Najważniejsze pojęcia związane z optyką w Wizji Maszynowej
Projektując systemy wizyjne i dobierając najważniejsze komponenty, kluczowe znaczenie z punktu widzenia optyki ma kilka parametrów i pojęć. Postaramy się w możliwie prosty sposób przedstawić każdy z nich:
Ogniskowa obiektywu
Z perspektywy systemów wizyjnych, ogniskowa obiektywu jest kluczowym parametrem determinującym pole widzenia (FOV) i rozdzielczość przestrzenną rejestrowanego obrazu (zdolności systemu wizyjnego do rozróżniania drobnych szczegółów w przestrzeni obrazu). Krótsze ogniskowe zapewniają szersze pole widzenia, umożliwiając kontrolowanie większego obszaru. Jednakże, obiekty w takim polu widzenia mogą wydawać się mniejsze i mniej szczegółowe. Dłuższe ogniskowe oferują węższe pole widzenia, ale z większym powiększeniem, co pozwala na szczegółową analizę mniejszych obiektów lub odległych detali. Dobór odpowiedniej ogniskowej jest zatem krytyczny dla zapewnienia, że system wizyjny rejestruje interesujący obszar z wymaganą szczegółowością i rozdzielczością, co bezpośrednio wpływa na skuteczność algorytmów przetwarzania obrazu i podejmowanych decyzji.
Pole Widzenia (FOV)
Określa obszar, który kamera “widzi” i rejestruje na swoim czujniku. To rzeczywisty wymiar obserwowanego fragmentu powierzchni lub przestrzeni. Znajomość wymaganego FOV jest jednym z pierwszych kroków przy projektowaniu systemu wizyjnego, ponieważ musi ono obejmować wszystkie istotne elementy do analizy. Często FOV jest nieco większe niż sam badany obiekt. Na osiągalne FOV wpływa zarówno użyta optyka (obiektyw), jak i parametry przetwornika obrazu kamery.
Odległość Robocza (WD)
To odległość między przednią krawędzią obiektywu a punktem, w którym obraz obiektu jest najostrzejszy. Jest to konkretna wartość odległości, w której umieszcza się badany obiekt, aby uzyskać optymalną jakość obrazu. Wymagana WD może być narzucona przez ograniczenia przestrzenne lub specyfikację wybranego obiektywu.
Uproszczone zależności optyczne:
Pod pewnymi założeniami (przybliżenie paraksjalne i cienkiej soczewki) podstawowe właściwości optyki można opisać za pomocą równania cienkiej soczewki:
- s – położenie obiektu względem obiektywu (zazwyczaj wartość ujemna),
- s′ – położenie obrazu względem obiektywu (zazwyczaj wartość dodatnia),
- f – ogniskowa obiektywu.
Odległość robocza (WD) odpowiada odległości od obiektu do przedniej soczewki. Odległość od tylnej soczewki do czujnika nazywana jest tylną ogniskową.
Głębia Ostrości (DoF)
To kluczowy parametr w optyce systemów wizyjnych, określający maksymalny zakres odległości przed i za obiektem, w którym obraz tego obiektu nadal jest akceptowalnie ostry. Innymi słowy, to strefa, w której obiekty nie tracą znacząco swojej wyrazistości na zdjęciu lub obrazie z kamery. W aplikacjach widzenia maszynowego osiągnięcie prawidłowej głębi ostrości jest niezbędne do dokładnego pomiaru i analizy obrazów.
Kluczowe parametry wpływające na głębię ostrości:
- Otwór Przysłony: Mniejszy otwór (wyższa wartość f np. f/16) zwiększa DoF, zapewniając ostrość w większym przedziale odległości. Większy otwór (niższa wartość f, np. f/1,4) zmniejsza DoF, izolując obiekt na rozmytym tle.
- Ogniskowa Obiektywu: Krótsze ogniskowe oferują większą DoF, co jest korzystne w szerokich ujęciach. Dłuższe ogniskowe skutkują płytszą DoF, idealną do skupienia uwagi na konkretnym detalu.
- Odległość od Obiektu: Im dalej kamera znajduje się od obiektu, tym większa jest głębia ostrości. W aplikacjach makro, gdzie odległości są niewielkie, DoF jest bardzo mała.
- Rozmiar Sensora Kamery: Kamery z większymi sensorami, przy tych samych ustawieniach obiektywu, zazwyczaj charakteryzują się mniejszą głębią ostrości w porównaniu do mniejszych matryc.
