at fine detaljer blir uskarpe med motsatte farger (f.eks. røde og cyanfargede kanter) på hver side. Lateral kromatisk aberrasjon ses ofte ved kantene og hjørnene av bilder, særlig med objektiver med stor blenderåpning. Det er viktig å merke seg at denne aberrasjonen skyldes objektivet, ikke kamerasensoren.
Metoder for å minimere eller eliminere objektivforvrengning
- Objektivdesign: Selv om det er umulig å oppnå et «perfekt» objektiv, bruker objektivdesignere teknikker for å redusere forvrengning og andre aberrasjoner. Bruk av flere objektivelementer eller inkorporering av asfæriske overflater kan hjelpe. Utforming av objektiver med egnede former og materialer kan minimere aberrasjoner som koma.
- Blenderåpning: Plassering av en blenderåpning kan bidra til å minimere sfærisk aberrasjon. Blenderåpninger kan også brukes til å minimere eller eliminere forvrengning. Symmetrisk plassering av en blenderåpning mellom to objektiver kan bidra til å kompensere for motvirkende typer forvrengning (f.eks. tønneformet forvrengning fra ett objektiv og puteforvrengning fra det andre). Reduksjon av blenderåpningens størrelse kan redusere mengden lys som passerer gjennom ytterkantene av sfæriske objektiver, og dermed redusere muligheten for aberrasjoner og forvrengning, selv om dette påvirker eksponering og kontrast.
- Valg av egnede objektiver: Å velge objektiver som er kjent for lav forvrengning, er en direkte måte å unngå problemet på. For oppgaver som involverer målinger, kan det være fordelaktig å bruke et makroobjektiv beregnet for nærfotografering, som ofte er godt korrigert for forvrengning. Bruk av en brennvidde som er mindre utsatt for forvrengning for det aktuelle objektivet, som området 35–55 mm på enkelte kameraer, kan også hjelpe.
- Programvarekorrigering: Dette er en kraftig og mye brukt metode, særlig innen digital fotografering og computer vision. Programvarekorrigering krever kamerakalibrering for å fastslå objektivets forvrengningskoeffisienter. Dette innebærer bruk av kalibreringsmål (som sjakkbrett) med kjente 3D-punkter og tilhørende bildeprojeksjoner (for å kontrollere forvrengningen i objektivet ditt anbefaler vi å bruke vårt sjakkbrettmønsterdiagram, som kan lastes ned her, Gratis testdiagram) Når kalibreringen er utført, brukes forvrengningsparametrene til å korrigere bildet. Programvaren kan kalibreres (ved bruk av eksisterende objektivprofiler) eller tillate manuell justering av parametere. Biblioteker som OpenCV tilbyr funksjoner for kamerakalibrering og korrigering av forvrengning i bilder. Prosessen innebærer vanligvis kalibrering for å hente intrinsiske parametere (inkludert forvrengningsparametere), finjustering av kameramatrisen for å optimalisere det korrigerte bildet, og deretter anvendelse av korrigeringsprosessen. Enkelte kamerasystemer utfører automatisk forvrengningskorrigering ved hjelp av parametere lagret i objektivets fastvare.
For nøyaktige machine vision- og computer vision-applikasjoner er det avgjørende å håndtere objektivforvrengning. Selv om valg av veldesignede objektiver kan minimere problemet på forhånd, er kamerakalibrering og programvarekorrigering ofte nødvendig, særlig for kvantitative oppgaver. Det er viktig å forstå egenskapene til ulike typer forvrengning og begrensningene i modellene som brukes til korrigering, for å sikre påliteligheten til resultater fra bildeanalyse.
Avsluttende objektivaberrasjoner og objektivforvrengning
Objektivaberrasjoner og forvrengning er iboende optiske fenomener som kan påvirke bildekvaliteten betydelig i machine vision-applikasjoner. Fra forvrengningseffektene ved tønne- og puteforvrengning til uskarpheten forårsaket av sfærisk aberrasjon, koma og astigmatisme, samt fargekantene fra kromatisk aberrasjon, byr hver type på unike utfordringer. Feltkrumning påvirker jevn skarphet over hele bildeflaten. Ved å forstå disse effektene, hvordan de skyldes objektivdesignet, og hvordan de kan minimeres gjennom valg av objektiv og systemkonfigurasjon (som justering av blenderåpning), kan designere og systemintegratorer ta velinformerte beslutninger for å sikre at det valgte objektivet er optimalisert for de spesifikke kravene til kamera og applikasjon.