Compreender as Aberrações da Lente e a Distorção da Lente
Gaspar van Elmbt
No mundo da machine vision, obter resultados precisos e fiáveis depende fortemente da captação de imagens de alta qualidade. Embora as câmaras industriais e a iluminação para machine vision desempenhem papéis cruciais, a lente para machine vision é talvez o componente mais crítico para garantir que a imagem reproduz fielmente o objeto a ser inspecionado. No entanto, as lentes não são perfeitas e a forma como refratam e focam a luz pode originar várias imperfeições na imagem resultante. Estas imperfeições são conhecidas como aberrações da lente e distorção da lente. Compreender estes fenómenos é essencial para os projetistas e integradores de sistemas de machine vision escolherem a lente adequada e otimizarem o desempenho do sistema, evitando um investimento potencialmente desperdiçado em componentes inadequados.
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O que são as Aberrações de Lente e a Distorção de Lente?
As aberrações de Lente são desvios da formação ideal da imagem por uma lente de machine vision, causando que a imagem fique desfocada, apresente franjas de cor ou exiba outros defeitos que não estão presentes no objeto real. Estas ocorrem porque as lentes reais não conseguem focar perfeitamente todos os raios de luz incidentes num único ponto, mesmo quando fabricadas de forma perfeita. As aberrações são geralmente classificadas em dois tipos principais: aberração monocromática e aberração cromática. Em 1857, foram definidos cinco tipos principais de aberrações monocromáticas de lente: aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção. As aberrações cromáticas axiais e laterais foram identificadas posteriormente, ocorrendo com luz policromática.
Num mundo ideal, uma lente focaria todos os raios de luz incidentes provenientes de um único ponto de um objeto para um único ponto correspondente no sensor de imagem, independentemente da cor da luz ou de onde o raio atravessa a lente. As aberrações de lente representam desvios deste comportamento ideal, fazendo com que os raios de luz convirjam de forma inadequada ou mudem de posição, levando a imagens desfocadas ou distorcidas.
A Distorção de Lente é um tipo específico de aberração em que a ampliação da imagem varia ao longo do campo de visão, fazendo com que linhas retas no objeto apareçam curvas na imagem. Na distorção geométrica, os pontos da imagem são deslocados radialmente a partir do eixo óptico, fazendo com que linhas retas pareçam curvas. Ao contrário de algumas outras aberrações, a distorção não desfoca a imagem, mas altera a sua forma.
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Compreender a Distorção da Lente
A distorção de Lente, ao contrário destes problemas de nitidez, é um fenómeno geométrico que desloca os pontos da imagem radialmente em relação ao eixo óptico, sem necessariamente os desfocar. A posição de um ponto numa imagem ligeiramente desfocada pode ainda ser medida como o centro do ponto desfocado; no entanto, se essa posição medida for imprecisa devido à distorção, os resultados que dependem das coordenadas da imagem serão erróneos. Os tipos mais comuns de distorção são radialmente simétricos. Estas distorções radiais enquadram-se normalmente em duas categorias: distorção de barril e distorção de almofada.
Aberrações significativas da Lente
Embora a distorção da lente seja um tipo de aberração da lente, é distinta de outras como a aberração esférica, coma, astigmatismo e curvatura de campo, que afetam principalmente a nitidez da imagem sem alterar a estrutura básica do objeto na imagem (uma linha reta permanece reta, embora potencialmente desfocada). A distorção, no entanto, pode alterar fundamentalmente a forma percebida dos objetos na imagem.
Vamos abordar brevemente algumas das outras aberrações para destacar esta distinção:
Aberração Esférica
Ocorre frequentemente em lentes mais antigas ou de menor qualidade. Surge quando os raios de luz que passam pelo eixo horizontal de uma lente esférica convergem em pontos diferentes após atravessarem a lente, dependendo se passam mais perto do centro ou da periferia do campo de visão. Numa lente perfeita, todos os raios convergiriam no mesmo ponto focal. O resultado da aberração esférica é uma imagem desfocada, pois um único ponto do objeto é reproduzido como uma mancha em vez de um ponto nítido no sensor. Muitas lentes modernas utilizam elementos de lente asférica, que apresentam uma curvatura variável do bordo ao centro, especificamente concebidos para corrigir os raios de luz e guiá-los para um único ponto focal, reduzindo assim a aberração esférica.
Coma
Outra aberração que afeta pontos fora do eixo. Os raios de luz que passam por pontos mais afastados do eixo ótico são refratados de forma diferente dos que passam mais próximos do eixo. Isto faz com que fontes pontuais fora do eixo apareçam distorcidas, com uma forma característica de lágrima ou de cometa no plano da imagem, frequentemente maiores do que os raios que passam pelo eixo. A coma, em combinação com a aberração esférica, contribui para formas irregulares e desfocagem nas imagens.
Astigmatismo
Ocorre quando um objeto pontual está afastado do eixo de uma lente. Semelhante à curvatura de campo, pois afeta a nitidez de canto a canto, sendo as áreas mais nítidas normalmente encontradas no centro. No entanto, o astigmatismo também afeta a ampliação em toda a imagem, levando frequentemente a menor clareza nas áreas afetadas em comparação apenas com a curvatura de campo. O astigmatismo resulta em raios de luz orientados horizontal e verticalmente tendo pontos focais diferentes. A diferença entre estas distâncias focais, conhecida como distância astigmática, serve como medida da quantidade de astigmatismo na lente.
