что такое виньетирование объектива? Типы и причины виньетирования

В системах встроенных машинного зрения распространенное и часто упускаемое из виду оптическое явление, известное как виньетирование объектива, влияет на качество изображения. Оно вызывает постепенное уменьшение яркости краев изображения, создавая характерный эффект «темных углов». Хотя это может быть художественным приёмом в любительской фотографии, в приложениях машинного зрения это важная проблема.

Как консультант, специализирующийся на модулях камер, я расскажу в этой статье о причинах и типах виньетирования, а также о его важности во встроенных системах машинного зрения. Мы рассмотрим, как эффективно контролировать и корректировать это явление, чтобы обеспечить максимальную точность и надежность данных, захваченных системами зрения, создавая прочную основу для приложений, варьирующихся от промышленной автоматизации до медицинской визуализации и даже систем безопасности.

Что такое виньетирование объектива? Подробное объяснение термина виньетирование

Виньетирование объектива — это оптическое явление, при котором центр изображения выглядит ярче, чем его края. Это неравномерное уменьшение яркости приводит к постепенному затемнению по краям или в углах изображения. Оно не вызвано недодержкой, а обусловлено тем, что свет блокируется оптическими или механическими компонентами при прохождении через оптическую систему объектива.

Понимание природы виньетирования является базовым знанием для всех инженеров, занимающихся встроенным машинным зрением. Оно напрямую влияет на надежность изображения и точность последующей обработки. Согласно определению виньетирования, его можно понимать как ослабление света от центра к краям изображения во время формирования изображения. Это ослабление обычно гладкое и постепенное, являясь распространенным и предсказуемым физическим законом в оптике.

Степень виньетирования часто измеряется в "ступенях света", где каждая ступень означает уменьшение яркости вдвое. Для машинного зрения даже незначительное виньетирование может привести к снижению отношения сигнал/шум (SNR) данных изображения по краям, тем самым влияя на производительность алгоритмов.

Какие бывают типы и причины виньетирования?

Виньетирование не имеет единой причины возникновения; оно может быть условно разделено на четыре типа:

Механическое виньетирование: Это вызвано физическими препятствиями в системе камеры, такими как несоответствующие бленды, кольца фильтров или корпуса объективов. Эти препятствия могут напрямую блокировать свет при его попадании под экстремальными углами. Например, использование бленды, предназначенной для телеобъектива, на широкоугольный объектив может привести к значительному механическому виньетированию.

Оптическое виньетирование: Это вызвано физическими ограничениями внутренних компонентов объектива. Когда свет проходит через объектив под большими углами, диафрагма, размер и положение внутренних компонентов объектива блокируют часть света, не позволяя ему достичь краев сенсора. Такой тип виньетирования уменьшается при уменьшении диафрагмы и наиболее заметен при максимальном открытии диафрагмы.

Естественное виньетирование: Это неизбежное физическое явление, подчиняющееся закону cos⁴θ. Даже в идеальной оптической системе без препятствий интенсивность света уменьшается с увеличением угла падения (θ). Это особенно заметно в широкоугольных объективах и при использовании больших сенсоров, являясь неотъемлемым свойством, которое невозможно полностью устранить с помощью физического дизайна.

Пиксельное виньетирование: Это происходит из-за разницы в угле падения света на пиксели по краям по сравнению с пикселями в центре. Эта разница приводит к эффекту затемнения угловых пикселей из-за незначительного уменьшения количества захваченного света. В отличие от оптической виньетки, виньетка на уровне пикселей является неотъемлемой характеристикой конструкции сенсора и не зависит от настройки диафрагмы. Это означает, что хотя виньетка обычно связывается только с объективами, она также может возникать из-за характеристик самого сенсора.

Что такое виньетка в фотографии?

Фотографы часто воспринимают виньетирование в фотографии как художественное выражение. С помощью него можно выделить объекты и создать атмосферу. Однако в области встроенных визионных систем ситуация совершенно иная. Для систем машинного зрения, которым необходимо выполнять точные измерения, виньетирование является дефектом, серьезно влияющим на согласованность данных. Это может привести к неправильной идентификации объектов на краевых участках из-за недостаточной яркости, а также к искаженным результатам анализа цвета и яркости.

Фотография стремится к визуальной красоте и эмоциональному выражению, тогда как машинное зрение направлено на согласованность данных, воспроизводимость и точность. Для алгоритма искусственного интеллекта незначительные различия в яркости между краями и центром изображения могут быть ошибочно истолкованы как изменения цвета или текстуры объекта, что приведет к неверным выводам. Поэтому встроенные визионные системы не могут игнорировать виньетирование — это проблема, которую необходимо решать.

