Objektívy pre strojové videnie

Jednou z troch najdôležitejších súčastí kamerového systému pre strojové videnie je, vedľa kamery a osvetľovača, objektív. Je to sústava presne usporiadaných optických šošoviek, ktorá zo svetla odrazeného od snímanej scény vytvára ostrý, prevrátený obraz. Tvar, počet a usporiadanie šošoviek sa počíta na základe zadania parametrov, akými sú ohnisková vzdialenosť, svetelnosť alebo minimálna zaostrovacia vzdialenosť. Vysvetlenie týchto parametrov je predmetom tohto textu.

Ohnisková vzdialenosť

Najpodstatnejšou a najčastejšie spomínanou vlastnosťou objektívu je jeho ohnisková vzdialenosť, ktorá je daná konštrukciou objektívu. Tento parameter v kombinácii s veľkosťou senzora určuje uhol záberu. Inak povedané, ohnisko určuje výrez scény, ktorý budeme zaznamenávať. Všeobecne platí, že čím dlhšia je ohnisková vzdialenosť, tým je obrazový uhol menší. Keďže sa výsledný výsek premieta vždy na rovnakú plochu senzora, sú objekty na snímke urobené objektívom s veľkou ohniskovou vzdialenosťou väčšie. Naopak, ak je ohnisková vzdialenosť menšia, zobrazuje sa väčší uhol – výsledný obraz ukazuje rovnaké objekty menšie, ale ukazuje väčší záber.

Ohnisková vzdialenosť a zorný uhol objektívu (– zdroj obrázka www.DTPko.cz)

Pri technickom pohľade možno popísať ohniskovú vzdialenosť ako vzdialenosť medzi optickým stredom objektívu a rovinou, na ktorej objektív dokáže zaostriť snímaný objekt t.j. tam, kde sa pretínajú všetky lúče svetla, ktoré prechádzajú objektívom. Najkvalitnejšie a najsvetelnejšie sú objektívy s pevným ohniskom (fixné), pretože ich konštrukčná zložitosť, najmä počet vzájomne pohyblivých súčastí, je o rad nižšia než u varifokálnych či zoom objektívov (t.j. objektívov s premenným ohniskom, ohniskovou vzdialenosťou). Všeobecne sa pre aplikácie strojového videnia odporúčajú skôr objektívy s pevnou ohniskovou vzdialenosťou, lebo u zoom objektívov nie je možné zaistiť stabilitu parametrov v celom rozsahu nastavení. Navyše v týchto aplikáciách väčšinou nemeníme vzdialenosť sledovaného objektu od kamery, a teda volíme systém čo najjednoduchší a najstabilnejší, to znamená vhodné pevné ohnisko.

Na základe ohniskovej vzdialenosti sa objektívy delia do niekoľkých základných skupín:

• rybie oká (8 mm) – extrémne širokouhlé objektívy s úmyselnou deformáciou perspektívy,


• širokouhlé (10 – 30 mm) – vhodné pre interiéry, architektúru, krajinu, reportáže,


• stredné (základné) ohniská (30 – 100 mm) – základné objektívy, prirodzené zobrazenie, vhodné pre strojové videnie,


• normálny objektív (50 mm) – zodpovedá zornému uhlu ľudského oka; v prevádzke môže kamera s týmto objektívom nahradiť ľudskú obsluhu,


• teleobjektívy (100 – 300 mm) – veľké priblíženie, malý uhol záberu; v strojovom videní pre aplikácie, kde sledujeme malý objekt z väčšej vzdialenosti (nie príliš časté),


• silné teleobjektívy (>300 mm) – príroda, šport,


• ostatné – objektívy používané skôr v digitálnej fotografii než v strojovom videní: Makroobjektívy – mierka 1:1; Tilt-Shift – pre architektúru; Mirror – silné teleobjektívy (600 mm) konštruované na princípe hvezdárskeho ďalekohľadu.