Curvatura de campo
Um problema muito comum em que o objeto alvo aparece nítido apenas em certas partes do enquadramento da imagem, em vez de estar uniformemente nítido em todo o campo de visão. Normalmente, o centro da imagem pode estar mais nítido e apresentar melhor contraste do que as extremidades, que aparecem desfocadas ou fora de foco. Isto acontece porque a profundidade de campo é curva e a lente projeta um objeto plano numa superfície curva. Como as câmaras digitais têm sensores de imagem planos, captar esta imagem curva resulta numa desfocagem nas periferias. A maioria das lentes, senão todas, irá produzir algum grau de curvatura de campo, sendo que lentes de maior qualidade geralmente apresentam menos este efeito. Em lentes reais com múltiplos elementos, a curvatura de campo pode por vezes parecer "ondulada", ou seja, a imagem pode estar nítida no centro e nos cantos, mas menos nítida nos pontos intermédios.
Aberração Cromática
Ocorre ao realizar imagem com luz policromática (colorida). Isto acontece porque o índice de refração do material da lente varia ligeiramente consoante o comprimento de onda (cor) da luz. Como o índice de refração é diferente para diferentes cores (por exemplo, maior para luz azul do que para luz vermelha), diferentes comprimentos de onda são focados de forma distinta. Existem dois tipos:
- Aberração cromática axial ocorre porque diferentes comprimentos de onda são focados em pontos distintos ao longo do eixo óptico. Isto leva a cores esbatidas tanto à frente como atrás da posição de foco ideal. Esta variação nos pontos focais para diferentes cores é mais notória nas extremidades e cantos da imagem, onde o brilho pode ser superior.
- Aberração cromática lateral acontece porque diferentes comprimentos de onda são ampliados em graus distintos. Isto resulta em franjas de cor a aparecerem em torno de detalhes de alto contraste na imagem. Estas franjas podem manifestar-se como detalhes finos desfocados com cores opostas (por exemplo, franja vermelha e ciano) em cada lado. A aberração cromática lateral é frequentemente observada nas extremidades e cantos das imagens, especialmente com lentes de grande abertura. É importante notar que esta aberração é causada pela lente, e não pelo sensor da câmera.
Métodos para Minimizar ou Eliminar a Distorção da Lente
- Design de Lente: Embora alcançar uma lente "perfeita" seja impossível, os designers de lentes utilizam técnicas para reduzir a distorção e outras aberrações. A utilização de múltiplos elementos de lente ou a incorporação de superfícies asféricas pode ajudar. Projetar lentes com formas e materiais adequados pode minimizar aberrações como coma.
- Abertura: A colocação de uma abertura pode ajudar a minimizar a aberração esférica. As aberturas também podem ser usadas para minimizar ou eliminar a distorção. Posicionar uma abertura simetricamente entre duas lentes pode ajudar a compensar tipos opostos de distorção (por exemplo, barril por uma lente e almofada por outra). Reduzir o tamanho da abertura pode diminuir a quantidade de luz que passa pelas extremidades exteriores das lentes esféricas, reduzindo assim o potencial para aberrações e distorção, embora isso afete a exposição e o contraste.
- Seleção de Lentes Apropriadas: Escolher lentes conhecidas por baixa distorção é uma forma direta de evitar o problema. Para tarefas que envolvem medições, utilizar uma lente macro concebida para fotografia de proximidade, frequentemente bem corrigida para distorção, pode ser benéfico. Utilizar uma distância focal menos propensa a distorção para a lente específica, como a faixa de 35-55mm em algumas câmeras, também pode ajudar.
- Correção por Software: Este é um método poderoso e amplamente utilizado, especialmente na fotografia digital e em computer vision. A correção por software requer a calibração da câmera para determinar os coeficientes de distorção da lente. Isto envolve utilizar alvos de calibração (como tabuleiros de xadrez) com pontos 3D conhecidos e as suas correspondentes projeções na imagem (Para verificar a distorção da sua lente, recomendamos a utilização do nosso padrão de tabuleiro de xadrez, que pode ser descarregado aqui, Gráfico de Teste Gratuito). Uma vez calibrado, os parâmetros de distorção são usados para corrigir a imagem. O software pode ser calibrado (usando perfis de lente pré-existentes) ou permitir o ajuste manual dos parâmetros. Bibliotecas como OpenCV fornecem funções para calibração de câmera e correção de distorção de imagens. O processo geralmente envolve realizar a calibração para obter os parâmetros intrínsecos (incluindo os parâmetros de distorção), refinar a matriz da câmera para otimizar a imagem corrigida e, em seguida, aplicar o processo de correção. Alguns sistemas de câmera realizam a correção automática da distorção utilizando parâmetros armazenados no firmware da lente.
Para aplicações de machine vision e computer vision precisas, abordar a distorção da lente é essencial. Embora a seleção de lentes bem concebidas possa minimizar o problema à partida, a calibração da câmera e a correção por software são frequentemente necessárias, especialmente para tarefas quantitativas. Compreender a natureza dos diferentes tipos de distorção e as limitações dos modelos utilizados para a correção é importante para garantir a fiabilidade dos resultados da análise de imagem.
Conclusão das Aberrações de Lente e Distorção de Lente
Aberrações e distorção da Lente são fenómenos ópticos inerentes que podem impactar significativamente a qualidade da imagem em aplicações de machine vision. Desde os efeitos de distorção de barril e almofada até ao desfoque causado por aberração esférica, coma e astigmatismo, e à franja de cor provocada pela aberração cromática, cada tipo apresenta desafios únicos. A curvatura de campo afeta a nitidez uniforme em toda a imagem. Ao compreender estes efeitos, como são causados pelo design da lente e como podem ser minimizados através da seleção da lente e da configuração do sistema (como o ajuste da abertura), os projetistas e integradores podem tomar decisões informadas para garantir que a Lente escolhida está otimizada para os requisitos específicos da câmera e da aplicação.