Значение в задачах формирования изображения и оптических приложениях. Понимание проблем, связанных с эффектом виньетирования

Встроенные системы машинного зрения и оптические приложения не могут игнорировать негативное влияние виньетирования. Виньетирование нарушает однородность изображения, вызывая колебания яркости, контраста и цвета в разных областях изображения. Это создает значительные трудности для задач, таких как цветовая калибровка, склейка изображений и отслеживание объектов.

Прямым следствием виньетирования является снижение отношения сигнал/шум (SNR) на краях изображения, что приводит к ухудшению качества изображения и потере деталей в этих областях. Виньетирование представляет собой серьезную проблему для приложений, требующих точного захвата краев, выявления мелких дефектов или измерения цвета. Например, в промышленном контроле качества небольшой дефект на краю изображения может остаться незамеченным алгоритмом из-за недостаточного освещения, что приведет к пропуску бракованных изделий.

В приложениях 3D-реконструкции виньетирование также может вызывать смещение в алгоритмах восприятия глубины, в результате чего в реконструированных 3D-моделях по краям возникают искажения. Таким образом, устранение виньетирования является важным шагом в любой встроенной системе технического зрения, предъявляющей строгие требования к качеству изображения.

Как контролировать и уменьшить виньетирование объектива? Выбор и калибровка камеры с виньетированием

Контроль и уменьшение виньетирования объектива — это систематический процесс, требующий одновременных усилий на этапах проектирования аппаратных средств и калибровки программного обеспечения.

Аппаратное решение

• Выбор объектива: Выберите объектив высокого качества и хорошего дизайна. Обычно фикс-объективы обеспечивают лучший контроль виньетирования, чем зум-объективы. Круг изображения объектива должен быть больше, или, по крайней мере, равен размеру используемого датчика изображения.
• Контроль диафрагмы: Правильно уменьшите диафрагму (также известную как «закрытие диафрагмы»). Для оптического виньетирования уменьшение диафрагмы эффективно снижает вероятность блокировки света элементами объектива, тем самым уменьшая степень виньетирования. Однако имейте в виду, что слишком сильное закрытие диафрагмы может вызвать дифракционные эффекты, которые на самом деле могут снизить резкость изображения.
• Совместимость системы: Убедитесь, что объектив полностью совместим с аксессуарами, такими как модуль камеры и фильтры, чтобы избежать механического виньетирования.

Программное решение

• Коррекция равномерности освещенности (FFC): Это наиболее распространенный и эффективный метод коррекции программного обеспечения. Его основная идея заключается в создании "карты коррекции" для виньетирования. Сначала делается эталонное изображение белого или серого цвета при равномерном освещении (изображение поля). Далее делается изображение темного поля в условиях отсутствия света (темповая матрица). С использованием этих двух эталонных изображений алгоритм может рассчитать коэффициент ослабления яркости для каждого пикселя и выполнить обратную компенсацию для всех изображений на последующих этапах обработки изображений.
• Таблица перекодировки (LUT): В некоторых системах с высокими требованиями к реальному времени коэффициенты коррекции можно заранее рассчитать и сохранить в таблице перекодировки (LUT), пожертвовав частью памяти ради более быстрой обработки.

При выборе камеры с виньетированием для встроенной системы технического зрения инженеры должны в полной мере учитывать характеристики виньетирования объектива и заранее планировать программное решение для коррекции.

Виньетирование во встроенных системах технического зрения

В системах встроенной визуализации виньетирование ни в коей мере не является незначительной проблемой. Оно напрямую влияет на надежность и точность системы. Независимо от того, используется ли она для обнаружения дефектов в промышленной автоматизации или распознавания лиц в системах безопасности, изображение, испорченное виньетированием, может привести к сбоям алгоритма машинного зрения.

Поэтому понимание виньетирования объектива и реализация эффективных методов коррекции являются необходимыми для создания высокопроизводительной и надежной системы встроенной визуализации. При разработке системы встроенной визуализации коррекцию виньетирования следует рассматривать как основную функцию. Выбор объектива высокого качества, в сочетании с точным алгоритмом коррекции равномерности освещенности, является идеальным решением этой проблемы.

Успешное решение на основе встроенной визуальной системы опирается не только на мощь алгоритмов, но и на надежность базового оборудования и изображений. Контроль и коррекция виньетирования объектива играют решающую роль в обеспечении достоверности данных и являются задачей, которую инженеры-проектировщики систем технического зрения должны учитывать на этапах разработки и реализации продукта.

Muchvision предлагает решения по коррекции виньетирования

Столкнулись ли вы также с проблемой неравномерной яркости по краям изображения в ваших проектах встроенных визуальных систем? Свяжитесь с нашей экспертной командой уже сегодня и мы предложим вам профессиональные решения по выбору объектива и коррекции виньетирования, чтобы ваша система обеспечивала наиболее точный сбор данных!