Objektivy

Objektivy pro strojové vidění

Objektivy a optická soustava

Návrh a výběr optické soustavy patří mezi nejdůležitější kroky při návrhu systémů strojového vidění. Optická soustava se skládá z vhodného objektivu a příslušného osvětlení. Zde se budeme zabývat pouze objektivy. Informace k osvětlovačům najdete zde.

Optická soustava má za úkol zobrazit snímanou scénu na senzoru kamery a měla by splňovat (vzhledem k požadavkům aplikace) následující parametry:

získat dostatečné rozlišení
zajistit dostatečnou hloubku ostrosti
mít přijatelné zkreslení

Všechny tyto parametry jsou ovlivňovány řadou aspektů – zaclonění a zaostření objektivu, ohnisková vzdálenost v závislosti na pracovní vzdálenosti, okolní osvětlení, a další. Při návrhu je potřeba brát v úvahu všechny aspekty a předem znát odpověď na otázku, k jakým účelům má kamerový systém sloužit. Chci provádět přesná měření nebo stačí jen orientační kontrola? Potřebuji číst čárový kód nebo stačí jen kontrolovat přítomnost etikety? Podobných typů otázek se najde celá řada. K dispozici je široká škála objektivů s různými ohniskovými vzdálenostmi a s rozdílnou kvalitou zobrazení. U každé optické soustavy najdeme různé typy vad. Pro strojové vidění jsou nejdůležitější vinětace, barevná vada a zkreslení. U méně kvalitních objektivů se s těmito vadami můžeme s jistotou setkat. Nevhodné pro strojové vidění jsou i objektivy s proměnlivou ohniskovou vzdáleností (zoom). Z konstrukčních důvodů je nemožné zajistit stabilitu parametrů v celém rozsahu nastavení.

Zvláštní postavení má perspektivní zkreslení obrazu. Tohoto zkreslení dosáhneme vždy, použijeme-li standardní (endocentrický) objektiv. Ve většině aplikací si se standardními objektivy hravě vystačíme. Jsou však případy, kdy potřebujeme snímat scénu bez perspektivního zkreslení, což může být například aplikace měření. Pro tyto účely se používají tzv. telecentrické objektivy. Charakteristickou vlastností telecentrických objektivů je, že průměr vstupního členu optické soustavy se rovná úhlopříčce zorného pole – při změně snímací vzdálenosti se úhlopříčka nemění. Z obrázku je vidět, jak zobrazuje šest válečků standardní objektiv (horní) a jak ten stejný počet zobrazuje telecentrický objektiv (spodní).

Uchycení objektivů

Existuje několik typů uchycení objektivů – F-Mount, C-Mount, CS-Mount, S-Mount.

Objektivy s C-Mount uchycením jsou nejčastěji používané ve všech aplikacích. Rozdíl mezi C-Mount a CS-Mount je velice nepatrný a pouhým okem nelze rozpoznat. Oba typy objektivů mají upevňovací závit o průměru jeden palec. Jediný rozdíl je pouze ve vzdálenosti příruby od obrazového ohniska, resp. od aktivní plochy obrazového senzoru (Flange Focal Distance, někdy také nazývaný Flange Back Distance). CS-Mount provedení má tuto 12,5 mm a objektiv s C-Mount závitem pak 17,5 mm. V praxi to znamená, že objektiv C-Mount lze na kameru s CS-Mount upevnit přes mezikroužek o tloušťce 5 mm. Objektiv CS-Mount na kameře určené pro objektiv C-Mount nelze zaostřit.

Příklad výpočtu ohniskové vzdálenosti

Pro výpočet správné ohniskové vzdálenosti je potřeba znát tři hodnoty – velikost snímaného objektu, jeho vzdálenost od objektivu a velikost senzoru. Pro výpočet použijeme následující vzorec vycházející ze zobrazovací rovnice a zvětšení:

Praktický příklad výpočtu

Zadání:

velikost objektu = 100mm
velikost senzoru = 6,78mm (UI-1240SE – velikost senzoru 6,78x5,43mm)
vzdálenost objektu = 300mm
ohnisková vzdálenost = f = ?

Výpočet:
f= (6,78 x 300) / (100 + 6,78) = 2034 / 106,78 = 19 mm

Závěr:
Pro snímání objektu o velikosti 100 mm ze vzdálenosti 300mm kamerou UI-1240SE o velikosti senzoru 6,78 x 5,43 mm potřebujeme objektiv s ohniskovou vzdáleností 19 mm. V tomto případě se nám velikost objektu zobrazí v celé šířce zorného pole kamery. Chceme-li objekt o velikosti 100 mm zobrazit na výšku, pak stačí nahradit šířku senzoru 6,78mm za jeho výšku 5,43 mm. V tomto případě je pak ohnisková vzdálenost 15,5 mm.