τι είναι το φαινόμενο Vignetting στους φακούς; οι τύποι και οι αιτίες του vignetting

Στα ενσωματωμένα συστήματα όρασης, ένα κοινό και συχνά αμελημένο οπτικό φαινόμενο, γνωστό ως σκίαση φακού, επηρεάζει την ποιότητα της εικόνας. Προκαλεί σταδιακή μείωση της φωτεινότητας στις άκρες της εικόνας, δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό εφέ "σκούρων γωνιών". Ενώ αυτό μπορεί να είναι μια αισθητική επιλογή στην ερασιτεχνική φωτογραφία, αποτελεί σημαντικό πρόβλημα σε εφαρμογές μηχανικής όρασης.

Ως σύμβουλος που εξειδικεύεται σε μονάδες καμερών, το παρόν άρθρο θα εξερευνήσει τις αιτίες και τους τύπους της σκίασης, καθώς και τη σημασία της στην ενσωματωμένη όραση. Θα εξετάσουμε πώς μπορεί κανείς να ελέγξει και να διορθώσει αποτελεσματικά αυτό το φαινόμενο, ώστε τα συστήματα όρασης να καταγράφουν τα πιο ακριβή και αξιόπιστα δεδομένα, παρέχοντας μια στέρεα βάση για εφαρμογές που κυμαίνονται από βιομηχανικό αυτοματισμό μέχρι ιατρική απεικόνιση και ακόμη και συστήματα ασφαλείας.

Τι είναι η σκίαση φακού; Μια διεξοδική ματιά στον ορισμό των σκιάσεων

Η σκίαση φακού είναι ένα οπτικό φαινόμενο στο οποίο το κέντρο μιας εικόνας φαίνεται πιο φωτεινό από ό,τι οι άκρες. Η ανομοιόμορφη μείωση της φωτεινότητας έχει ως αποτέλεσμα ένα σταδιακό σκοτεινό φαινόμενο στις γωνίες ή στις άκρες της εικόνας. Δεν προκαλείται από υποέκθεση, αλλά μάλλον από το φως που αποκλείεται από οπτικά ή μηχανικά εξαρτήματα καθώς διέρχεται από το σύστημα του φακού.

Η κατανόηση της φύσης της σκίασης αποτελεί θεμελιώδες γνωστικό αντικείμενο για όλους τους μηχανικούς ενσωματωμένης όρασης. Επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία των δεδομένων της εικόνας και την ακρίβεια της επεξεργασίας που ακολουθεί. Σύμφωνα με τον ορισμό των σκιάσεων, η σκίαση μπορεί να κατανοηθεί ως η εξασθένιση του φωτός από το κέντρο προς τις άκρες μιας εικόνας κατά τη διαδικασία απεικόνισης. Η εξασθένιση αυτή είναι συνήθως ομαλή και σταδιακή, ένας κοινός και προβλέψιμος φυσικός νόμος στην οπτική.

Η σοβαρότητα της απόσβεσης μετριέται συχνά σε "στάσεις φωτός", όπου κάθε στάση αντιπροσωπεύει τη μείωση της φωτεινότητας στο μισό. Για την όραση μηχανής, ακόμη και η ήπια απόσβεση μπορεί να προκαλέσει μείωση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) των δεδομένων εικόνας στις άκρες, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση των αλγορίθμων.

Ποιοί είναι οι τύποι και οι αιτίες της απόσβεσης;

Δεν υπάρχει μία μόνο αιτία για την απόσβεση. Μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ευρέως σε τέσσερις τύπους:

Μηχανικό βινιέτισμα: Αυτή οφείλεται σε φυσικές εμποδίσεις στο σύστημα της κάμερας, όπως μη ταιριαστά προστατευτικά πέταλα φακών, δακτυλίους φίλτρων ή κυλίνδρους φακών. Αυτές οι εμποδίσεις μπορούν να μπλοκάρουν άμεσα το φως όταν εισέρχεται σε ακραίες γωνίες. Για παράδειγμα, η χρήση ενός προστατευτικού πέταλου φακών που είναι σχεδιασμένο για τηλεφακό σε ευρυγώνιο φακό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα σημαντική μηχανική απόσβεση.

