Rezoliucija yra vaizdo gavimo sistemos gebėjimas atkurti objekto detales ir priklauso nuo tokių veiksnių kaip naudojamas apšvietimas, jutiklio pikselių dydis ir optikos galimybės. Kuo mažesnė objekto detalė, tuo didesnė reikiama objektyvo skiriamoji geba.
Įvadas į sprendimo procesą
Kameros vaizdo kokybė priklauso nuo jutiklio. Paprasčiau tariant, skaitmeninis vaizdo jutiklis yra lustas fotoaparato korpuse, kuriame yra milijonai šviesai jautrių dėmių. Fotoaparato jutiklio dydis lemia, kiek šviesos gali būti naudojama kuriant vaizdą. Kuo didesnis jutiklis, tuo geresnė vaizdo kokybė, nes surenkama daugiau informacijos. Paprastai rinkoje reklamuojami skaitmeniniai fotoaparatai, kurių jutikliai yra 16 mm, Super 35 mm ir kartais iki 65 mm.
Didėjant jutiklio dydžiui, esant tam tikrai diafragmai, lauko gylis mažės, nes didesniam atitikmeniui reikia priartėti prieobjektą arba naudokite ilgesnį židinio nuotolį, kad užpildytumėte kadrą. Kad išlaikytų tą patį lauko gylį, fotografas turi naudoti mažesnes diafragmas.
Šis mažas lauko gylis gali būti pageidautinas, ypač norint sulieti portretą fone, tačiau kraštovaizdžio fotografijai reikia daugiau gylio, o tai lengviau užfiksuoti naudojant kompaktiškų fotoaparatų lanksčią diafragmą.
Padalijus jutiklio horizontalių arba vertikalių pikselių skaičių parodys, kiek vietos kiekvienas užima objekte, ir gali būti naudojamas objektyvo skiriamosios gebos įvertinimui ir klientų susirūpinimui dėl įrenginio skaitmeninio vaizdo pikselių dydžio išspręsti. Pirmiausia svarbu suprasti, kas iš tikrųjų gali apriboti sistemos skiriamąją gebą.
Šis teiginys gali būti parodytas kvadratų poros b altame fone pavyzdžiu. Jei kameros jutiklio kvadratai yra susieti su gretimais pikseliais, vaizde jie bus rodomi kaip vienas didelis stačiakampis (1a), o ne du atskiri kvadratai (1b). Norint atskirti kvadratus, tarp jų reikia tam tikro tarpo, bent vieno pikselio. Šis mažiausias atstumas yra didžiausia sistemos skiriamoji geba. Absoliuti riba nustatoma pagal jutiklio pikselių dydį ir jų skaičių.
Lęšio charakteristikų matavimas
Ryšys tarp kintančių juodų ir b altų kvadratų apibūdinamas kaip tiesinė pora. Paprastai skiriamoji geba nustatoma pagal dažnį,matuojamas linijų poromis milimetrui – lp/mm. Deja, objektyvo skiriamoji geba cm nėra absoliutus skaičius. Esant nurodytai skyrai, galimybė matyti du kvadratus kaip atskirus objektus priklausys nuo pilkos spalvos skalės lygio. Kuo didesnis pilkosios skalės atstumas tarp jų ir erdvės, tuo stabilesnė yra šių kvadratų išskyrimo galimybė. Šis pilkos skalės padalijimas žinomas kaip dažnio kontrastas.
Erdvinis dažnis pateikiamas lp/mm. Dėl šios priežasties labai naudinga apskaičiuoti skiriamąją gebą lp/mm lyginant objektyvus ir nustatant geriausią tam tikrų jutiklių ir taikomųjų programų pasirinkimą. Pirmasis yra ta vieta, kur prasideda sistemos skiriamosios gebos skaičiavimas. Pradedant nuo jutiklio, lengviau nustatyti, kokios objektyvo specifikacijos reikalingos, kad atitiktų įrenginio ar kitų programų reikalavimus. Didžiausias jutiklio „Nyquist“leistinas dažnis yra du pikseliai arba viena linijų pora.
