在机器视觉系统中影响各项空间分辨率的因素很多,其中主要为镜头、摄像头和采集卡,我们将在有关章节从不同的角度分别对分辨率进行讨论,讨论一下镜头的分辨率。
分辨率就是反映图像细节的能力,在镜头与摄像头中多以线对数来表达,即分辨相同宽度的黑白间隔线对的能力,例如每毫米的线对数(1p/mm)。另一种表达方式是全图象的像元(pixel)数。
影响镜头分辨率的因素有两个:衍射和光差。
a.衍射(Diffraction)是光线通过镜头时产生的绕射,它会使物体图像锐变的边缘模糊化,从而影响分辨率,见图2-4,比较清晰的红圆块经过镜头,边缘模糊了。从图中还可以看出,当光圈减少时,衍射现象更严重,圆块直径更大了,即分辨率更差了。
b.光差(Aberrtion)是在镜头的设计和制造过程中引起的机械误差而产生的图像失真,从而影响了镜头的分辨率,光差也和光圈有关,光差和光圈的关系与衍射与光圈的关系相反,光圈越小,光差越少,分辨率越大。
综合起来看,首先,衍射和光差对分辨率的影响都与光圈的大小有关,而光圈的大小对这两个因素的影响又是相反的。镜头的景深(DOF)也是和光圈有关的,光圈越大,景深越小;光圈越小景深越大。那么光圈到底如何来选择呢?衍射、光差、景深、光圈和分辨率之间的关系是如何相互影响的呢?参看图2-5。图中是一款35mm双高斯镜头所具有的特性曲线和参数。从图中可以看出,随着光圈的缩小(f/D增加)衍射使分辨率越来越低,假设Lp/mm=5使分辨率的最低允许值,相对孔径f/D=13.5时是最大值,即相应的最小光圈直径约为2.6mm,也就是说在这一光圈下获得的景深是最大景深。
反过来,随着光圈的增大(f/D减少),光差使分辨率越来越低,它在f/D=4.2光圈为8.3mm处与衍射曲线交叉,形成了镜头最大可能的分辨率,当光圈继续增大时,则光差会使分辨率迅速减少,当f/D3时,分辨率会低于最低允许值Lp/mm=5。
一般我们在购买镜头的时候,不可能获得该镜头如图2-5所示的曲线和参数,但我们在挑选和设定镜头时应定性地遵循以下原则:
a.为了获得高分辨,镜头的光圈应尽可能的大,但并不是越大越好,在光圈拧到全开时,应反过来稍稍关小一些;
b.如果机器视觉系统检测的物体与镜头的距离是随机变化的,或者物体本身有一定的深度,而镜头又要清晰地反映整个物体,那就会对镜头的景深有一定的要求,也就是说应适当减少光圈来获得较大的景深,由于衍射,光圈的减少又会引起分辨率的降低,为了保证最低允许的分辨率,应购买档次较高的镜头,以便于当光圈减小而使分辨率降低时,分辨率仍能满足需求。
c.最后,精细调节焦距是保证镜头分辨率最基本的要求。
大多数便宜的镜头分辨率在50Lp/mm左右,相当于水平分辨率为个像元,这样的镜头适合于对分辨率没有特殊要求的机器视觉系统,和相当于VGA级以下的分辨率的摄像头相配。
在使用百万级以上摄像头的系统中,镜头的分辨率应达到Lp/mm,和相当于水平像元数为的摄像头(1/2英寸)相配。
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