آرتیشی درخشان چیست؟ انواع و علل ایجاد نورافتادگی در عکس

در سیستم‌های بینایی تعبیه‌شده، پدیده نوری رایج و اغلب نادیده گرفته‌شده‌ای به نام کاهش روشنایی لبه عدسی کیفیت تصویر را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این پدیده باعث کاهش تدریجی روشنایی لبه‌های تصویر می‌شود و ایجاد کننده اثر مشخصی به نام "گوشه‌های تاریک" می‌باشد. هرچند این موضوع ممکن است در عکاسی مصرفی یک انتخاب زیبایی باشد، اما در کاربردهای بینایی ماشینی یک نقطه دردناک و حیاتی محسوب می‌گردد.

به عنوان یک مشاور متخصص در زمینه ماژول‌های دوربین، این مقاله به علل و انواع کاهش روشنایی لبه عدسی و همچنین اهمیت آن در بینایی تعبیه‌شده خواهد پرداخت. همچنین راه‌های کنترل و اصلاح مؤثر این پدیده را بررسی خواهیم کرد تا اطمینان حاصل شود که سیستم‌های بینایی داده‌های دقیق و قابل اعتمادی را ثبت می‌کنند و این امر پایه‌ای محکم برای کاربردهایی از جمله اتوماسیون صنعتی، تصویربرداری پزشکی و حتی نظارت امنیتی فراهم خواهد کرد.

کاهش روشنایی لبه عدسی چیست؟ بررسی عمیق تعریف روکش‌ها

کاهش نور لبه‌ها (ویگنتینگ) یک پدیده نوری است که در آن مرکز تصویر روشن‌تر از لبه‌های آن به نظر می‌رسد. این کاهش ناهمواری نور منجر به ایجاد یک اثر تاریک شونده به تدریج در گوشه‌ها یا لبه‌های تصویر می‌شود. این پدیده ناشی از نوردهی کم نیست، بلکه به دلیل این است که نور در حال عبور از سیستم لنز توسط اجزای نوری یا مکانیکی مسدود می‌شود.

درک ماهیت ویگنتینگ دانشی بنیادی برای تمام مهندسان دید درون‌ریز است. این پدیده به طور مستقیم بر روی قابلیت اطمینان داده‌های تصویری و دقت پردازش‌های بعدی تأثیر می‌گذارد. با توجه به تعریف ویگنتی، ویگنتینگ را می‌توان به عنوان تضعیف نور از مرکز به سمت لبه‌های تصویر در حین تصویربرداری درک کرد. این تضعیف معمولاً هموار و تدریجی است و یک قانون فیزیکی رایج و قابل پیش‌بینی در نورشناسی محسوب می‌شود.

شدت افت نور (ویگنتینگ) اغلب با واحد "استاپ نور" اندازه گرفته می‌شود، به طوری که هر استاپ به معنی نصف شدن روشنایی است. در بینایی ماشین، حتی افت نور خفیف نیز می‌تواند منجر به کاهش نسبت سیگنال به نویز (SNR) داده‌های تصویر در لبه‌ها شود و در نتیجه عملکرد الگوریتم‌ها را تحت تأثیر قرار دهد.

انواع و دلایل افت نور چیست؟

دلیل منحصر به فردی برای افت نور وجود ندارد؛ این پدیده را می‌توان به طور کلی به چهار نوع تقسیم کرد:

رنگ بندی مکانیکی: این نوع افت نور ناشی از موانع فیزیکی در سیستم دوربین است، مانند هود لنز ناهمخوان، حلقه فیلتر، یا بدنه لنز. این موانع می‌توانند نور را در زوایای تابش تیز به طور مستقیم بلوکه کنند. به عنوان مثال، استفاده از هود لنز طراحی شده برای یک لنز تله‌فوتو در یک لنز واید، می‌تواند منجر به افت نور مکانیکی قابل توجهی شود.

رنگ بندی نوری: این موضوع ناشی از محدودیت‌های فیزیکی اجزای داخلی لنز است. وقتی نور با زوایای بزرگ از یک لنز عبور می‌کند، دیافراگم، اندازه و موقعیت اجزای داخلی لنز مانع رسیدن بخشی از نور به لبه‌های سنسور می‌شوند. این نوع ویگنتینگ با کوچک‌تر شدن دیافراگم کاهش می‌یابد و بیشترین مقدار آن در دیافراگم حداکثر مشهود است.

رنگ های طبیعی: این یک پدیده فیزیکی اجتناب‌ناپذیر است که از قانون cos⁴θ پیروی می‌کند. حتی در یک سیستم لنز ایده‌آل و بدون مانع، شدت نور با افزایش زاویه تابش (θ) کاهش می‌یابد. این پدیده به ویژه در لنزهای واید و سنسورهای بزرگ مشهود است و یک خاصیت ذاتی است که از طریق طراحی فیزیکی نمی‌توان آن را به طور کامل حذف کرد.