Apibrėžimo objektyvo skiriamoji geba, dar vadinama sisteminio vaizdo erdvės skyra, gali būti nustatyta padauginus dydį Μm iš 2, kad būtų sukurta pora, ir padalijus iš 1000, kad būtų galima konvertuoti į mm:
lp/mm=1000/ (2 X pikseliai)
Jutikliai su didesniais pikseliais turės mažesnes skyros ribas. Jutikliai su mažesniais pikseliais veiks geriau pagal pirmiau pateiktą objektyvo skyros formulę.
Aktyvi jutiklio sritis
Galite apskaičiuoti didžiausią objekto skiriamąją gebąžiūrėjimas. Norėdami tai padaryti, būtina atskirti tokius rodiklius kaip jutiklio dydžio, matymo lauko ir jutiklio pikselių skaičiaus santykis. Pastarojo dydis reiškia kameros jutiklio aktyvios srities parametrus, dažniausiai nulemtus jo formato dydžio.
Tačiau tikslios proporcijos skirsis priklausomai nuo formato santykio, o vardiniai jutiklių dydžiai turėtų būti naudojami tik kaip gairės, ypač telecentriniams objektyvams ir dideliam padidinimui. Jutiklio dydį galima tiesiogiai apskaičiuoti pagal pikselių dydį ir aktyvųjį pikselių skaičių, kad būtų galima atlikti objektyvo skiriamosios gebos testą.
Lentelėje parodyta Nyquist riba, susijusi su kai kurių labai dažnai naudojamų jutiklių pikselių dydžiais.
| Pikselio dydis (µm) | Sujungta Nyquist riba (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Mažėjant pikselių dydžiui, susijusi Nyquist riba lp/mm proporcingai didėja. Norint nustatyti absoliučią mažiausią išskiriamą vietą, kurią galima pamatyti ant objekto, reikia apskaičiuoti matymo lauko ir jutiklio dydžio santykį. Tai taip pat žinoma kaip pirminis padidėjimas.(PMAG) sistemos.
Su sistemos PMAG susijęs ryšys leidžia keisti vaizdo erdvės skiriamąją gebą. Paprastai projektuojant programą jis nurodomas ne lp/mm, o mikronais (µm) arba colio dalimis. Naudodami aukščiau pateiktą formulę galite greitai pereiti prie didžiausios objekto skiriamosios gebos, kad būtų lengviau pasirinkti objektyvo skiriamąją gebą z. Taip pat svarbu nepamiršti, kad yra daug papildomų veiksnių, o pirmiau nurodytas apribojimas yra daug mažesnis klaidų tikimybės nei sudėtingumas, kai reikia atsižvelgti į daugelį veiksnių ir apskaičiuoti juos naudojant lygtis.
Apskaičiuokite židinio nuotolį
Vaizdo skiriamoji geba yra vaizdo elementų skaičius. Skirta dviem matmenimis, pavyzdžiui, 640x480. Skaičiavimai gali būti atliekami atskirai kiekvienam matmeniui, tačiau paprastumo dėlei tai dažnai sumažinama iki vieno. Norėdami atlikti tikslius vaizdo matavimus, turite naudoti mažiausiai du pikselius kiekvienai mažiausiam plotui, kurį norite aptikti. Jutiklio dydis reiškia fizinį indikatorių ir, kaip taisyklė, nėra nurodytas paso duomenyse. Geriausias būdas nustatyti jutiklio dydį – pažvelgti į jo pikselių parametrus ir padauginti jį iš kraštinių santykio. Tokiu atveju objektyvo skiriamoji geba išsprendžia blogo kadro problemas.