•  

Svetelnosť objektívov

Svetelnosť (čiže minimálne clonové číslo čiže maximálne otvorená clona) popisuje schopnosť objektívu prepúšťať svetlo a značí sa písmenom f spoločne s číselným údajom, napr. f/2,8. Čím nižšie číslo, tým viac svetla je objektív schopný prepustiť, a tým kratšie časy potrebujete k správnej expozícii snímky, čo je dôležité napr. pri sledovaní rýchlych dejov na výrobnej linke. U zoomových objektívov je označený rozsah svetelností pre široké a dlhé ohnisko (napr. f/3,5-5,6). Ani u najkvalitnejších zoomov spravidla nebýva svetelnosť lepšia ako f/2,8. Naproti tomu pri pevných ohniskách sa môže vďaka ich jednoduchšej stavbe dosiahnuť svetelnosti až f/1,4. Pojem svetelnosť je niekedy nahradený tzv. minimálnou hodnotou clonového čísla objektívu. Clona („Iris“) objektívu je mechanické zariadenie zložené z tenkých kovových lamiel, ktoré vo vnútri objektívu vytvárajú prstenec, ktorým je možno plynule uzatvárať alebo otvárať, a tým regulovať množstvo svetla prechádzajúceho objektívom a dopadajúceho na obrazový senzor. Rovnako ako u svetelnosti platí, že čím je hodnota minimálneho clonového čísla nižšia, tým menej svetla sa stráca pri priechode objektívom. Značí sa veľkým písmenom a číslom napr. F2,8 či iba minimálnym clonovým číslom bez písmena 2,8. Svetelnosť je tiež niekedy zjednodušene definovaná ako pomer ohniskovej vzdialenosti objektívu k priemeru maximálne otvorenej clony objektívu. Nedostatočnú svetelnosť objektívu možno do istej miery kompenzovať intenzitou použitého osvetlenia, nie je to avšak ideálne riešenie.

Minimálna zaostrovacia vzdialenosť (Minimum Focusing Distance)

Minimálna zaostrovacia vzdialenosť určuje, ako blízko môže objekt byť, aby ho objektív ešte dokázal zaostriť. Objektívy dosahujú svoju maximálnu mierku snímania (zväčšenie) práve pri minimálnej zaostrovacej vzdialenosti. Pretože sa ale pri zaostrení na bližšiu vzdialenosť než nekonečno nutne predlžuje ohnisko objektívu, klesá tým svetelnosť objektívu. Minimálnu zaostrovaciu vzdialenosť možno výrazne skrátiť a tým zväčšiť zväčšenie objektívu pomocou medzikrúžkov alebo predsádok. Toto sa ale používa opäť skôr v digitálnej fotografii, kde sa fotí rad rôznych scenérií. V prípade vopred danej a nemennej scény si vyberieme objektív s vyhovujúcou ohniskovou i minimálnou zaostrovacou vzdialenosťou, ktorú potom už nemusíme ničím korigovať.

Formát objektívu [palce]

Formátom objektívu sa udáva veľkosť obrazového senzora kamery v palcoch, pre ktorý je spočítaná ohnisková vzdialenosť objektívu. Používané formáty objektívov sú 1/3“, 1/2“, 2/3“ a 1“. Formát objektívu by nemal byť menší než formát obrazového senzora kamery. Pri použití objektívu s formátom menším ako je veľkosť obrazového senzora by sa nezobrazili okraje obrazu a zostali by tmavé, pretože krajné lúče svetla dopadajúce z objektívu na obrazový senzor by sa úplne nepremietli na celú plochu senzora, resp. lúče by sa premietali iba na stredovú časť senzora a dochádzalo by k tzv. vinetácii. Naopak pri použití objektívu s formátom 1/3“ na obrazovom senzore 1/4“ bude zobrazený obraz z pohľadu objektívu „zväčšený“, pretože krajné lúče snímaného obrazu budú dopadať už mimo obrazový senzor a dôjde k čiastočnému výrezu obrazu.

