ce este vignetarea obiectivului? Tipurile și cauzele vignetării

În sistemele de viziune integrată, un fenomen optic comun, adesea neglijat, numit vignetare a obiectivului afectează calitatea imaginii. Acesta determină scăderea treptată a luminozității marginilor imaginii, creând un efect distinct de "colțuri întunecate". Deși acest efect poate fi o alegere estetică în fotografia de consum, în aplicațiile de viziune robotică este un aspect problematic important.

Ca consultant specializat în module de cameră, acest articol va analiza cauzele și tipurile de vignetare, precum și importanța acesteia în viziunea integrată. Vom explora modul eficient de a controla și corecta acest fenomen pentru a asigura capturarea unor date cât mai precise și fiabile de către sistemele de viziune, oferind o bază solidă pentru aplicații care variază de la automatizarea industrială și până la imagistica medicală sau supravegherea de securitate.

Ce este vignetarea obiectivului? O analiză aprofundată a definiției vignetelor

Vignetarea obiectivului este un fenomen optic în care centrul unei imagini pare mai luminos decât marginile. Această reducere neuniformă a luminii duce la un efect de întunecare treptată în colțurile sau marginile imaginii. Nu este cauzată de subexpunere, ci mai degrabă de blocarea luminii de către componente optice sau mecanice pe măsură ce aceasta trece prin sistemul de lentile.

Înțelegerea naturii vignetării este o cunoștință fundamentală pentru toți inginerii de viziune încorporați. Afectează direct fiabilitatea datelor de imagine și acuratețea prelucrărilor ulterioare. Conform definiției vignetelor, vignetarea poate fi înțeleasă ca o atenuare a luminii de la centrul către marginile unei imagini în timpul procesului de formare a imaginii. Această atenuare este de obicei netedă și treptată, fiind o lege fizică comună și previzibilă în optică.

Severitatea vălului (vignetting) este adesea măsurată în "stopuri de lumină", fiecare stop reprezentând o reducere la jumătate a strălucirii. Pentru viziunea artificială, chiar și un văl ușor poate cauza o scădere a raportului semnal-zgomot (SNR) al datelor de imagine de la margini, afectând astfel performanța algoritmilor.

Care sunt tipurile și cauzele vălului (vignetting)?

Nu există o singură cauză pentru văl; acesta poate fi împărțit în patru tipuri principale:

Vițetaj mecanic: Aceasta este cauzată de obstacole fizice în sistemul camerei, cum ar fi capacele de obiectiv necorespunzătoare, inelele de filtrare sau țevile obiectivului. Aceste obstacole pot bloca direct lumina atunci când aceasta intră sub unghiuri extreme. De exemplu, utilizarea unui capac de obiectiv conceput pentru un obiectiv telephoto pe un obiectiv unghiular larg poate duce la un văl mecanic semnificativ.

Vițetaj optic: Acest lucru este cauzat de limitările fizice ale componentelor interne ale obiectivului. Atunci când lumina trece printr-un obiectiv sub unghiuri mari, diafragma, dimensiunea și poziția componentelor interne ale obiectivului blochează o parte din lumină să ajungă la marginile senzorului. Acest tip de vignetare scade pe măsură ce diafragma este strânsă și este cel mai vizibil la deschidere maximă.

Vițetaj natural: Acesta este un fenomen fizic inerent care urmează legea cos⁴θ. Chiar și într-un sistem de obiective ideal, fără obstacole, intensitatea luminii scade pe măsură ce unghiul de incidență (θ) crește. Acest efect este mai pronunțat în cazul obiectivelor unghiulare largi și al dimensiunilor mari ale senzorului și este o proprietate intrinsecă care nu poate fi complet eliminată prin proiectare fizică.

Vignetare pixel: Acest lucru se întâmplă din cauza diferenței de unghi al luminii primite de pixelii de la margine comparativ cu cei din centru. Această diferență duce la un efect de întunecare a pixelilor din colțuri, ca urmare a unei ușoare reduceri a cantității de lumină capturate. Spre deosebire de vignetarea optică, vignetarea cauzată de pixeli este o caracteristică intrinsecă a designului senzorului și nu este influențată de ajustarea setării de diafragmă. Aceasta înseamnă că, deși vignetarea este asociată, de obicei, doar cu obiectivele foto, ea poate apărea și din cauza caracteristicilor senzorului.

Ce este vignetarea în fotografie?

Fotografii consideră adesea vignetarea în fotografie ca fiind o exprimare artistică. Aceștia o pot folosi pentru a evidenția subiectele și a crea o atmosferă. Totuși, în domeniul viziunii integrate, situația este foarte diferită. Pentru sistemele de viziune robotică care trebuie să efectueze măsurători precise, vignetarea este un defect care afectează în mod semnificativ consistența datelor. Aceasta poate duce la identificarea greșită a obiectelor din zonele marginale din cauza luminii insuficiente sau poate cauza rezultate eronate la analiza culorii și a strălucirii.

Fotografia urmărește frumusețea vizuală și exprimarea emoțională, în timp ce viziunea robotică tinde spre consistență, repetabilitate și acuratețe a datelor. Pentru un algoritm AI, diferențele subtile de strălucire între marginile și centrul unei imagini pot fi interpretate greșit ca variații ale culorii sau texturii obiectului, ducând la judecăți incorecte. Prin urmare, în viziunea integrată, vignetarea nu este o opțiune, ci o problemă care trebuie rezolvată neapărat.

