hva er linseskygging? typene og årsakene til skygging

I innebygde visjonssystemer er et vanlig og ofte oversett optisk fenomen kjent som linsevignettering som påvirker bildekvaliteten. Det fører til at lysstyrken i bildets kanter gradvis minker, og skaper en karakteristisk "mørk hjørne"-effekt. Selv om dette kan være et estetisk valg i amatørfotografi, er det et kritisk problem i maskinsynsapplikasjoner.

Som rådgiver med spesialisering på kameramoduler, vil denne artikkelen gå inn på årsaker og typer av vignettering, samt dets betydning i innebygde visjonssystemer. Vi skal utforske hvordan man effektivt kan kontrollere og korrigere dette fenomenet for å sikre at visjonssystemene fanger opp de mest nøyaktige og pålitelige dataene, og dermed legge et solidt grunnlag for applikasjoner som spenner over industriell automasjon, medisinsk bildebehandling og til og med sikkerhetsövervåkning.

Hva er linseskygging? En grundig gjennomgang av definisjonen av vignetter

Linseskygging er et optisk fenomen der bildets sentrum virker lysere enn kantene. Denne ujevne lysreduksjonen fører til en gradvis mørkningseffekt i hjørnene eller kantene av bildet. Det skyldes ikke undereksponering, men snarere at lys blir blokkert av optiske eller mekaniske komponenter mens det går gjennom linsesystemet.

Å forstå naturen til vignettering er grunnleggende kunnskap for alle ingeniører som arbeider med innebygd visjon. Det påvirker direkte påliteligheten til bildeinformasjonen og nøyaktigheten av etterfølgende behandling. Ifølge definisjonen av vignetter, kan vignettering forstås som en svekkelse av lyset fra sentrum mot kantene av et bilde under avbildningen. Denne svekkelsen er vanligvis glatt og gradvis, en vanlig og forutsigbar fysisk lov innen optikken.

Alvorlighetsgraden av vignettering måles ofte i "stopper for lys", hvor hver stopp representerer en halvering av lysstyrken. For maskinsyn kan til og med svak vignettering føre til en reduksjon i signal-støy-forholdet (SNR) i bilddata ved kantene, noe som dermed påvirker algoritmytelsen.

Hva er typene og årsakene til vignettering?

Det finnes ingen enkeltårsak til vignettering; den kan grovt sett inndeles i fire typer:

Mekanisk vignettering: Dette skyldes fysiske hindringer i kamera-systemet, slik som ukompatible objektivhoder, filterringer eller objektivtromler. Disse hindringene kan direkte blokkere lys når det kommer inn i ekstreme vinkler. For eksempel kan bruk av et objektivhode som er designet for et teleobjektiv på et vidvinkelobjektiv føre til betydelig mekanisk vignettering.

Optisk vignettering: Dette skyldes de fysiske begrensningene til linsens interne komponenter. Når lys går gjennom en linse i store vinkler, blokkerer blenden, størrelsen og posisjonen til linsens interne komponenter noe lys fra å nå kantene på sensoren. Denne typen vignettering minker når blenden blir smalere og er mest synlig ved maksimal blendeåpning.

Naturlig vignettering: Dette er en uunngåelig fysisk fenomen som følger cos⁴θ-loven. Selv i en ideell, uforstyrret linse, minker lysintensiteten når innfallsvinkelen (θ) øker. Dette er spesielt merkbart i videovinkelobjektiver og store sensors, og er en iboende egenskap som ikke kan elimineres helt gjennom fysisk design.

Pixelvignettering: Dette skjer på grunn av forskjellen i lysvinkelen som mottas av kantpiksler sammenlignet med sentralpixsler. Denne forskjellen fører til en mørkningseffekt på hjørnepiksler på grunn av en liten reduksjon i mengden lys som fanges. I motsetning til optisk vignettering, er pikselvignettering en inneboende egenskap ved sensordesignet og påvirkes ikke av å justere blenderinnstillingen. Dette betyr at selv om vignettering vanligvis bare assosieres med objektiver, kan det også oppstå på grunn av sensegenskaper.

Hva er vignettering i fotografi?

Fotografer betrakter ofte vignettering i fotografi som et kunstnerisk uttrykk. De kan bruke den til å fremheve motiv og skape stemning. I det innebygde synsfeltet er imidlertid situasjonen helt annerledes. For maskinsynssystemer som må utføre nøyaktige målinger, er vignettering en feil som alvorlig påvirker datakonsistensen. Dette kan føre til at objekter i kantområdene gjenkjennes feil på grunn av utilstrekkelig lysstyrke, eller det kan føre til feil i farge- og lysstyrkeanalyser.

Fotografi søker etter visuell skjønnhet og emosjonell uttrykkskraft, mens maskinsyn søker etter datakonsistens, gjentakbarhet og nøyaktighet. For en AI-algoritme kan små forskjeller i lysstyrke mellom kantene og sentrum i et bilde misfortolkes som variasjoner i objektets farge eller struktur, noe som fører til feilaktige vurderinger. Derfor er vignettering ikke en valgmulighet, men et problem som må løses i innebygd visjon.

