Що таке оптична кратність, як цей параметр розраховується, яке практичне застосування (як побачити на практиці різницю різних кратностей)? В оптиці згадана Вами "оптична кратність" називається збільшенням оптичної системи, яке вимірюється в кратах. називається відношення кута, під яким видно предмет, що розглядається (або частина предмета) через оптичну систему до кута під яким видно цей предмет (або його частина) неозброєним оком. Оскільки при незмінному розмірі предмета кут під яким цей предмет видно неозброєним оком залежить від відстані до предмета, що спостерігається, то в телескопічних оптичних системах (зорові труби, монокуляри, біноклі, телескопи) згадані кути приймаються для однієї й тієї ж відстані. У мікроскопах кут під яким видно предмет неозброєним оком. визначається для відстані найкращого бачення рівного 250 мм. У проекційних системах під збільшенням розуміють відношення розміру зображення предмета до розміру самого предмета. "живого" негативу (діапозитиву). І на практиці легко побачити відмінність збільшення (кратності) проекційної системи. відсуваючи або підсуваючи її до екрану. Збільшення телескопічних систем, у випадку, визначається розподілом фокусної відстані об'єктива на фокусну відстань окуляра. Або розподілом діаметра вхідної зіниці оптичної системи до діаметру її вихідної зіниці. Знання збільшення телескопічної системи є важливим при виборі спостережного приладу (зорової труби, бінокля) для будь-яких конкретних цілей. Чим більше збільшення телескопічної системи, тим більше далекий об'єкт її можна розглянути. Ну а побачити на ПРАКТИЦІ є лише один спосіб. Подивитися в системи з різними збільшеннями і побачити на практиці. Збільшення мікроскопа визначається добутком збільшення об'єктиву мікроскопа збільшення окуляра. І на об'єктиві мікроскопа та на окулярі вказано їх збільшення. Знаючи приблизний розмір мікропредмету, який необхідно розглянути, а також з огляду на те, що з відстані найкращого бачення людське око на межі видимості розрізняє предмет розміром приблизно 0,1 мм, легко можна визначити необхідне збільшення мікроскопа. Є ще один випадок, коли застосовується поняття кратності – в об'єктивах зі змінною фокусною відстанню. У цьому випадку про збільшення не говорять, оскільки мається на увазі діапазон зміни фокусної відстані. Кратність у разі визначається розподілом максимального фокусного відстані об'єктива з його мінімальне фокусне відстань. Оптика з постійною кратністю розроблена таким чином, що прилади мають лише одне значення збільшення. Завдяки меншій кількості лінз, що використовуються в їхній оптичній системі, вони дають більш яскраву картинку, менше спотворень. менша вага та розмір у порівнянні з оптикою зі змінною кратністю.Також можна помітити, що в одній лінійці виробника такі прилади будуть дешевшими. Оптика із змінною кратністю розроблена таким чином, що прилади можуть змінювати значення збільшення. Усередині корпусів встановлена система зміни положення лінз, що дає такий ефект. Отже, це змінює також впливає на кут огляду, де збільшення означає менший кут і навпаки. Але при цьому змінна кратність забезпечує універсальність під час спостереження на різних дистанціях. У назві можна зустріти позначення "-", наприклад 3-9х. Мене звуть Андрій, я – фахівець із оптичних систем, оптик та інженер-конструктор в одній особі. Вже кілька років, будучи єдиним оптиком фірми, я працюю пліч-о-пліч з відділом нейромереж, що займаються розпізнаванням зображень. У мене склалося чітке розуміння, які саме шматочки оптичних знань використовують самі CV-розробники у своїй роботі, а де вже звуть профільного фахівця. З таких шматочків, викладених у зручному порядку, з'явився цей курс. Спочатку я писав його для внутрішнього навчання джунів та мідлів відділу нейромереж, які починають працювати з розпізнаванням зображень. У курсі є те, з чим CV-розробники стикаються на практиці при складанні макетів і роботі з об'єктивами. Не більше та не менше. Щоб із елементарними питаннями до мене рідше бігали :) Чому взагалі довелося писати, коли є гугл? Оптика - вузька і наукомістка сфера, і спроба гуглити інформацію по ній найчастіше призводить до невдач (бо спеціалісту важко відрізнити правильну інформацію від помилкової).