Lentile si camere
In general, camerele de luat vederi se livreaza fara lentile
[119][175][206][207] (obiective). Se pleaca de la ideea ca alegerea lentilelor se
face de catre utilizator in functie de aplicatia avuta in vedere si considerand in
principal marimea obiectelor din scena, distanta la care se afla acestea in raport cu
camera si rezolutia ceruta de aplicatie. Totusi, de multe ori, proiectantul unei
aplicatii va alege in acelasi timp si lentile le si camerele de care are nevoie intr-o
aplicatie. Pentru a face o astfel de alegere (figura 2.24) se folosesc urmatoarele
notiuni:
! Campul de vedere (FOV - Field of View) este zona din scena cu obiecte care
este "vazuta" de camera si eventual va fi vizualizata, de exemplu pe monitor.
! Rezolutia este o masura a capacitatii de reprezentarea a detaliilor obiectelor
din imagine.
! Contrastul este dat de diferenta dintre nivelele de gri care corespund
obiectului si respectiv fondului imaginii.
! Distantele de lucru minima si maxima sunt masurate de la lentila
obiectivului la obiect.
! Adancimea campului (DOF - Depth of Field) este diferenta dintre cea mai
apropiata si cea mai departata pozitii intre care poate fi deplasat un obiect fara ca
imaginea sa se deterioreze inacceptabil (se observa blur). Adancimea campului este
distanta maxima pentru care se poate asigura focalizarea perfecta cu ajutorul
lentilelor. Acest parametru capata sens in asociere cu specificarea rezolutiei si
contrastului. DOF poate fi crescut prin inchiderea diafragmei lentilei insotita de o
crestere corespunzatoare a iluminarii.
! Marimea senzorului este dimensiunea zonei active a senzorului, care este de
cele mai multe ori specificata prin dimensiunea orizontala. Acest parametru este
folosit in calcularea magnificarii primare cerute pentru obtinerea unui anumit camp
de vedere. Cele mai multe variante comercializate (figura 2.25) au un senzor cu
raportul dintre dimensiunile verticala si orizontala in raportul 3/4.
! Magnificarea primara este definita ca raportul dintre marimea senzorului si
marimea campului de vedere. Acest parametru este reglat prin intermediul
sistemului de lentile.
! Magnificarea secundara este raportul dintre marimea monitorului si marimea
senzorului.
! Magnificarea sistemului este magnificarea totala realizata de sistem in
totalitatea sa si este produsul dintre magnificarea primara si magnificarea
secundara.
! Numarul de linii pe milimetru este o masura a rezolutiei in sensul ca masoara
perechile de linii pe milimetru care inca apar distinct (separate) in imagine. In acest
fel rezolutia poate fi exprimata ca o frecventa. Legatura cu rezolutia devine mai
evidenta daca remarcam ca inversul acestui parametru este distanta minima, in
milimetrii, care trebuie sa separe doua regiuni din imagine pentru ca acestea sa
apara distincte. Specificarea poate fi facuta atat pentru lentile cat si pentru camere.
! Numarul de pixeli este un parametru care influenteaza decisiv rezolutia
oferita de camera care include senzorul. Este evident ca distanta minima amintita
mai sus trebuie sa corespunda cel putin la un pixel.
! Numarul de linii TV masoara rezolutia folosind o mira formata din linii
echidistante. Daca mira acopera campul de vedere, atunci numarul de linii TV este
calculat numarand liniile si spatiile distinct vizibile in imagine. Parametrul nu are
unitati de masura si nu trebuie comparat cu numarul de linii pe milimetru.
! Numarul F este o masura a volumului de lumina care trece prin lentila.
Numarul F creste pe masura ce deschiderea diafragmei scade (diafragma se
inchide). Inchizand diafragma se produce o marire a adancimii campului de vedere,
dar acest lucru se poate compensa crescand iluminarea campului de vedere.
Numarul f este definit ca raportul dintre distanta focala si diametrul deschiderii
circulare a diafragmei. Valorile standardizate sunt 1,4 ; 2; 2,8; 5.6; 8; 11; 16.
Valorile sunt in progresie geometrica cu ratia 2. Fiecare avasare pe aceasta scara
corespunde reducerii la jumatate a suprafetei (care depinde patratic de raza)
deschiderii diafragmei si deci in aceeasi masura a volumului luminii care trece prin
lentila.
Pentru alegerea unei lentile [181] pentru o camera, solutia cea mai simpla
este sa se foloseasca numai ecuatia clasica a lentilelor:
unde v este distanta de la lentila la imagine, u este distanta de la lentila la obiect, f
este distanta focala.