Betydning i avbildning og optiske anvendelser. Forståelsen av problemene knyttet til kantedempningseffekten

I innebygde visjons- og optiske applikasjoner kan den negative effekten av kantedempning ikke ignoreres. Kantedempning forstyrrer bildeuniformiteten og fører til variasjoner i lysstyrke, kontrast og farge i ulike bildeområder. Dette stiller betydelige utfordringer for oppgaver som fargekalibrering, bildestikking og objektsporing.

En direkte konsekvens av kantedempning er reduksjon i signal-støyforholdet (SNR) ved bildekantene, noe som fører til dårlig bildekvalitet og tap av detaljer i disse områdene. Kantedempning er et stort problem for applikasjoner som krever nøyaktig kantfangst, identifisering av subtile feil eller fargemåling. For eksempel kan en liten feil ved kanten av et bilde i industriel kvalitetsinspeksjon gå ubemerket forbi algoritmen på grunn av utilstrekkelig belysning, noe som fører til manglende produktinspeksjoner.

I 3D-rekonstruksjonsapplikasjoner kan også avfading føre til skjevhet i dybdeforståelsesalgoritmer, noe som resulterer i forvrengning i rekonstruerte 3D-modeller ved kantene. Derfor er det avgjørende å håndtere avfading i ethvert innebygd visjonssystem med strenge krav til bildekvalitet.

Hvordan kontrollere og redusere linseavfading? Avfadingkamera -valg og kalibrering

Å kontrollere og redusere linseavfading er en systematisk prosess som krever samtidige innsats både i maskinvaredesign og programvarekalibrering.

Maskinvareløsning

• Valg av linse: Velg en høykvalitets, godt designet linse. Primære linser tilbyr generelt bedre kontroll av avfading enn zoomlinser. Linseens bildekrets bør være større enn, eller i det minste lik, størrelsen på bildesensoren som brukes.
• Blenderkontroll: Reduser passende blenden (også kjent som «å stoppe ned»). For optisk avskygging kan å stoppe ned blenden effektivt redusere sannsynligheten for at lys blir blokkert av linseelementer, og dermed redusere graden av avskygging. Vær imidlertid oppmerksom på at å stoppe ned blenden for mye kan føre til diffraksjonseffekter, som faktisk kan redusere bildekla het.
• Systemtilpasning: Sørg for at linsen er fullstendig kompatibel med tilbehør som kamera-modul og filtre for å unngå mekanisk avskygging.

Programvareløsning

• Flatfeltautjustering (FFC): Dette er den mest vanlige og effektive programvarekorreksjonsmetoden. Kjernekonseptet er å opprette et "korreksjonskart" for vignettering. Først tas et hvitt eller grått referansebilde opp under jevnt lys (flat-felt-bildet). Deretter tas et mørkfelt-bilde opp under fullstendig mørkeforhold (dark frame-bildet). Ved hjelp av disse to referansebildene kan algoritmen beregne lyssterkthetsdempningskoeffisienten for hver enkelt piksel og utføre invers kompensasjon på alle bilder i etterfølgende bildebehandling.
• Oppslagstabell (LUT): I noen systemer med strenge krav til sanntidsbehandling, kan korreksjonskoeffisienter beregnes på forhånd og lagres i en LUT, noe som innebærer en viss minnebruk, men som gir raskere behandling.

Når en vignetteringskamera skal velges for et innebygd visjonssystem, bør ingeniører fullt ut vurdere objektivets vignetteringsegenskaper og på forhånd planlegge en programvarebasert korreksjonsløsning.

Vignettering i innebygde visjonssystemer

I innbeddede visjonssystemer er vignettering langt fra en ubetydelig problemstilling. Den påvirker direkte systemets pålitelighet og nøyaktighet. Uansett om den brukes til defektdeteksjon i industriell automasjon eller ansiktsgjenkjenning i sikkerhetsövervåkning, kan et bilde forurenset av vignettering føre til at maskinsynalgoritmen feiler.

Derfor er det avgjørende å forstå linsens vignettering og å implementere effektive korreksjonsmetoder for å bygge et høytytende og svært pålitelig innbeddet visjonssystem. Når man utvikler et innbeddet visjonssystem, bør vignetteringskorreksjon betraktes som en kjernefunksjon. Å velge en høykvalitetslinse, kombinert med en nøyaktig flatfeltafjektningsalgoritme, er den perfekte kombinasjonen for å løse dette problemet.

En vellykket løsning for innebygd visjon avhenger ikke bare av styrken i algoritmene, men også av påliteligheten i den underliggende maskinvaren og bildeinformasjonen. Kontroll og korrigeringsfunksjon for linsevignettering er avgjørende for å sikre dataenes pålitelighet og er en utfordring som alle ingeniører som arbeider med visjonssystemer må løse under produktutvikling og implementering.

Muchvision tilbyr løsninger for korrigeringsfunksjon for linsevignettering

Står du også ovenfor utfordringen med ujevn lysstyrke rundt bildets kanter i dine prosjekter med innebygd visjon? Kontakt vårt ekspertteam i dag og vi vil gi deg profesjonell valg av linser og løsninger for korrigeringsfunksjon for linsevignettering slik at ditt system alltid registrerer de mest perfekte data!