Οπτικό βινιέτισμα: Αυτό οφείλεται στους φυσικούς περιορισμούς των εσωτερικών στοιχείων του φακού. Όταν το φως διέρχεται από έναν φακό υπό μεγάλες γωνίες, η διάφραγμα, το μέγεθος και η θέση των εσωτερικών στοιχείων του φακού εμποδίζουν κάποιο φως να φτάσει στις άκρες του αισθητήρα. Αυτό το είδος του βινιέτινγκ μειώνεται καθώς η διάφραγμα στενεύει και είναι πιο εμφανές στη μέγιστη διάφραγμα.

Φυσικό βινιέτισμα: Πρόκειται για ένα αναπόφευκτο φυσικό φαινόμενο που υπακούει στον νόμο cos⁴θ. Ακόμη και σε ένα ιδανικό, μη εμποδιζόμενο σύστημα φακών, η ένταση του φωτός μειώνεται καθώς αυξάνεται η γωνία πρόσπτωσης (θ). Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στους ευρυγώνιους φακούς και στα μεγάλα μεγέθη αισθητήρων και αποτελεί εγγενέστατη ιδιότητα που δεν μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως μέσω φυσικού σχεδιασμού.

Pixel vignetting: Αυτό συμβαίνει λόγω της διαφοράς στη γωνία του φωτός που λαμβάνουν τα pixels στην άκρη σε σχέση με τα pixels στο κέντρο. Η διαφορά αυτή έχει ως αποτέλεσμα ένα εφέ σκίασης στα γωνιακά pixels, εξαιτίας μιας μικρής μείωσης στην ποσότητα του φωτός που καταγράφεται. Σε αντίθεση με το οπτικό vignetting, το pixel vignetting αποτελεί εγγενές χαρακτηριστικό του σχεδιασμού του αισθητήρα και δεν επηρεάζεται από τη ρύθμιση της διαφράγματος. Αυτό σημαίνει ότι, αν και το vignetting συνδέεται συνήθως μόνο με τα φακά, μπορεί επίσης να προκληθεί από τα χαρακτηριστικά του αισθητήρα.

Τι είναι το vignetting στη φωτογραφία;

Οι φωτογράφοι συχνά θεωρούν την απόσβεση της φωτεινότητας στα άκρα της εικόνας (vignetting) ως μια αισθητική έκφραση. Μπορούν να τη χρησιμοποιήσουν για να τονίσουν τα αντικείμενα και να δημιουργήσουν ατμόσφαιρα. Ωστόσο, στον τομέα της ενσωματωμένης όρασης, η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική. Για συστήματα μηχανικής όρασης που πρέπει να εκτελούν ακριβείς μετρήσεις, το vignetting είναι ένα ελάττωμα που επηρεάζει σοβαρά τη συνέπεια των δεδομένων. Μπορεί να προκαλέσει λανθασμένη ταυτοποίηση αντικειμένων στις περιοχές των άκρων λόγω ανεπαρκούς φωτεινότητας ή να οδηγήσει σε στρεβλωμένα αποτελέσματα χρωματικής και φωτεινότητας.

Η φωτογραφία επιδιώκει την οπτική ομορφιά και τη συναισθηματική έκφραση, ενώ η μηχανική όραση επιδιώκει τη συνέπεια, την επαναληψιμότητα και την ακρίβεια των δεδομένων. Για έναν αλγόριθμο τεχνητής νοημοσύνης, μικρές διαφορές φωτεινότητας μεταξύ των άκρων και του κέντρου της εικόνας μπορούν να ερμηνευτούν λανθασμένα ως μεταβολές στο χρώμα ή την υφή του αντικειμένου, με αποτέλεσμα λανθασμένες αποφάσεις. Επομένως, στην ενσωματωμένη όραση, το vignetting δεν είναι μια επιλογή, αλλά ένα πρόβλημα που πρέπει υποχρεωτικά να επιλυθεί.