ویگنتینگ پیکسلی: این امر به دلیل تفاوت در زاویه نور دریافت شده توسط پیکسل‌های لبه نسبت به پیکسل‌های مرکزی اتفاق می‌افتد. این تفاوت منجر به ایجاد اثر تاری در گوشه‌های تصویر به دلیل کاهش جزئی در مقدار نور ثبت شده می‌شود. برخلاف ویگنتینگ نوری، ویگنتینگ پیکسل یک ویژگی ذاتی از طراحی سنسور است و تحت تأثیر تنظیمات دیافراگم قرار نمی‌گیرد. این موضوع به این معنی است که در حالی که ویگنتینگ معمولاً فقط با عدسی‌ها مرتبط است، ممکن است به دلیل خصوصیات سنسور نیز رخ دهد.

ویگنتینگ در عکاسی چیست؟

عکاسان اغلب رسوایی در عکاسی را بیانگر خلاقیت هنری می‌دانند. آنها می‌توانند از آن برای برجسته کردن موضوعات و ایجاد فضای خاص استفاده کنند. با این حال، در زمینه دید درون‌ریز (Embedded Vision)، وضعیت کاملاً متفاوت است. برای سیستم‌های دید ماشینی که باید اندازه‌گیری‌های دقیق انجام دهند، رسوایی یک عیب محسوب می‌شود که تاثیر زیادی بر یکنواختی داده‌ها دارد. این امر می‌تواند باعث شناسایی اشتباه اشیاء در مناطق لبه‌ای به دلیل کمبود روشنایی شود، یا منجر به نتایج نادرست در تحلیل رنگ و روشنایی گردد.

عکاسی به دنبال زیبایی دیداری و بیان احساسات است، در حالی که دید ماشینی به دنبال یکنواختی داده‌ها، تکرار‌پذیری و دقت است. برای یک الگوریتم هوش مصنوعی، تفاوت‌های ظریف در روشنایی بین لبه‌ها و مرکز تصویر می‌تواند به عنوان تغییر در رنگ یا بافت شیء تفسیر شود و منجر به تصمیم‌گیری‌های اشتباه گردد. بنابراین، در دید درون‌ریز، وجود رسوایی یک اختیار نیست، بلکه یک مشکلی است که باید حل شود.

اهمیت در کاربردهای تصویربرداری و نوری. درک مشکلات ناشی از اثر ویگنتینگ

در کاربردهای دید تعبیه‌شده و نوری، تأثیر منفی ویگنتینگ نمی‌تواند نادیده گرفته شود. ویگنتینگ یکنواختی تصویر را مختل می‌کند و باعث تغییراتی در روشنایی، کنتراست و رنگ در مناطق مختلف تصویر می‌شود. این موضوع چالش‌های قابل توجهی را برای وظایفی مانند کالیبراسیون رنگ، ترکیب تصاویر و ردیابی اشیاء ایجاد می‌کند.

یک پیامد مستقیم ویگنتینگ، کاهش نسبت سیگنال به نویز (SNR) در لبه‌های تصویر است که منجر به کیفیت ضعیف تصویر و از دست دادن جزئیات در این مناطق می‌شود. ویگنتینگ یک مشکل اصلی برای کاربردهایی است که نیازمند ضبط دقیق لبه‌ها، شناسایی نقص‌های ظریف یا اندازه‌گیری رنگ هستند. به عنوان مثال، در بازرسی کیفی صنعتی، یک عیب بسیار کوچک در لبه تصویر ممکن است به دلیل نورپردازی ناکافی توسط الگوریتم تشخیص داده نشود و منجر به انجام ندادن بازرسی محصول شود.

در کاربردهای بازسازی سه‌بعدی، کاهش نور لبه‌ها (ویگنتینگ) می‌تواند باعث ایجاد خطایی در الگوریتم‌های تشخیص عمق شود و در نتیجه منجر به ایجاد تحریف در مدل‌های سه‌بعدی بازسازی شده در لبه‌ها گردد. بنابراین، مقابله با ویگنتینگ گامی ضروری در هر سیستم دید رایانه‌ایِ با الزامات بالای کیفیت تصویر است.

چگونه می‌توان کاهش نور لبه‌ها (ویگنتینگ) را کنترل و کاهش داد؟ انتخاب و کالیبره کردن دوربین ویگنت

کنترل و کاهش ویگنتینگ لبه‌ها یک فرآیند سیستماتیک است که نیازمند تلاش هم‌زمان در طراحی سخت‌افزار و کالیبراسیون نرم‌افزار است.

