Zrozumienie aberracji obiektywu i dystorsji obiektywu
W świecie widzenia maszynowego uzyskanie precyzyjnych i niezawodnych wyników w dużej mierze zależy od rejestrowania obrazów wysokiej jakości. Chociaż kamery przemysłowe i oświetlenie do systemów wizyjnych odgrywają kluczową rolę, obiektyw do widzenia maszynowego jest być może najważniejszym komponentem zapewniającym, że obraz wiernie odwzorowuje kontrolowany obiekt. Obiektywy nie są jednak idealne, a sposób, w jaki załamują i ogniskują światło, może prowadzić do różnych niedoskonałości powstałego obrazu. Te niedoskonałości są znane jako aberracje obiektywu i dystorsja obiektywu. Zrozumienie tych zjawisk jest niezbędne projektantom i integratorom systemów widzenia maszynowego do wyboru odpowiedniego obiektywu i optymalizacji wydajności systemu, pozwalając uniknąć potencjalnie zmarnowanych inwestycji w nieodpowiednie komponenty.
Czym są aberracje obiektywu i zniekształcenia obiektywu?
Aberracje obiektywu to odchylenia od idealnego tworzenia obrazu przez obiektyw do widzenia maszynowego, powodujące rozmycie obrazu, występowanie kolorowych obwódek lub innych defektów niewystępujących w rzeczywistym obiekcie. Występują, ponieważ rzeczywiste obiektywy nie mogą idealnie skupiać wszystkich padających promieni światła w jednym punkcie, nawet jeśli są doskonale wykonane. Aberracje są zazwyczaj klasyfikowane na dwa główne typy: aberrację monochromatyczną i aberrację chromatyczną. W 1857 roku zdefiniowano pięć kluczowych typów monochromatycznych aberracji obiektywu: aberrację sferyczną, komę, astygmatyzm, krzywiznę pola i dystorsję. Osiowe i poprzeczne aberracje chromatyczne zidentyfikowano później; występują one przy świetle polichromatycznym.
W idealnym świecie obiektyw skupiałby wszystkie padające promienie światła z jednego punktu na obiekcie w jednym odpowiadającym mu punkcie na przetworniku obrazu, niezależnie od barwy światła lub miejsca przejścia promienia przez obiektyw. Aberracje obiektywu stanowią odchylenia od tego idealnego zachowania, powodując nieprawidłową zbieżność promieni światła lub zmianę ich położenia, co prowadzi do rozmytych lub zniekształconych obrazów.
Dystorsja obiektywu to specyficzny rodzaj aberracji, w którym powiększenie obrazu zmienia się w obrębie pola widzenia, powodując, że proste linie obiektu wyglądają na zakrzywione na obrazie. W dystorsji geometrycznej punkty obrazu są przemieszczane promieniowo względem osi optycznej, przez co proste linie wyglądają na zakrzywione. W przeciwieństwie do niektórych innych aberracji dystorsja nie powoduje rozmycia obrazu, lecz zmienia jego kształt.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o aberracjach obiektywu i dystorsji obiektywu, przewiń stronę w dół, aby zapoznać się z dodatkowymi materiałami.
Interesuje Cię oferta obiektywów dostępnych w VA Imaging lub masz konkretne pytania? Nie wahaj się skontaktować z nami. Wystarczy wypełnić poniższy formularz kontaktowy, a członek naszego zespołu z przyjemnością pomoże.
Zrozumienie dystorsji obiektywu
Zniekształcenie obiektywu, w przeciwieństwie do tych problemów z ostrością, jest zjawiskiem geometrycznym, które przesuwa punkty obrazu promieniowo względem osi optycznej, nie powodując przy tym koniecznie ich rozmycia. Pozycję punktu na lekko rozmytym obrazie można nadal zmierzyć jako środek rozmytego punktu; jednak jeśli zmierzona pozycja jest niedokładna z powodu zniekształcenia, wyniki zależne od współrzędnych obrazu będą błędne. Najczęstsze rodzaje zniekształceń są symetryczne promieniowo. Te zniekształcenia promieniowe zazwyczaj dzielą się na dwie kategorie: zniekształcenie beczkowate i zniekształcenie poduszkowate.
Istotne aberracje obiektywu
Chociaż dystorsja obiektywu jest jednym z rodzajów aberracji obiektywu, różni się od innych, takich jak aberracja sferyczna, koma, astygmatyzm i krzywizna pola, które przede wszystkim wpływają na ostrość obrazu bez zmiany podstawowej struktury obiektu na obrazie (linia prosta pozostaje prosta, choć może być rozmyta). Dystorsja może jednak zasadniczo zmieniać postrzegany kształt obiektów na obrazie.