Σημασία στις εφαρμογές απεικόνισης και οπτικής. Κατανόηση των προβλημάτων που προκαλεί η επίδραση vignetting

Σε ενσωματωμένες εφαρμογές όρασης και οπτικής, η αρνητική επίδραση του vignetting δεν μπορεί να αγνοηθεί. Το vignetting διαταράσσει την ομοιομορφία της εικόνας, προκαλώντας μεταβολές στη φωτεινότητα, την αντίθεση και το χρώμα σε διαφορετικές περιοχές της εικόνας. Αυτό δημιουργεί σημαντικές προκλήσεις σε εργασίες όπως η χρωματική βαθμονόμηση, η συρραφή εικόνων και η παρακολούθηση αντικειμένων.

Άμεση συνέπεια του vignetting είναι η μείωση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) στις άκρες της εικόνας, με αποτέλεσμα την κακή ποιότητα της εικόνας και την απώλεια λεπτομερειών σε αυτές τις περιοχές. Το vignetting αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή απεικόνιση των άκρων, την ανίχνευση μικρών ελαττωμάτων ή τη μέτρηση χρώματος. Για παράδειγμα, σε βιομηχανικούς ελέγχους ποιότητας, ένα μικρό ελάττωμα στην άκρη μιας εικόνας μπορεί να μην ανιχνευθεί από τον αλγόριθμο λόγω ανεπαρκούς φωτισμού, με αποτέλεσμα την παράλειψη του ελέγχου του προϊόντος.

Στις εφαρμογές 3D ανακατασκευής, η ακμοσκίαση μπορεί επίσης να προκαλέσει μεροληψία στους αλγόριθμους αντίληψης βάθους, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση των ανακατασκευασμένων 3D μοντέλων στις άκρες. Επομένως, η αντιμετώπιση της ακμοσκίασης είναι ένα απαραίτητο βήμα σε κάθε ενσωματωμένο σύστημα όρασης που έχει αυστηρές απαιτήσεις ποιότητας εικόνας.

Πώς να Ελέγξετε και να Μειώσετε την Ακμοσκίαση του Φακού; Επιλογή και Βαθμονόμηση Κάμερας με Ακμοσκίαση

Ο έλεγχος και η μείωση της ακμοσκίασης του φακού είναι ένας συστηματικός διαδικασία που απαιτεί ταυτόχρονες προσπάθειες τόσο στον σχεδιασμό του υλικού όσο και στη βαθμονόμηση του λογισμικού.

Λύση Υλικού

• Επιλογή Φακού: Επιλέξτε έναν φακό υψηλής ποιότητας και καλού σχεδιασμού. Οι πρωτεύοντες φακοί προσφέρουν καλύτερο έλεγχο ακμοσκίασης σε σχέση με τους ζουμ φακούς. Η εικόνα κύκλου του φακού θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από, ή τουλάχιστον ίση με, το μέγεθος του αισθητήρα εικόνας που χρησιμοποιείται.
• Έλεγχος Διαφράγματος: Μειώστε κατάλληλα τη διάφραγμα (γνωστό και ως «σταμάτημα»). Για την οπτική ανομοιομορφία, το να σταματήσετε το διάφραγμα μειώνει αποτελεσματικά την πιθανότητα να φραγεί το φως από τα στοιχεία του φακού, μειώνοντας έτσι την ένταση της ανομοιομορφίας. Ωστόσο, να έχετε υπόψη ότι υπερβολικό σταμάτημα του διαφράγματος μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα περίθλασης, τα οποία μπορούν στην πραγματικότητα να μειώσουν την ευκρίνεια της εικόνας.
• Συμβατότητα Συστήματος: Βεβαιωθείτε ότι ο φακός είναι πλήρως συμβατός με αξεσουάρ όπως η κάμερα Μονάδα και τα φίλτρα για να αποφευχθεί η μηχανική ανομοιομορφία.