Pavyzdžiui, „Basler acA1300-30um“fotoaparato pikselių dydis yra 3,75 x 3,75 um, o skiriamoji geba – 1296 x 966 pikselių. Jutiklio dydis yra 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Jutiklio formatas nurodo fizinį dydį ir nepriklauso nuo pikselių dydžio. Šis nustatymas naudojamasnustatyti, su kuriuo objektyvu fotoaparatas yra suderinamas. Kad jie atitiktų, objektyvo formatas turi būti didesnis arba lygus jutiklio dydžiui. Jei naudojamas objektyvas su mažesniu formatu, vaizdas bus vinjetuotas. Dėl to jutiklio sritys, esančios už objektyvo formato krašto, tampa tamsios.
Pikseliai ir fotoaparato pasirinkimas
Norėdami matyti objektus vaizde, tarp jų turi būti pakankamai vietos, kad jie nesusilietų su gretimais pikseliais, nes kitaip jie nebus atskirti vienas nuo kito. Jei objektai yra po vieną pikselį, atskyrimas tarp jų taip pat turi būti bent vienas elementas, būtent to dėka susidaro linijų pora, kuri iš tikrųjų yra dviejų pikselių dydžio. Tai viena iš priežasčių, kodėl neteisinga matuoti fotoaparatų ir objektyvų skiriamąją gebą megapikseliais.
Iš tikrųjų lengviau apibūdinti sistemos skiriamąją gebą pagal linijų poros dažnį. Vadinasi, mažėjant pikselių dydžiui, skiriamoji geba didėja, nes galite įdėti mažesnius objektus ant mažesnių skaitmeninių elementų, turėti mažiau vietos tarp jų ir vis tiek nustatyti atstumą tarp fotografuojamų objektų.
Tai supaprastintas modelis, kaip fotoaparato jutiklis aptinka objektus neatsižvelgdamas į triukšmą ar kitus parametrus, ir yra ideali situacija.
MTF kontrasto diagramos
Dauguma objektyvų nėra tobulos optinės sistemos. Šviesa, praeinanti pro objektyvą, tam tikru laipsniu susilpnėja. Kyla klausimas, kaip tai įvertintidegradacija? Prieš atsakant į šį klausimą, būtina apibrėžti „moduliacijos“sąvoką. Pastarasis yra kontrastinio objektyvo matas tam tikru dažniu. Galima bandyti analizuoti realaus pasaulio vaizdus, darytus per objektyvą, kad būtų galima nustatyti skirtingų dydžių ar dažnių (tarpų) detalių moduliaciją arba kontrastą, tačiau tai labai nepraktiška.
Vietoj to, daug lengviau išmatuoti kintamų b altų ir tamsių linijų porų moduliaciją arba kontrastą. Jie vadinami stačiakampėmis grotelėmis. Stačiakampės banginės gardelės linijų intervalas yra dažnis (v), kuriam esant lęšio moduliavimo arba kontrasto funkcija ir skiriamoji geba matuojama cm.
Didžiausias šviesos kiekis bus iš šviesių juostų, o minimalus iš tamsių juostų. Jei šviesa matuojama ryškumu (L), moduliaciją galima nustatyti pagal šią lygtį:
moduliacija=(Lmax – Lmin) / (Lmax + Lmin), kur: Lmax yra didžiausias b altų linijų ryškumas grotelėse, o Lmin yra mažiausias tamsių linijų ryškumas.
Kai moduliacija apibrėžiama atsižvelgiant į šviesą, ji dažnai vadinama Michelsono kontrastu, nes norint išmatuoti kontrastą, naudojamas šviesių ir tamsių juostų skaisčio santykis.
Pavyzdžiui, yra tam tikro dažnio (v) ir moduliacijos kvadratinės bangos gardelė ir būdingas kontrastas tarp tamsių ir šviesių sričių, atsispindinčių nuo šios grotelės per objektyvą. Vaizdo moduliacija ir tokiu būdu objektyvo kontrastas matuojamas tam tikram dažniuijuostos (v).