راهکار سخت‌افزاری

• انتخاب لنز: یک لنز با کیفیت بالا و طراحی مناسب انتخاب کنید. لنزهای اولیه (پرایم) عموماً کنترل بهتری نسبت به لنزهای زوم دارند. دایره تصویری لنز باید بزرگ‌تر از یا حداقل برابر با اندازه سنسور تصویر مورد استفاده باشد.
• کنترل دیافراگم (دیافراگم کنترل): دیافراگم را به‌درستی کاهش دهید (همچنین به نام «بستن دیافراگم» شناخته می‌شود). برای کاهش افت نور کانونی ناشی از عدسی، بستن دیافراگم به‌طور مؤثر احتمال مسدود شدن نور توسط عناصر عدسی را کاهش داده و در نتیجه میزان افت نور کانونی را کم می‌کند. با این حال، دقت کنید که بیش از حد بستن دیافراگم می‌تواند باعث ایجاد اثرات پراش نور شود که در واقع باعث کاهش وضوح تصویر می‌گردد.
• تطابق سیستم: مطمئن شوید که عدسی به‌طور کامل با لوازم جانبی مانند ماژول دوربین و فیلترها سازگار است تا از افت نور مکانیکی جلوگیری شود.

راهکار نرم‌افزاری

• تصحیح میدان مسطح (FFC): این روش رایج‌ترین و مؤثرترین روش اصلاح نرم‌افزاری است. مفهوم اصلی آن ایجاد یک "نقشه اصلاح" برای افت نور کنجی (vignetting) است. ابتدا یک تصویر مرجع سفید یا خاکستری در نور یکنواخت تهیه کنید (تصویر flat-field). سپس یک تصویر dark-field در شرایط بدون نور بگیرید (تصویر dark frame). با استفاده از این دو تصویر مرجع، الگوریتم می‌تواند ضریب افت روشنایی هر پیکسل را محاسبه کند و در پردازش تصاویر بعدی، جبران‌سازی معکوس انجام دهد.
• جدول جست‌و‌جو (LUT): در برخی از سیستم‌هایی که نیازمند پردازش در زمان واقعی هستند، می‌توان ضرایب اصلاح را از قبل محاسبه کرده و در یک جدول جست‌و‌جو (LUT) ذخیره کرد و به جای برخی از حافظه، پردازش سریع‌تری انجام داد.

هنگام انتخاب یک دوربین با افت نور کنجی (vignette) برای یک سیستم دید تعبیه‌شده، مهندسان باید ویژگی‌های افت نور لنز را به‌خوبی در نظر بگیرند و از قبل یک راه‌حل اصلاح نرم‌افزاری را برنامه‌ریزی کنند.

افت نور کنجی در سیستم‌های دید تعبیه‌شده

در سیستم‌های دید تعبیه‌شده، افت نور کناری (وایگنتینگ) هیچ‌گونه چیزی غیرقابل چشم‌پوشی نیست. این مسئله به‌صورت مستقیم بر روی قابلیت اطمینان و دقت سیستم تأثیر می‌گذارد. چه در تشخیص نقص‌ها در اتوماسیون صنعتی و چه در شناسایی چهره در نظارت امنیتی استفاده شود، تصویری که تحت تأثیر افت نور کناری قرار گرفته باشد می‌تواند باعث شکست الگوریتم دید ماشینی شود.

بنابراین، درک افت نور کناری عدسی و اعمال روش‌های اصلاح مؤثر، برای ساخت یک سیستم دید تعبیه‌شده با عملکرد بالا و قابلیت اطمینان زیاد ضروری است. هنگام توسعه یک سیستم دید تعبیه‌شده، باید اصلاح افت نور کناری را به‌عنوان یک عملکرد اصلی در نظر گرفت. انتخاب یک عدسی با کیفیت بالا، همراه با یک الگوریتم دقیق اصلاح میدان مسطح، ترکیب کاملی برای حل این مشکل می‌باشد.

یک راه‌حل موفق دید درون‌ریز (Embedded Vision) تنها به توان الگوریتم‌های خود متکی نیست، بلکه به قابلیت اطمینان سخت‌افزار و داده‌های تصویری پایه‌ای نیز وابسته است. کنترل و اصلاح افت نور (Vignetting) در عدسی‌ها ضروری است تا اطمینان‌پذیری داده‌ها حفظ شود و این چالشی است که تمام مهندسان سیستم‌های دیده‌ای باید در طول طراحی و پیاده‌سازی محصول به آن بپردازند.

شرکت مچ‌ویژن راه‌حل‌های اصلاح افت نور (Vignetting) ارائه می‌دهد

آیا شما نیز در پروژه‌های دید درون‌ریز خود با چالش ناهمواری در روشنایی لبه‌های تصویر مواجه هستید؟ امروز با تیم متخصص ما تماس بگیرید و ما راه‌حل‌های حرفه‌ای انتخاب عدسی و اصلاح افت نور (Vignetting) را در اختیار شما قرار خواهیم داد تا سیستم شما بتواند کامل‌ترین داده‌ها را ثبت کند!