Importanță în aplicații de imagistică și optică. Înțălegerea punctelor sensibile ale efectului de vignetare

În aplicații de viziune integrată și optică, impactul negativ al vignetei nu poate fi ignorat. Vigneta perturbă uniformitatea imaginii, provocând variații ale luminozității, contrastului și culorii în diferite regiuni ale imaginii. Aceasta creează provocări semnificative pentru sarcini precum calibrarea culorii, asamblarea imaginilor și urmărirea obiectelor.

O consecință directă a vignetei este reducerea raportului semnal/zgomot (SNR) la marginile imaginii, ceea ce duce la o calitate slabă a imaginii și la pierderea detaliilor în acele zone. Vigneta este un punct sensibil important pentru aplicații care necesită capturarea precisă a marginilor, identificarea defecților subtile sau măsurarea culorii. De exemplu, în inspecția industrială a calității, un defect mic la marginea unei imagini poate rămâne nedetectat de către algoritm din cauza iluminării insuficiente, ceea ce duce la omiterea unor inspecții ale produselor.

În aplicațiile de reconstrucție 3D, vignetarea poate cauza, de asemenea, erori în algoritmii de percepție a adâncimii, rezultând distorsionarea modelelor 3D reconstruite la margini. Prin urmare, abordarea vignetării este o etapă esențială în orice sistem de vizualizare integrat care are cerințe stricte privind calitatea imaginii.

Cum se controlează și se reduce vignetarea obiectivului? Selectarea și calibrarea camerei vignetate

Controlul și reducerea vignetării obiectivului este un proces sistematic care necesită eforturi simultane atât în proiectarea hardware, cât și în calibrarea software.

Soluție hardware

• Selectarea obiectivului: Alegeți un obiectiv de înaltă calitate și bine proiectat. Obiectivele prime oferă în general un control mai bun al vignetării decât obiectivele zoom. Cercul imagine al obiectivului ar trebui să fie mai mare decât, sau cel puțin egal cu, dimensiunea senzorului de imagine utilizat.
• Controlul diafragmei: Reduceți corespunzător diafragma (cunoscută și sub numele de "stopping down"). Pentru vignetarea optică, reducerea diafragmei diminuează eficient blocarea luminii de către elementele obiectivului, reducând astfel gradul de vignetare. Totuși, aveți grijă ca reducerea excesivă a diafragmei să nu introducă efecte de difracție, care pot reduce de fapt claritatea imaginii.
• Potrivirea Sistemului: Asigurați-vă că obiectivul este pe deplin compatibil cu accesorii precum modul de cameră și filtrele, pentru a evita vignetarea mecanică.

Soluție Software

• Corecția câmpului plan (FFC): Aceasta este metoda cea mai frecvent utilizată și eficientă de corecție software. Conceptul său de bază este acela de a crea o "hartă de corecție" pentru vignetare. În primul rând, se captează o imagine de referință albă sau gri în condiții de lumină uniformă (imaginea flat-field). În continuare, se captează o imagine în absența luminii (imaginea dark frame). Utilizând aceste două imagini de referință, algoritmul poate calcula coeficientul de atenuare a strălucirii pentru fiecare pixel și poate efectua o compensare inversă asupra tuturor imaginilor în procesarea ulterioară a imaginilor.
• Tabel de corespondență (LUT): În unele sisteme cu cerințe mari de timp real, coeficienții de corecție pot fi precalculați și stocați într-un LUT, sacrificând o parte din memorie în schimbul unei prelucrări mai rapide.

Atunci când aleg un senzor de vignetare pentru un sistem de viziune embedded, inginerii ar trebui să ia în considerare pe deplin caracteristicile de vignetare ale obiectivului și să planifice din timp o soluție de corecție software.

Vignetarea în Sistemele de Viziune Embedded

În sistemele de viziune integrată, vignetarea nu este deloc o problemă neglijabilă. Aceasta afectează direct fiabilitatea și precizia sistemului. Indiferent dacă este utilizată pentru detectarea defectelor în automatizarea industrială sau recunoașterea facială în supravegherea securității, o imagine afectată de vignetare poate duce la eșecul algoritmului de viziune artificială.

Prin urmare, înțelegerea vignetării obiectivului și implementarea unor metode eficiente de corecție sunt esențiale pentru construirea unui sistem de viziune integrată de înaltă performanță și foarte fiabil. În dezvoltarea unui sistem de viziune integrată, corecția vignetării ar trebui considerată o funcție esențială. Selectarea unui obiectiv de înaltă calitate, combinată cu un algoritm precis de corecție a câmpului plan, reprezintă combinația perfectă pentru rezolvarea acestei probleme.

O soluție de succes pentru viziunea încorporată se bazează nu doar pe puterea algoritmilor săi, ci și pe fiabilitatea hardware-ului de bază și a datelor de imagine. Controlul și corectarea vignetării obiectivului sunt esențiale pentru asigurarea fiabilității datelor și reprezintă o provocare pe care inginerii sistemelor de viziune trebuie să o abordeze în timpul proiectării și implementării produsului.

Muchvision oferă soluții de corectare a vignetării

Întâmpinați și dumneavoastră provocarea unei luminozități neuniforme în jurul marginilor imaginii în proiectele dumneavoastră de viziune încorporată? Contactați echipa noastră de experți astăzi și vă vom oferi soluții profesionale de selecție a obiectivelor și de corectare a vignetării pentru a vă asigura că sistemul capturează cele mai perfecte date!