Я заради інтересу багато разів дивився, що пишуть в інтернеті оптикою, і найчастіше там, м'яко кажучи, некоректна інформація. Англомовний Гугл краще, але теж не панацея. Статті пишуть в основному або фотолюбителі (там багато помилок), або астрономи (там все вже краще, але дуже специфічна область, яку не кожен зможе «портувати» на свій проект), або просто випадкові люди на кшталт любителів мисливських прицілів (там політ думки такий що просто туши світло). Правильна інформація є у профільних статтях чи книгах по 500 сторінок, але в такі глибини нефахівці зазвичай не пірнають. Тому виникла ідея написати максимально короткий і простий курс-шпаргалку по апаратній частині для CV-розробника-початківця. Курс надзвичайно скорочений і спрощений, тому де-не-де я відхиляюся від класичної оптичної теорії. Суворість термінів свідомо принесена в жертву зручності практичного застосування курсу. Прошу знаючим людям не чіплятися до формулювань. Якщо ми говоримо про обробку зображень, виникає питання, як ми отримуємо вихідну картинку. Навіть картинки з інтернету хтось якось отримав, перш ніж завантажити їх у мережу. Системи технічного зору, виходячи із самого слова «зір», сприймають реальні предмети навколишнього світу подібно до ока. Щоб отримати зображення навколишніх предметів у формі, придатній для комп'ютерної обробки, потрібно два елементи: об'єктив і камера. Це апаратні частини, «залізки», без яких не можна передати зображення реального світу в комп'ютер. Оптико-електронний пристрій складається з наступних незалежних модулів. У порядку від предмета, що розглядається до зображення: Цікавий факт. Цей принцип дотримується у оптиці, а й у інших діапазонах шкали електромагнітних хвиль. Наприклад, за ідентичним принципом побудований спрямований радіолокатор: його тарілкоподібний рефлектор є об'єктивом, а приймач у фокусі рефлектора – аналогом камери. Уточнимо терміни. В рамках курсу дамо такі визначення: Об'єктив - Оптичний елемент, що формує з реального об'ємного світу плоске зображення, здатне сприймати матриця. Матриця (або сенсор) – тонка пластинка з напівпровідника, що є масивом мікроскопічних світлочутливих елементів. Матриця з додаванням електроніки та поміщена з нею в єдиний корпус називається камерою. Цікавий факт. У фотографії камера інтегрована в корпус фотоапарата, тому фотографи використовують лише слова "об'єктив" і "матриця", а слово "камера" має у фотографів інше значення - так називають сам фотоапарат. Зображення сцени навколишнього світу, що цікавить нас, не може само телепортуватися в комп'ютер.Саме об'єктив, фокусуючи світлові промені, формує із тривимірної області простору плоске двовимірне зображення, яке можна поєднати з плоскою матрицею, зробити захоплення зображення та перевести зображення в електричний сигнал та цифровий код. Важливо: об'єктив формує зображення незалежно від наявності камери за об'єктивом. Якщо з об'єктива зняти камеру, зображення нікуди не пропаде і фізично «висітиме в повітрі» за об'єктивом. Це зображення можна спостерігати оком чи аркуші паперу. Розглянемо значення оптичних параметрів на прикладі ідеальної тонкої лінзи (цей розділ був у шкільній фізиці у 8 класі). Тонку лінзу ще називають ідеальним об'єктивом, тобто об'єктивом, який створює ідеальне зображення, без спотворень та аберацій (докладніше про аберації в наступній статті). Для початку згадаємо побудову зображення в одиночній лінзі. Від нього лише крок до справжнього об'єктива та розуміння його основних параметрів. Одиночна лінза – дуже проста та зручна модель для розрахунків. Будь-який об'єктив (крім об'єктива з сильною дисторсією) при розрахунку можна звести до еквівалентної йому одиночної лінзи. Велика кількість лінз у реальних об'єктивах служать лише отримання зображення хорошої якості. Припустимо, перед лінзою на певній відстані L розташований предмет
