Baza wiedzy · Optyka
Podstawowe pojęcia w wizji maszynowej: ogniskowa, pole widzenia, odległość robocza i głębia ostrości
Dobór optyki zaczyna się od kilku parametrów: pola widzenia (FOV), odległości roboczej (WD), ogniskowej obiektywu i głębi ostrości (DoF). To one decydują, czy kamera zobaczy cały detal z wymaganą szczegółowością. Wyjaśniamy je w prosty sposób – z zależnościami, przykładem obliczeń i eksperymentem na kamerze inteligentnej.
Kluczowe parametry optyki systemu wizyjnego
Projektując system wizyjny i dobierając komponenty, trzeba określić kilka parametrów, które wzajemnie na siebie wpływają. Zmiana jednego z nich – np. ogniskowej – zmienia pole widzenia, rozdzielczość na detalu i głębię ostrości.
f
Ogniskowa obiektywu
Kluczowy parametr determinujący pole widzenia i rozdzielczość przestrzenną obrazu, czyli zdolność rozróżniania drobnych szczegółów. Krótsza ogniskowa daje szersze pole widzenia, ale obiekty wydają się mniejsze. Dłuższa oferuje węższe pole z większym powiększeniem – do analizy małych lub odległych detali.
FOV
Pole widzenia
Obszar, który kamera „widzi” i rejestruje na sensorze – rzeczywisty wymiar obserwowanej powierzchni. Ustalenie wymaganego FOV to jeden z pierwszych kroków projektu: musi obejmować wszystkie istotne cechy, zwykle z zapasem na tolerancję położenia detalu. Zależy od obiektywu i parametrów sensora kamery.
WD
Odległość robocza
Odległość między przednią krawędzią obiektywu a punktem, w którym obraz obiektu jest najostrzejszy. Wymagana WD bywa narzucona przez ograniczenia przestrzenne maszyny albo przez specyfikację obiektywu (minimalna odległość ogniskowania).
DoF
Głębia ostrości
Zakres odległości przed i za płaszczyzną ostrości, w którym obraz pozostaje akceptowalnie ostry. Prawidłowa głębia ostrości jest niezbędna do dokładnych pomiarów – szczególnie gdy detal ma wysokość albo jego pozycja w osi Z się zmienia.
mm/px
Rozdzielczość na detalu
Wymiar pola widzenia podzielony przez liczbę pikseli sensora w tym samym kierunku. Przykład: FOV 100 mm przy sensorze o szerokości 2448 px daje ok. 0,04 mm na piksel. Najmniejsza wykrywana cecha powinna obejmować co najmniej kilka pikseli.
f/#
Przysłona
Stosunek ogniskowej do średnicy otworu obiektywu, zapisywany jako liczba f (np. f/2.8, f/8). Wyższa liczba f oznacza mniejszy otwór: mniej światła, ale większą głębię ostrości.
Jak ogniskowa, odległość robocza i pole widzenia są ze sobą powiązane?
Przy pewnych założeniach (przybliżenie paraksjalne i cienkiej soczewki) podstawowe właściwości optyki opisuje równanie 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 sensora nazywana jest tylną ogniskową.
Uproszczony schemat układu optycznego: obiekt, obiektyw i sensor kamery.
Od czego zależy głębia ostrości?
Na głębię ostrości wpływają cztery parametry. W praktyce każda zmiana to kompromis – najczęściej między ostrością a ilością światła docierającego do sensora.
Otwór przysłony
Mniejszy otwór (wyższa liczba f, np. f/16) zwiększa DoF. Większy otwór (niższa liczba f, np. f/1.4) zmniejsza DoF i izoluje obiekt od rozmytego tła.
Ogniskowa obiektywu
Krótsze ogniskowe oferują większą głębię ostrości, korzystną przy szerokich ujęciach. Dłuższe dają płytszą DoF – dobrą do skupienia się na konkretnym detalu.
Odległość od obiektu
Im dalej kamera znajduje się od obiektu, tym większa głębia ostrości. W aplikacjach makro, przy niewielkich odległościach, DoF jest bardzo mała.
Rozmiar sensora
Kamery z większymi sensorami, przy tych samych ustawieniach obiektywu i tym samym polu widzenia, zazwyczaj mają mniejszą głębię ostrości niż kamery z mniejszymi matrycami.
Eksperyment: głębia ostrości przy f/2.8 i f/8
Porównaliśmy obrazy z kamery inteligentnej zarejestrowane przy dwóch ustawieniach przysłony, przy niezmienionej odległości roboczej i ogniskowej (stanowisko na zdjęciu obok).
Przy przysłonie f/2.8 ostrość jest zachowana tylko w pobliżu płaszczyzny ostrości. Przy f/8 głębia ostrości obejmuje niemal całą płytkę.
Na obu obrazach użyliśmy narzędzia FindMultiline, które lokalizuje wiele krawędzi. Wykres u dołu pokazuje poziom kontrastu na wykrytych krawędziach – dla f/2.8 kontrast szybko spada wraz z oddalaniem się od płaszczyzny ostrości.
Stanowisko testowe i ustawienia kamery
Przysłona f/2.8 – płytka głębia ostrości
Przysłona f/8 – ostra niemal cała płytka
Najczęstsze pytania o optykę w wizji maszynowej
Jak obliczyć pole widzenia kamery?
Pole widzenia zależy od ogniskowej obiektywu, odległości roboczej i rozmiaru sensora. W przybliżeniu FOV ≈ WD × szerokość sensora / f. Najpierw ustal wymagane FOV (detal z zapasem na tolerancję położenia), a dopiero potem dobierz obiektyw i odległość roboczą.
Jak zwiększyć głębię ostrości w systemie wizyjnym?
Najprościej przymknąć przysłonę (wyższa liczba f), zwiększyć odległość roboczą lub zastosować krótszą ogniskową. Przymknięcie przysłony ogranicza ilość światła, więc zwykle trzeba wzmocnić oświetlenie lub wydłużyć czas ekspozycji – o ile pozwala na to prędkość linii.
Jaka rozdzielczość kamery jest potrzebna?
Podziel wymagane pole widzenia przez wymiar najmniejszej cechy do wykrycia i pomnóż przez liczbę pikseli, które ta cecha ma zajmować (zwykle co najmniej 2–4 px). Przykład: FOV 100 mm, wada 0,2 mm i 3 px na wadę dają ok. 1500 px w tym kierunku.
Czym różni się odległość robocza od ogniskowej?
Ogniskowa to parametr obiektywu, który decyduje o powiększeniu i kącie widzenia. Odległość robocza to fizyczny dystans od przedniej krawędzi obiektywu do obiektu na stanowisku. Przy tej samej ogniskowej większa odległość robocza daje większe pole widzenia.
Wiedza teoretyczna to dopiero początek
Na szkoleniach dobierasz optykę i oświetlenie na prawdziwych kamerach In-Sight. Jeśli masz konkretny detal – sprawdzimy go w naszym laboratorium we Wrocławiu.