Krótko omówmy niektóre z pozostałych aberracji, aby podkreślić tę różnicę:
Aberracja sferyczna
Występuje powszechnie w starszych lub obiektywach niższej jakości. Powstaje, gdy promienie światła przechodzące przez oś poziomą sferycznego obiektywu zbiegają się w różnych punktach po przejściu przez obiektyw, w zależności od tego, czy przechodzą bliżej środka, czy obrzeża pola widzenia. W idealnym obiektywie wszystkie promienie zbiegałyby się w tym samym punkcie ogniskowym. Skutkiem aberracji sferycznej jest rozmyty obraz, ponieważ pojedynczy punkt obiektu jest odwzorowywany jako plamka, a nie ostry punkt na sensorze. Wiele nowoczesnych obiektywów wykorzystuje asferyczne elementy optyczne, których krzywizna zmienia się od krawędzi do środka, specjalnie zaprojektowane do korygowania promieni światła i kierowania ich do jednego punktu ogniskowego, zmniejszając tym samym aberrację sferyczną.
Koma
Inna aberracja, która wpływa na punkty pozaosiowe. Promienie świetlne przechodzące przez punkty bardziej oddalone od osi optycznej załamują się inaczej niż te bliżej osi. Powoduje to, że pozaosiowe źródła punktowe są zniekształcone i mają na płaszczyźnie obrazu charakterystyczny kształt łzy lub komety, często większy niż promienie przechodzące przez oś. Koma, w połączeniu z aberracją sferyczną, przyczynia się do powstawania nieregularnych kształtów i rozmycia obrazów.
Astygmatyzm
Występuje, gdy punktowy obiekt znajduje się daleko od osi obiektywu. Jest podobny do krzywizny pola, ponieważ wpływa na ostrość od narożnika do narożnika, przy czym ostrzejsze obszary zazwyczaj znajdują się w środku. Astygmatyzm wpływa jednak również na powiększenie w całym kadrze, często prowadząc do mniejszej wyrazistości w dotkniętych obszarach w porównaniu z samą krzywizną pola. Astygmatyzm powoduje, że promienie światła zorientowane poziomo i pionowo mają różne punkty ogniskowania. Różnica między tymi ogniskowymi, znana jako odległość astygmatyczna, służy jako miara stopnia astygmatyzmu w obiektywie.
Krzywizna pola
Bardzo częsty problem, w którym obiekt docelowy wydaje się ostry tylko w określonych częściach kadru obrazu, zamiast być równomiernie ostry w całym polu widzenia. Zazwyczaj środek obrazu może być ostrzejszy i wykazywać lepszy kontrast niż krawędzie, które wydają się rozmyte lub nieostre. Dzieje się tak, ponieważ sama głębia ostrości jest zakrzywiona, a obiektyw odwzorowuje płaski obiekt na zakrzywionej powierzchni. Ponieważ kamery cyfrowe mają płaskie czujniki obrazu, rejestrowanie tego zakrzywionego obrazu powoduje rozmycie w kierunku peryferii. Większość, jeśli nie wszystkie, obiektywów będzie wykazywać pewien stopień krzywizny pola, przy czym obiektywy wyższej jakości zazwyczaj wykazują ją w mniejszym stopniu. W rzeczywistych obiektywach z wieloma elementami krzywizna pola może czasami wydawać się „falista”, co oznacza, że obraz może być ostry w środku i w rogach, lecz mniej ostry w punktach pośrednich.
Aberracja chromatyczna
Występuje podczas obrazowania przy użyciu polichromatycznego (kolorowego) światła. Powstaje, ponieważ współczynnik załamania materiału obiektywu nieznacznie różni się w zależności od długości fali (koloru) światła. Ponieważ współczynnik załamania jest inny dla różnych kolorów (np. większy dla światła niebieskiego niż czerwonego), różne długości fal są ogniskowane w różny sposób. Wyróżnia się dwa typy:
- Osiowa aberracja chromatyczna występuje, ponieważ różne długości fal są ogniskowane w różnych punktach wzdłuż osi optycznej. Prowadzi to do rozmytych kolorów zarówno przed, jak i za idealną pozycją ostrości. Ta zmienność punktów ogniskowych dla różnych kolorów jest bardziej zauważalna na krawędziach i w narożnikach obrazu, gdzie jasność może być większa.
- Poprzeczna aberracja chromatyczna występuje, ponieważ różne długości fal są powiększane w różnym stopniu. Skutkuje to pojawianiem się kolorowych obwódek wokół szczegółów obrazu o wysokim kontraście. Obwódki te mogą być widoczne jako drobne szczegóły rozmyte przeciwstawnymi kolorami (np. czerwonymi i cyjanowymi obwódkami) po obu stronach. Poprzeczna aberracja chromatyczna jest często widoczna na krawędziach i w narożnikach kadrów, szczególnie przy obiektywach o szerokiej przysłonie. Należy pamiętać, że aberracja ta jest powodowana przez obiektyw, a nie przez sensor kamery.