AB. Предмет перпендикулярний оптичній осі та зображення
A'B'цього предмета також буде перпендикулярно до оптичної осі. Значить, щоб знайти положення та розмір зображення Для знаходження розташування точки B´ достатньо побудувати два промені: На місці перетину цих двох променів і розташовуватиметься точка B´. Примітка. Фокус - точка на оптичній осі, куди фокусується пучок променів, що йде паралельно до оптичної осі. Фокальна площина – площина, яка проходить через точку фокусу та перпендикулярна до оптичної осі. Матрицю найчастіше розташовують у фокальній площині. Звідси можна зробити два проміжні висновки: Тепер почнемо видаляти предмет від лінзи, збільшуючи відстань L. Що станеться? Перша лінза на малюнку розташування предмета і зображення збігається з попереднім малюнком «Ідеальна лінза». Коли предмет переміщається на подвійну фокусну відстань, зображення стає рівним предмету. При подальшому видаленні предмета від лінзи зображення зменшується і наближається до фокальної площини. Коли предмет видаляється на нескінченність, його зображення знаходиться у фокальній площині: Якщо йти малюнком у зворотному порядку, знизу вгору, можна зробити выводы: При видаленні предмета його кутовий розмір (на малюнку – кут між центрами синього та зеленого пучків променів) зменшується. Тому навіть найбільші об'єкти спостереження розміщуються на маленьку матрицю, якщо вони спостерігаються здалеку. Реальні предмети ніколи не перебувають у нескінченності. Нескінченність сама по собі умоглядне поняття, яке не має відношення до практичної фізики. Насправді будь-який предмет знаходиться на конкретній відстані від об'єктива. Якщо відстань до предмета настільки велика, що його зображення знаходиться практично у фокальній площині і не відрізняється від різкості від зображення строго у фокальній площині, то кажуть, що предмет знаходиться на гіперфокальній відстані чи відстані початку нескінченності. Гіперфокальна відстань залежить від параметрів об'єктива; наприклад, для ока (а око – теж об'єктив) воно дорівнює приблизно п'яти метрам – саме на такій відстані висить офтальмологічна таблиця для перевірки гостроти зору. Розглянемо тепер деякі співвідношення ідеальної лінзи, через яку на матрицю проектується предмет, що знаходиться на гіперфокальній відстані: Знаючи розмір предмета, відстань до предмета та фокусну відстань об'єктива, можна визначити лінійний і кутовий Розміри зображення. Знаючи розміри матриці (підставивши його замість розміру зображення y) і фокусну відстань об'єктива, можна визначити кутове поле зору. Розрахувавши кутовий розмір зображення, можна прикинути необхідний розмір матриці та пропорції зображення на ній та на моніторі комп'ютера. Розрахувавши лінійний розмір зображення і знаючи розмір пікселя матриці, можна дізнатися скільки пікселів займе зображення.Це важлива частина завдання розпізнавання зображення нейромережею (часто вказується, що для роботи нейромережі необхідно, щоб зображення займало не менше Х пікселів). Завдання: знайти поля зору на максимальному зумі для об'єктиву Computar M24Z1527PDC-MP з камерою на основі сенсора Python 2000. У прямокутного сенсора є три ключові розміри (у специфікаціях ця область називається opical area, sensitive area і т.