Moduliacijos perdavimo funkcija (MTF) apibrėžiama kaip vaizdo moduliacija M i, padalyta iš stimulo (objekto) moduliacijos M o, kaip parodyta šioje lygtyje.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF bandymo tinkleliai spausdinami ant 98 % šviesaus lazerinio popieriaus. Juodos spalvos lazerinio spausdintuvo dažų atspindžio koeficientas yra apie 10%. Taigi M 0 vertė yra 88 %. Tačiau kadangi filmo dinaminis diapazonas yra labiau ribotas, palyginti su žmogaus akimi, galima drąsiai manyti, kad M 0 iš esmės yra 100 % arba 1. Taigi aukščiau pateikta formulė susideda iš toliau pateiktų dalykų. paprasta lygtis:
|
MTF (v)=Mi |
Taigi MTF objektyvas tam tikram gardelės dažniui (v) yra tiesiog išmatuota grotelių moduliacija (Mi), kai fotografuojama per objektyvą ant juostos.
Mikroskopo skiriamoji geba
Mikroskopo objektyvo skiriamoji geba yra trumpiausias atstumas tarp dviejų skirtingų taškų okuliaro matymo lauke, kuriuos vis tiek galima atskirti kaip skirtingus objektus.
Jei du taškai yra arčiau vienas kito nei jūsų skiriamoji geba, jie atrodys neryškūs ir jų padėtis bus netiksli. Mikroskopas gali pasiūlyti didelį padidinimą, bet jei lęšiai yra prastos kokybės, dėl prastos skiriamosios gebos pablogės vaizdo kokybė.
Žemiau yra Abbe lygtis, kur skiriamoji gebamikroskopo objektyvo z galia yra skiriamoji geba, lygi naudojamos šviesos bangos ilgiui, padalytam iš 2 (skaitinė objektyvo diafragma).
Keli elementai veikia mikroskopo skiriamąją gebą. Naudojant optinį mikroskopą esant dideliam padidinimui, vaizdas gali būti neryškus, tačiau vis tiek išlieka didžiausia objektyvo skiriamoji geba.
Skaitmeninė objektyvo diafragma turi įtakos skyrai. Mikroskopo objektyvo skiriamoji geba yra skaičius, rodantis lęšio gebėjimą rinkti šviesą ir nustatyti tašką fiksuotu atstumu nuo objektyvo. Mažiausias taškas, kurį gali nustatyti objektyvas, yra proporcingas surinktos šviesos bangos ilgiui, padalytam iš skaitmeninio diafragmos skaičiaus. Todėl didesnis skaičius atitinka didesnę objektyvo galimybę aptikti puikų regėjimo lauko tašką. Objektyvo skaitmeninė diafragma taip pat priklauso nuo optinės aberacijos korekcijos dydžio.
Teleskopo objektyvo skiriamoji geba
Kaip šviesos piltuvas, teleskopas gali rinkti šviesą proporcingai skylės plotui, ši savybė yra pagrindinis objektyvas.
Žmogaus akies tamsoje pritaikyto vyzdžio skersmuo yra šiek tiek mažesnis nei 1 centimetras, o didžiausio optinio teleskopo skersmuo yra 1000 centimetrų (10 metrų), todėl didžiausias teleskopas yra milijoną kartų didesnis. plotas nei žmogaus akis.
Štai kodėl teleskopai mato blyškesnius objektus nei žmonės. Ir turėti įrenginius, kurie daug valandų kaupia šviesą naudodami elektroninius aptikimo jutiklius.
Yra du pagrindiniai teleskopų tipai: lęšių refraktoriai ir veidrodiniai reflektoriai. Dideli teleskopai yra atšvaitai, nes veidrodžiai neturi būti skaidrūs. Teleskopiniai veidrodžiai yra vieni iš tiksliausių konstrukcijų. Leidžiama paviršiaus paklaida yra maždaug 1/1000 žmogaus plauko pločio – per 10 metrų skylę.