Λύση Λογισμικού

• Διόρθωση Επίπεδου Πεδίου (FFC): Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη και αποτελεσματική μέθοδος διόρθωσης λογισμικού. Η βασική της ιδέα είναι να δημιουργηθεί ένας "χάρτης διόρθωσης" για το φαινόμενο vignetting. Πρώτα, λαμβάνεται μια λευκή ή γκρίζια εικόνα αναφοράς σε ομοιόμορφο φως (εικόνα flat-field). Στη συνέχεια, λαμβάνεται μια εικόνα σκοτεινού πεδίου χωρίς φως (εικόνα dark frame). Με τη χρήση αυτών των δύο εικόνων αναφοράς, ο αλγόριθμος μπορεί να υπολογίσει τον συντελεστή εξασθένισης της φωτεινότητας για κάθε pixel και να εκτελέσει αντίστροφη αποκατάσταση σε όλες τις εικόνες στην επεξεργασία εικόνας που ακολουθεί.
• Πίνακας Αναζήτησης (Look-Up Table - LUT): Σε ορισμένα συστήματα με υψηλές απαιτήσεις πραγματικού χρόνου, οι συντελεστές διόρθωσης μπορούν να υπολογιστούν εκ των προτέρων και να αποθηκευτούν σε έναν πίνακα αναζήτησης (LUT), θυσιάζοντας κάποια μνήμη προκειμένου να επιτευχθεί ταχύτερη επεξεργασία.

Κατά την επιλογή μιας κάμερας vignette για ένα ενσωματωμένο σύστημα όρασης, οι μηχανικοί θα πρέπει να λαμβάνουν πλήρως υπόψη τα χαρακτηριστικά vignetting του φακού και να σχεδιάζουν εκ των προτέρων μια λύση διόρθωσης λογισμικού.

Φαινόμενο Vignetting σε Ενσωματωμένα Συστήματα Όρασης

Στα ενσωματωμένα συστήματα μηχανικής όρασης, η απόσβεση της φωτεινότητας (vignetting) αποτελεί σοβαρό θέμα. Επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία και την ακρίβεια του συστήματος. Είτε χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ελαττωμάτων στη βιομηχανική αυτοματοποίηση, είτε για την αναγνώριση προσώπου στην ασφαλειακή παρακολούθηση, μια εικόνα που έχει πληγεί από vignetting μπορεί να προκαλέσει αποτυχία στον αλγόριθμο μηχανικής όρασης.

Για τον λόγο αυτό, η κατανόηση της απόσβεσης της φωτεινότητας (vignetting) στους φακούς και η εφαρμογή αποτελεσματικών μεθόδων διόρθωσης είναι απαραίτητη για τη δημιουργία ενός ενσωματωμένου συστήματος μηχανικής όρασης υψηλής απόδοσης και μεγάλης αξιοπιστίας. Κατά την ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου συστήματος μηχανικής όρασης, η διόρθωση της απόσβεσης της φωτεινότητας (vignetting) θα πρέπει να θεωρείται ως βασική λειτουργία. Η επιλογή ενός φακού υψηλής ποιότητας, σε συνδυασμό με έναν ακριβή αλγόριθμο διόρθωσης επίπεδου πεδίου, αποτελεί την τέλεια λύση για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος.

Ένα επιτυχημένο σύστημα ενσωματωμένης όρασης βασίζεται όχι μόνο στη δύναμη των αλγορίθμων του, αλλά και στην αξιοπιστία του υποκείμενου υλικού και των δεδομένων εικόνας. Ο έλεγχος και η διόρθωση της απόσβεσης φωτεινότητας (vignetting) είναι απαραίτητοι για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των δεδομένων και αποτελούν μια πρόκληση την οποία κάθε μηχανικός συστημάτων όρασης πρέπει να αντιμετωπίσει κατά τη σχεδίαση και εφαρμογή του προϊόντος.

Η Muchvision προσφέρει λύσεις διόρθωσης vignetting

Αντιμετωπίζετε και εσείς την πρόκληση της μη ομοιόμορφης φωτεινότητας στις άκρες της εικόνας στα έργα ενσωματωμένης όρασης σας; Επικοινωνήστε με την ομάδα μας σήμερα και θα σας παρέχουμε επαγγελματικές λύσεις επιλογής φακών και διόρθωσης vignetting για να διασφαλίσουμε ότι το σύστημά σας καταγράφει τα πιο τέλεια δεδομένα!