д.): Арктангенс відношення відповідного розміру сенсора до фокусної відстані дає, відповідно, три кутові поля зору: горизонтальне, вертикальне та діагональне. Щоб визначити розміри a і b, необхідно помножити роздільну здатність сенсора на розмір одного пікселя. Розрахунок не враховує дисторсію, неточність номінальної фокусної відстані та інші похибки реальних оптичних систем, тому знайдені величини приблизні, і їх варто округлити до першого знака після коми. Відповідь: Діагональне поле зору: 1,7 градуси Завдання: знайти відстань, з якої об'єкт заввишки 5 метрів при спостереженні в об'єктив Computar M24Z1527PDC-MP з камерою на основі сенсора Python 2000 на максимальному масштабуванні займатиме зображення розміром 100 пікселів. Відповідь: 3750 метрів. Тепер подивимося, як реальний багатолінзовий об'єктив перетворюється на еквівалентну йому тонку лінзу. Ця тонка лінза розташовується в точці перетину продовжень променів, що входить в об'єктив і виходить з об'єктива: Зверніть увагу, що фокусна відстань об'єктива не залежить від довжини корпусу. Воно може бути як більшим, так і меншим. Якщо фокусна відстань більша, ніж довжина об'єктива, то це телеоб'єктив, а якщо менше – то ретрофокусний об'єктив (на картинці саме він). Цікавий факт. У дзеркальних фотоапаратах за об'єктивом стоїть дзеркало, що відхиляється, що вимагає для роботи багато місця. Об'єктиву необхідний довгий фокальний відрізок – відстань від останньої лінзи до фокальної площини. Зустрічаються об'єктиви, фокусна відстань якого менша, ніж фокальний відрізок. Примітка. Фокальний відрізок не слід плутати з робочим відрізком – відстанню від базового торця корпусу об'єктива до фокальної площини.Робочий відрізок відміряється від металу, а фокальний від скла. З усього різноманіття оптичних параметрів об'єктива цікаві в першу чергу три основні, яких достатньо, щоб у 95% випадків підібрати об'єктив: Фокусна відстань. Дати йому точне визначення неможливо, не ввівши попередньо кілька термінів з теорії геометричної оптики, тож точне визначення опустимо і будемо використовувати практично зручне: фокусна відстань – відстань від тонкої лінзи (яка замінює собою об'єктив під час розрахунку) до фокальної площини. Чим більша фокусна відстань, тим сильніше збільшення об'єктива, але менше його кутове поле зору. Фокусна відстань та поле зору обернено пропорційні. Цікавий факт. Зайдіть у Вікіпедію та прочитайте, що написано у статті про фокусну відстань. Чіткого визначення там немає – і недарма. Примітка. Незнання строгого визначення не заважає фотографам використовувати потрібну оптику та не завадить програмістам вибирати об'єктиви. Відносний отвір (і його альтер-его: діафрагмове число). Відношення діаметра вхідної зіниці лінзи до її фокусної відстані: D:f ´коли D наведено до одиниці. Зворотна величина, f '/D, називається діафрагмове число. Діафрагмове число написане на кільці керування діафрагмою фотооб'єктива. Що таке вхідна зіниця (його іноді ще називають апертурою)? Вхідна зіниця визначає максимальний діаметр пучків, які можуть пройти через об'єктив. У разі одиночної лінзи – це діаметр самої лінзи. У разі лінзи у оправі – це внутрішній діаметр оправи. У разі складного об'єктиву з регульованою діафрагмою це зображення діафрагми, яке спостерігається через усі попередні лінзи. Прикрийте наполовину діафрагму і загляньте в об'єктив. Зображення діафрагми, яке видно через лінзи об'єктива, і є вхідною зіницею. Примітка. У разі відсутності окремої діафрагми (такої, яка є на фотоапаратах), діафрагмою служить та оправа лінзи, яка бачиться найменшою, якщо дивитися всередину об'єктива. Діаметр вхідної зіниці об'єктива – це не діаметр його першої лінзи та не діаметр самої діафрагми. Це діаметр зображення діафрагми, що спостерігається, якщо дивитися всередину об'єктива. На розмір та положення вхідної зіниці впливають лінзи, що стоять перед діафрагмою; лінзи після діафрагми на вхідну зіницю не впливають. Відносний отвір, як відношення діаметра вхідної зіниці до фокусної відстані, визначає здатність об'єктива збирати світло