Notand factorul de marire sau de magnificare cu M, avem:
Daca se cunoaste factorul de magnificare si distanta pana la obiect se poate
calcula distanta focala necesara. De exemplu, pentru un obiect de 10 centimetri si
un senzor matriceal de 8,8 x 6,6 mm, pentru o distanta de 0,5 metri factorul de
magnificare va fi:
M = 8,8 / 100 = 0,088 (2.10)
iar lungimea focala ceruta este:
f = 500 x 0,088 / 1,088 = 40,44 mm (2.11)
Se va prefera o usoara pierdere de rezolutie pentru acoperirea unei zone mai
intinse si se va alege o lentila cu lungimea focala mai mica, de 35 mm de exemplu.
Pentru a lua in calcul si rezolutia si acuratetea de masurare asteptate, se pot
calcula urmatoarele marimi:
' Rezolutia camerei
! Rezolutia camerei [m] =
100 / Numarul de linii [perechi de linii/mm] (2.12)
' Rezolutia analogica
! Rezolutia orizontala [perechi de linii/mm] =
(Numarul de linii TV pe orizontala x 1,33) / (2 x Dimensiunea orizontala a
senzorului [mm]) (2.13)
! Rezolutia verticala [perechi de linii/mm] =
(Numarul de linii TV pe verticala) / (2 x Dimensiunea verticala a senzorului
[mm]) (2.14)
Este evident ca "1.33" provine de la raportul 3/4 care trebuie luat in calcul
pentru ca spatierea difera astfel pe cele doua directii.
' Rezolutia numerica
! Rezolutia camerei [perechi de linii/mm] =
Numarul de pixeli / (2 x Marimea senzorului) (2.15)
! Rezolutia camerei [m] =
2 x Marimea pixelului [m] (2.16)
' Magnificarea
! Magnificarea primara PMAG =
Marimea senzorului pe orizontala [mm] / Marimea campului de vedere pe
orizontala [mm] (2.17)
! Magnificarea sistemului =
PMAG x (Marimea diagonalei monitorului [mm] / Marimea diagonalei
senzorului [mm]) (2.18)
' Rezolutia sistemului
! Rezolutia sistemului [m] = Rezolutia camerei [m] / PMAG (2.19)
! Rezolutia sistemului [perechi de linii/mm] =
Rezolutia camerei [perechi de linii/mm] x PMAG (2.20)
Sa presupunem ca se doreste masurarea un detaliu de aproximativ 3 mm
dintr-o componenta mecanica cu o precizie de 25 m. Consideram ca imaginea
preluata de camera de luat vederi, cuplata la un sistem de achizitie si prelucrare de
imagini, este in final afisata pe un monitor. Imaginea finala afisata nu poate depasi
in calitate parametrii celei mai putin performante componente din sistem. Daca
aplicatia este o aplicatie de vedere artificiala cu prelucrarea automata a imaginii,
atunci imaginea afisata nu va influenta rezultatul final. In acest caz calitatea
monitorului nu mai este critica. Daca se face doar preluarea imaginii de la camera
si afisarea ei pe monitor atunci calitatea monitorului va influenta evident rezolutia
sistemului. Este necesar sa fie cunoscute valorile parametrilor care definesc
aplicatia si calculate marimile prezentate mai sus. Pe baza acestor informatii se
poate face o alegere a componentelor sistemului. Trebuie luate in calcul si
conditiile de iluminare care influenteaza decisiv performantele globale ale
sistemului. Acolo unde este posibil, stabilirea unor conditii de iluminare controlate
si constante (de exemplu in aplicatii industriale de fabricatie integrata) pot asigura
o baza solida pentru dezvoltarea unei aplicatii performante. In aplicatiile in care
conditiile de iluminare nu sunt controlabile si/sau sunt variabile, efortul de
eliminare a influentelor care apar ca o consecinta va fi considerabil.
rezolutia imaginii afisate pe monitor. Alegem un camp de vedere de 4,75 mm pe
orizontala pentru ca partea utila sa ocupe cea mai mare parte a imaginii afisate pe
monitor. Dintre formaatele CCD disponibile presupunem ca vom folosi o camera
de 1/2' (6,4 mm pe orizontala). Pentru ca, asa cum am precizat deja, dorim sa
umplem imaginea de pe monitor cu imaginea corespunzatoare campului de vedere,
cu cat alegem un senzor de dimensiune mai mare cu atat vom avea nevoie de
lentile cu magnificare mai mare. Acum se poate calcula magnificarea primara,
magnificarea secundara (sa presupunem un monitor cu diagonala de 13') si
magnificarea sistemului. Cum magnificarea sistemului corespunde magnificarii
lentilelor, se va folosi aceasta valoare pentru a alege un obiectiv adecvat. Este de
preferat un obiectiv care sa permita si un zoom (marirea campului de vedere) out
pentru a avea posibilitatea sa vizualizam o portiune mai mare din obiectul care
contine detaliul care ne intereseaza.