Metody minimalizowania lub eliminowania zniekształceń obiektywu
- Konstrukcja obiektywu: Osiągnięcie „idealnego” obiektywu jest niemożliwe, jednak projektanci obiektywów stosują techniki ograniczające dystorsję i inne aberracje. Pomóc może zastosowanie wielu elementów obiektywu lub powierzchni asferycznych. Projektowanie obiektywów o odpowiednich kształtach i z odpowiednich materiałów może zminimalizować aberracje, takie jak koma.
- Przysłona: Umieszczenie przysłony może pomóc zminimalizować aberrację sferyczną. Przysłony można również stosować do minimalizowania lub eliminowania dystorsji. Symetryczne umieszczenie przysłony między dwoma obiektywami może pomóc skompensować przeciwstawne typy dystorsji (np. beczkową powodowaną przez jeden obiektyw i poduszkowatą przez drugi). Zmniejszenie rozmiaru przysłony może ograniczyć ilość światła przechodzącego przez zewnętrzne krawędzie soczewek sferycznych, zmniejszając tym samym możliwość wystąpienia aberracji i dystorsji, choć wpływa to na ekspozycję i kontrast.
- Wybór odpowiednich obiektywów: Wybór obiektywów znanych z niskiej dystorsji jest bezpośrednim sposobem na uniknięcie problemu. W przypadku zadań obejmujących pomiary korzystne może być użycie obiektywu makro przeznaczonego do fotografowania z bliska, który często jest dobrze skorygowany pod kątem dystorsji. Pomóc może również zastosowanie ogniskowej mniej podatnej na dystorsję dla danego obiektywu, takiej jak zakres 35-55mm w niektórych kamerach.
- Korekcja programowa: Jest to skuteczna i powszechnie stosowana metoda, szczególnie w fotografii cyfrowej i wizji komputerowej. Korekcja programowa wymaga przeprowadzenia kalibracji kamery w celu określenia współczynników dystorsji obiektywu. Obejmuje to użycie wzorców kalibracyjnych (takich jak szachownice) o znanych punktach 3D i odpowiadających im projekcjach obrazu (Do sprawdzania dystorsji obiektywu zalecamy użycie naszej karty z wzorem szachownicy, którą można pobrać tutaj, Bezpłatna karta testowa) Po kalibracji parametry dystorsji są wykorzystywane do korekcji obrazu. Oprogramowanie można skalibrować (przy użyciu istniejących profili obiektywów) lub może ono umożliwiać ręczną regulację parametrów. Biblioteki takie jak OpenCV zapewniają funkcje kalibracji kamery i usuwania dystorsji obrazów. Proces zazwyczaj obejmuje przeprowadzenie kalibracji w celu uzyskania parametrów wewnętrznych (w tym parametrów dystorsji), udoskonalenie macierzy kamery w celu optymalizacji obrazu po usunięciu dystorsji, a następnie zastosowanie procesu usuwania dystorsji. Niektóre systemy kamer wykonują automatyczną korekcję dystorsji przy użyciu parametrów zapisanych w oprogramowaniu układowym obiektywu.
W przypadku dokładnych zastosowań widzenia maszynowego i wizji komputerowej eliminowanie dystorsji obiektywu jest niezbędne. Chociaż wybór dobrze zaprojektowanych obiektywów może zminimalizować problem już na początku, kalibracja kamery i korekcja programowa są często konieczne, szczególnie w zadaniach ilościowych. Zrozumienie charakteru różnych typów dystorsji oraz ograniczeń modeli stosowanych do korekcji jest ważne dla zapewnienia wiarygodności wyników analizy obrazu.
Podsumowanie aberracji obiektywu i zniekształceń obiektywu
Aberracje i dystorsja obiektywu to nieodłączne zjawiska optyczne, które mogą znacząco wpływać na jakość obrazu w zastosowaniach widzenia maszynowego. Od efektów deformacji powodowanych przez dystorsję beczkowatą i poduszkowatą, przez rozmycie wywołane aberracją sferyczną, komą i astygmatyzmem, po obwódki barwne wynikające z aberracji chromatycznej — każdy typ stwarza wyjątkowe wyzwania. Krzywizna pola wpływa na równomierną ostrość w całym kadrze. Dzięki zrozumieniu tych efektów, sposobu, w jaki są powodowane przez konstrukcję obiektywu, oraz możliwości ich minimalizowania poprzez dobór obiektywu i konfigurację systemu (np. regulację przysłony), projektanci i integratorzy mogą podejmować świadome decyzje, aby zapewnić, że wybrany obiektyw jest zoptymalizowany pod kątem konkretnych wymagań kamery i zastosowania.