Objektivy pro strojové vidění

Jednou ze tří nejdůležitějších součástí kamerového systému pro strojové vidění je, vedle kamery a osvětlovače, objektiv. Je to soustava přesně uspořádaných optických čoček, která ze světla odraženého od snímané scény vytváří ostrý, převrácený obraz. Tvar, počet a uspořádání čoček se počítá na základě zadání parametrů, jakými jsou ohnisková vzdálenost, světelnost nebo minimální zaostřovací vzdálenost. Vysvětlení těchto parametrů je předmětem tohoto textu.

Ohnisková vzdálenost

Nejpodstatnější a nejčastěji zmiňovanou vlastností objektivu je jeho ohnisková vzdálenost, která je daná konstrukcí objektivu. Tento parametr v kombinaci s velikostí senzoru určuje úhel záběru. Jinak řečeno ohnisko určuje výřez scény, který budeme zaznamenávat. Obecně platí, že čím delší je ohnisková vzdálenost, tím je obrazový úhel menší. Jelikož se výsledný výsek promítá vždy na stejnou plochu senzoru, jsou objekty na snímku pořízeném objektivem s velkou ohniskovou vzdáleností větší. Naopak, je-li ohnisková vzdálenost menší, zobrazuje se větší úhel - výsledný obraz ukazuje stejné objekty menší, ale ukazuje větší záběr.

Ohnisková vzdálenost a zorný úhel objektivu (– zdroj obrázku www.DTPko.cz)

Při technickém pohledu lze popsat ohniskovou vzdálenost jako vzdálenost mezi optickým středem objektivu a rovinou, na které objektiv dokáže zaostřit snímaný objekt tj. tam, kde se protínají všechny paprsky světla, které prochází objektivem. Nejkvalitnější a nejsvětelnější jsou objektivy s pevným ohniskem (fixní), protože jejich konstrukční složitost, zejména počet vzájemně pohyblivých součástí, je o řád nižší než u varifokálních či zoom objektivů (tj. objektivů s proměnným ohniskem, ohniskovou vzdáleností). Obecně se pro aplikace strojového vidění doporučují spíše objektivy s pevnou ohniskovou vzdáleností, neboť u zoom objektivů není možné zajistit stabilitu parametrů v celém rozsahu nastavení. Navíc u těchto aplikacích většinou neměníme vzdálenost sledovaného objektu od kamery, a tudíž volíme systém co nejjednodušší a nejstabilnější, to znamená vhodné pevné ohnisko.

Na základě ohniskové vzdálenosti se objektivy dělí do několika základních skupin:

• Rybí oka (8 mm) – extrémně širokoúhlé objektivy s úmyslnou deformací perspektivy


• Širokoúhlé (10-30 mm) – vhodné pro interiéry, architekturu, krajinu, reportáže


• Střední (základní) ohniska (30-100 mm) – základní objektivy, přirozené zobrazení, vhodné pro strojové vidění


• Normální objektiv (50 mm) - odpovídá zornému úhlu lidského oka; v provozu může kamera s tímto objektivem nahradit lidskou obsluhu


• Teleobjektivy (100-300 mm) – velké přiblížení, malý úhel záběru; ve strojovém vidění pro aplikace, kde sledujeme malý objekt z větší vzdálenosti (ne příliš časté)


• Silné teleobjektivy (>300 mm) – příroda, sport


• ostatní – objektivy používané spíše v digitální fotografii než ve strojovém vidění: Makro objektivy – měřítko 1:1; Tilt-Shift – pro architekturu; Mirror – silné teleobjektivy (600 mm) konstruované na principu hvězdářského dalekohledu


•  

Světelnost objektivů

Světelnost (neboli minimální clonové číslo neboli maximálně otevřená clona) popisuje schopnost objektivu propouštět světlo a značí se písmenem f společně s číselným údajem, např. f/2,8. Čím nižší číslo, tím více světla je objektiv schopen propustit a tím kratší časy potřebujete ke správné expozici snímku, což je důležité např. při sledování rychlých dějů na výrobní lince. U zoomových objektivů je označen rozsah světelností pro široké a dlouhé ohnisko (např. f/3,5-5,6). Ani u nejkvalitnějších zoomů zpravidla nebývá světelnost lepší než f/2,8. Naproti tomu u pevných ohnisek se může díky jejich jednodušší stavbě dosáhnout světelnosti až f/1,4. Pojem světelnost je někdy nahrazen tzv. minimální hodnotou clonového čísla objektivu. Clona („Iris“) objektivu je mechanické zařízení složené z tenkých kovových lamel, které uvnitř objektivu vytvářejí prstenec, který je možno plynule uzavírat nebo otevírat, a tím regulovat množství světla procházejícího objektivem a dopadajícího na obrazový senzor. Stejně jako u světelnosti platí, že čím je hodnota minimálního clonového čísla nižší, tím méně světla se ztrácí při průchodu objektivem. Značí se velkým písmenem a číslem např. F2,8 či pouze minimálním clonovým číslem bez písmene 2,8. Světelnost je také někdy zjednodušeně definována jako poměr ohniskové vzdálenosti objektivu k průměru maximálně otevřené clony objektivu. Nedostatečnou světelnost objektivu lze do jisté míry kompenzovat intenzitou použitého osvětlení, není to ovšem ideální řešení.