Veidrodžiai anksčiau buvo gaminami iš didžiulių storų stiklo plokščių, kad jie nenuslinktų. Šiandieniniai veidrodžiai yra ploni ir lankstūs, tačiau yra valdomi kompiuteriu arba kitaip segmentuojami ir išlygiuojami kompiuteriu. Be užduoties surasti neryškius objektus, astronomo tikslas yra pamatyti smulkias jų detales. Detalių atpažinimo laipsnis vadinamas skyra:
- Neryškūs vaizdai=prasta skiriamoji geba.
- Aiškūs vaizdai=gera skyra.
Dėl šviesos banginio pobūdžio ir reiškinių, vadinamų difrakcija, teleskopo veidrodžio arba objektyvo skersmuo riboja jo galutinę skiriamąją gebą, palyginti su teleskopo skersmeniu. Rezoliucija čia reiškia mažiausią kampinę detalę, kurią galima atpažinti. Mažos reikšmės atitinka puikią vaizdo detalę.
Radijo teleskopai turi būti labai dideli, kad užtikrintų gerą skiriamąją gebą. Žemės atmosfera yraaudringi ir neryškūs teleskopo vaizdai. Sausumos astronomai retai gali pasiekti maksimalią aparato skiriamąją gebą Turbulentinis atmosferos poveikis žvaigždei vadinamas regėjimu. Ši turbulencija priverčia žvaigždes „mirksėti“. Siekdami išvengti šių atmosferos neaiškumų, astronomai paleidžia teleskopus į kosmosą arba stato juos ant aukštų kalnų, kurių atmosferos sąlygos yra stabilios.
Parametrų skaičiavimo pavyzdžiai
Duomenys „Canon“objektyvo skyrai nustatyti:
- Pikselio dydis=3,45m x 3,45
- Pikseliai (H x V)=2448 x 2050.
- Norimas matymo laukas (horizontalus)=100 mm.
- Jutiklio skiriamosios gebos riba: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Jutiklio matmenys:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Matavimo objektyvo skiriamoji geba: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Tiesą sakant, šie skaičiavimai yra gana sudėtingi, tačiau jie padės sukurti vaizdą pagal jutiklio dydį, pikselių formatą, darbinį atstumą ir matymo lauką milimetrais. Apskaičiavus šias vertes, bus nustatytas geriausias objektyvas jūsų vaizdams ir pritaikymui.
Šiuolaikinės optikos problemos
Deja, padvigubinus jutiklio dydį, atsiranda papildomų problemų objektyvams. Vienas iš pagrindinių parametrų, turinčių įtakos vaizdo objektyvo kainai, yra formatas. Reikia sukurti objektyvą didesnio formato jutikliuidaug atskirų optinių komponentų, kurie turėtų būti didesni, o sistemos perdavimas standesnis.
Objektyvas, sukurtas 1" jutikliui, gali kainuoti penkis kartus daugiau nei objektyvas, skirtas ½" jutikliui, net jei jis negali naudoti tų pačių specifikacijų su ribota pikselių skiriamąja geba. Prieš tai reikia atsižvelgti į kainos komponentą nustatyti objektyvo skiriamąją gebą.
Optinis vaizdavimas šiandien susiduria su daugiau iššūkių nei prieš dešimtmetį. Jutikliams, su kuriais jie naudojami, keliami daug didesni skyros reikalavimai, o formato dydžiai vienu metu keičiami ir mažesniais, ir didesniais, o pikselių dydis ir toliau mažėja.
Anksčiau optika niekada neribojo vaizdo sistemos, o šiandien tai daro. Kai tipinis pikselio dydis yra apie 9 µm, daug dažnesnis dydis yra apie 3 µm. Šis 81 karto padidėjęs taškų tankis paveikė optiką ir, nors dauguma įrenginių yra geri, objektyvo pasirinkimas dabar yra svarbesnis nei bet kada.