Chyby objektívov

Každá optická sústava vykazuje rad chýb a skreslení, spôsobených nedokonalosťou zostavy, lomom svetla a všeobecne jeho vlnovým charakterom. Najbežnejšie chyby a možnosť ich korekcie ukazuje nasledujúci prehľad:

• Perspektívne skreslenie obrazu – k tomuto skresleniu dochádza u štandardných (endocentrických) objektívov bohužiaľ vždy. V rade aplikácií strojového videnia, tam, kde meriame farebnosť, iba prítomnosť objektu alebo počet objektov, to príliš neprekáža. V prípade nutnosti presného merania rozmerov či polohy ide ale o chybu, ktorej prítomnosť či neprítomnosť môže diametrálne zmeniť výsledok analýzy. V takom prípade sa používajú tzv. telecentrické objektívy. Princípom telecentrických objektívov je odtienenie lúčov, prichádzajúcich z iných smerov než rovnobežne s optickou osou, pomocou apertúrnej clony umiestnenej v rovine obrazového hlavného bodu (t.j. ohniska šošovky). Inými slovami: priemer vstupného členu optickej sústavy sa rovná uhlopriečke zorného poľa – pri zmene snímacej vzdialenosti sa uhlopriečka nemení.


•  
•  
•  

Telecentrický vs. štandardný objektív (zdroj: http://www.vision-control.com)

• Optické chyby - jednoduché zobrazovacie rovnice, s ktorými počítame pri zobrazovaní šošovkou, platia iba pre monochromatické svetlo a lúče v tesnej blízkosti optickej osi, ale so vzďaľovaním od osi sa začínajú prejavovať zložité javy, ktoré obraz nejakým spôsobom deformujú. Tieto chyby sa prejavujú u všetkých objektívov a možno ich iba s väčšou či menšou účinnosťou zmierňovať. Môže ísť o chyby sférické, astigmatické, asymetrické, chromatické, skreslenia sudkovité, poduškovité či vlnovité.


• Vinetácia – ide o rovnomerný úbytok svetla smerom od stredu obrazu ku krajom. Prejavuje sa pri úplne odclonenom objektíve. S privieraním clonového krúžku sa do určitej hodnoty clonového čísla táto chyba znižuje.


• Centrovanie – ide o zníženú ostrosť obrazu v rohoch snímky. Prejavuje sa opäť pri úplne odclonenom objektíve. Rovnako ako pri vinetácii sa privieraním clonového krúžku táto chyba znižuje.


• Reflexy – ide o nežiaduce odlesky svetla na jednotlivých členoch optickej sústavy – vnútorné časti tubusu objektívu, clonovom krúžku a ďalších súčastiach vo vnútri objektívu. Dôsledkom týchto odrazov sú najrôznejšie svetelné škvrny a svetelné závoje na snímkach. V praxi platí, že čím viac optických členov, tým viac je objektív náchylný k tejto chybe. Preto sú objektívy s pevným ohniskom k tejto chybe menej náchylné. Na eliminovanie tejto chyby používajú výrobcovia objektívov antireflexné vrstvy na optických členoch a špeciálne povrchové spracovanie jednotlivých konštrukčných prvkov objektívu. Pokiaľ používame filtre nasadené pred objektív, je nutné, aby i tieto boli vybavené kvalitnými antireflexívnymi vrstvami.


• Chromatická chyba – je dôsledkom rozdielneho indexu lomu jednotlivých farieb v svetelnom spektre. Táto chyba sa prejavuje na ostrých a kontrastných hranách objektov na snímke, ktoré sa zobrazia ako kontúra vo farebnom spektre a je mierne rozmazaná. Túto chybu sa výrobcovia snažia korigovať použitím rôznych materiálov na výrobu optických členov s rôznym indexom lomu.


•  

Uchytenie objektívu C alebo CS

V strojovom videní sa objektívy delia najčastejšie na:

• C – mount (uchytenie typu C)


• CS – mount (uchytenie typu CS)


•  

Oba typy uchytenia používajú rovnaký závit (1“), ale líšia sa predpísanou vzdialenosťou roviny zadnej šošovky objektívu od optického snímača kamery. Objektívy CS možno použiť iba s kamerami CS. Objektívy C možno použiť s kamerami s úchytom C i CS, za predpokladu použitia C/CS adaptéru. C/CS adaptér je 5 mm redukčný krúžok, ktorý sa naskrutkuje medzi závit objektívu typu C a kameru s uchytením typu CS. V technickej špecifikácii každého objektívu je označením C alebo CS definované, pre aký štandard je objektív určený. Moderné kamery majú prestaviteľnú kulisu obrazového senzoru, a tým i možnosť použitia oboch uvedených štandardov.