Minimální zaostřovací vzdálenost (Minimum Focusing Distance)

Minimální zaostřovací vzdálenost určujě, jak blízko může objekt být, aby jej objektiv ještě dokázal zaostřit. Objektivy dosahují svého maximálního měřítka snímání (zvětšení) právě při minimální zaostřovací vzdálenosti. Protože se ale při zaostření na bližší vzdálenost než nekonečno nutně prodlužuje ohnisko objektivu, klesá tím světelnost objektivu. Minimální zaostřovací vzdálenost lze výrazně zkrátit a tím zvětšit zvětšení objektivu pomocí mezikroužků nebo předsádek. Toho se ale používá opět spíše v digitální fotografii, kde se fotí řada různých scenérií. V případě předen dané a neměnné scény si vybereme objektiv s vyhovující ohniskovou i minimální zaostřovací vzdáleností, kterou potom už nemusíme ničím korigovat.

Formát objektivu [palce]

Formát objektivu se udává velikost obrazového senzoru kamery v palcích, pro který je spočtena ohnisková vzdálenost objektivu. Používané formáty objektivů jsou 1/3“, 1/2“, 2/3“ a 1“. Formát objektivu by neměl být menší než formát obrazového senzoru kamery. Při použití objektivu s formátem menším než je velikost obrazového senzoru by se nezobrazily okraje obrazu a zůstaly by tmavé, protože krajní paprsky světla dopadající z objektivu na obrazový senzor by se zcela nepromítly na celou plochu senzoru, resp. paprsky by se promítaly pouze na středovou část senzoru a docházelo by k tzv. vinětaci. Naopak při použití objektivu s formátem 1/3“ na obrazovém senzoru 1/4“ bude zobrazený obraz z pohledu objektivu „zvětšen“, protože krajní paprsky snímaného obrazu budou dopadat již mimo obrazový senzor a dojde k částečnému výřezu obrazu.

Vady objektivů

Každá optická soustava vykazuje řadu vad a zkreslení, způsobených nedokonalostí sestavy, lomem světla a obecně jeho vlnovým charakterem. Nejběžnější vady a možnost jejich korekce ukazuje následující přehled:

• Perspektivní zkreslení obrazu – k tomuto zkreslení dochází u standardních (endocentrických) objektivů bohužel vždy. V řadě aplikací strojového vidění, tam, kde měříme barevnost, pouhou přítomnost objektu nebo počet objektů, to příliš nevadí. V případě nutnosti přesného měření rozměrů či polohy jde ale o vadu, jejíž přítomnost či nepřítomnost může diametrálně změnit výsledek analýzy. V takovém případě se používají tzv. telecentrické objektivy. Principem telecentrických objektivů je odstínění paprsků, přicházejících z jiných směrů než rovnoběžně s optickou osou, pomocí aperturní clony umístěné v rovině obrazového hlavního bodu (tj. ohniska čočky). Jinými slovy: průměr vstupního členu optické soustavy se rovná úhlopříčce zorného pole – při změně snímací vzdálenosti se úhlopříčka nemění.


•  
•  
•  

Telecentrický vs. standardní objektiv (zdroj: http://www.vision-control.com)

• Optické vady - jednoduché zobrazovací rovnice, s nimiž počítáme při zobrazování čočkou, platí pouze pro monochromatické světlo a paprsky v těsné blízkosti optické osy, ale se vzdalováním od osy se začínají projevovat složité jevy, které obraz nějakým způsobem deformují. Tyto vady se projevují u všech objektivů a lze je pouze s větší či menší účinností zmírňovat. Může jít o vady sférické, astigmatické, asymetrické, chromatické, zkreslení soudkovité, poduškovité či vlnovité.


• Vinětace – jde o rovnoměrný úbytek světla směrem od středu obrazu ke krajům. Projevuje se při zcela odcloněném objektivu. S přivíráním clonového kroužku se do určité hodnoty clonového čísla tato vada snižuje.


• Centrování – jedná se o sníženou ostrost obrazu v rozích snímku. Projevuje se opět při zcela odcloněném objektivu. Stejně jako u vinětace se přivíráním clonového kroužku tato vada snižuje.


• Reflexy – jedná se o nežádoucí odlesky světla na jednotlivých členech optické soustavy - vnitřní části tubusu objektivu, clonovém kroužku a dalších součástech uvnitř objektivu. Důsledkem těchto odrazů jsou nejrůznější světelné skvrny a světelné závoje na snímcích. V praxi platí, že čím více optických členů, tím více je objektiv náchylný k této vadě. Proto jsou objektivy s pevným ohniskem k této vadě méně náchylné. K eliminování této vady používají výrobci objektivů antireflexní vrstvy na optických členech a speciální povrchové zpracování jednotlivých konstrukčních prvků objektivu. Pokud používáme filtry nasazené před objektiv, je nutné, aby i tyto byly opatřeny kvalitními antireflexivními vrstvami.


• Chromatická vada – je důsledkem rozdílného indexu lomu jednotlivých barev ve světelném spektru. Tato vada se projevuje na ostrých a kontrastních hranách objektů na snímku, které se zobrazí jako kontura v barevném spektru a je mírně rozmazaná. Tuto vadu se výrobci snaží korigovat použitím různých materiálů k výrobě optických členů o různém indexu lomu.

 

Uchycení objektivu C nebo CS

Ve strojovém vidění se objektivy dělí nejčastěji na:

• C - mount (uchycení typu C)


• CS - mount (uchycení typu CS)

 

Oba typy uchycení používají stejný závit (1“), ale liší se předepsanou vzdáleností roviny zadní čočky objektivu od optického snímače kamery. Objektivy CS lze použít pouze s kamerami CS. Objektivy C lze použít s kamerami s úchytem C i CS, za předpokladu použití C/CS adaptéru. C/CS adaptér je 5mm redukční kroužek, který se našroubuje mezi závit objektivu typu C a kameru s uchycením typu CS. V technické specifikaci každého objektivu je označením C nebo CS definováno, pro jaký standard je objektiv určen. Moderní kamery mají přestavitelnou kulisu obrazového senzoru, a tím i možnost použití obou uvedených standardů.