подібно до конуса-воронки, основа якого – діаметр вихідної зіниці, а висота – фокусна відстань. Чим більший відносний отвір (що більший дріб, тобто чим менший знаменник дробу; відносний отвір 1:2 більше, ніж 1:4) – тим світліше зображення. Приклад №1. Розрахуємо відносний отвір для одиночної лінзи. Діаметр лінзи 50 мм, фокусна відстань – 100 мм. У разі одиночної лінзи вхідна зіниця – це її діаметр. Відносний отвір: 50/100 = 1:2. Вимовляється - "один до двох", зазвичай пишеться через знак ":". Приклад №2. На торці об'єктива написано: F4/200. Це означає: фокусна відстань об'єктива 200 мм, діафрагмова кількість F4, відносний отвір – 1:4. Примітка. Як легко помітити, відносний отвір і діафрагмове число фактично описують те саме. Цей історичний поділ – відносний отвір – це німецька/радянська оптичні школи, а діафрагмове число – англо/американська. Іноді відносний отвір можуть називати світлосилоюале це неправильно. Справжня світлосила – відношення освітленості зображення до яскравості предмета: H=E/В. В об'єктиві з регульованою діафрагмою зміна відносного отвору – це відкриття або закриття діафрагми. Регулювання діафрагми об'єктива виконує такі функції: Ці параметри суперечливі, тому що всі три зав'язані на ту саму діафрагму. Підвищення одного параметра одночасно призводить до зниження другого. Цікавий факт. Якщо потрібно зрозуміти, який ефект на зображення дає діафрагма, можна звернутися до статей та відеороликів фотографів. Однак не варто запам'ятовувати їх пояснення, як саме діафрагма дає ці ефекти, яка там фізика – у таких поясненнях часто трапляються помилки. Регулювання яскравості. Інтуїтивно зрозуміло: чим сильніше відкрита діафрагма, тим більше світла проходить через об'єктив і тим світліша картинка. Якщо є вибір між освітленням комп'ютерними алгоритмами та відкриттям діафрагми – слід вибирати діафрагму. Корекція яскравості алгоритмами – це штучне витягування зображення, тоді як відкриття діафрагми – природне збільшення світлового потоку та підвищення відношення сигнал/шум. Особливо сильно алгоритми поступаються відкриття діафрагми в сутінках. Підвищення різкості. Під час закриття діафрагми підвищується різкість зображення, особливо у центрі кадру.Це з зменшенням аберацій широких пучків – сферичної аберації і коми (докладніше – у статті). Однак, якщо продовжувати закривати діафрагму, з якогось моменту різкість знову почне погіршуватися – почне впливати дифракцію (докладніше – так само в наступній лекції). Цей ефект добре розібраний у статтях з фотографії. Зміна глибини різкості. Чим більше відкрита діафрагма, тим менше глибина простору, що різко зображається – області, ближче і далі якої предмети будуть розмиті. Цей прийом використовується при портретній фотографії, коли діафрагма відкривається широко і фон за обличчям стає розмитий. Висновок. Відкриття діафрагми підвищує яскравість та контраст зображення, але зменшує чіткість та глибину різкості. Закриття діафрагми підвищує чіткість і глибину різкості, але робить зображення темнішим. Кутове поле зору. Кут у просторі, що відображається об'єктивом на матриці. Примітка. Оптична система об'єктиву осесиметрична, тому будь-який об'єктив має кругле поле зору, в який вписується прямокутна матриця. У результаті специфікаціях на об'єктиви (lens datasheets) вказують кутові поля зору по горизонталі і по вертикалі, іноді - ще й по діагоналі. Поля вказують завжди для конкретного сенсора: У таблиці вище приклад зі специфікації трансфокатора (об'єктива зі змінною фокусною відстанню). Об'єктив сумісний із сенсором 2/3 відеоконівського дюйма, також сумісний із меншими типорозмірами сенсорів: 1/1,8 та 1/2. Для кожного сенсора вказано три кутові поля зору: D – діагональне, H – горизонтальне та V – вертикальне. Для кожного поля зору вказано його максимальне та мінімальне значення у градусах. Важливий факт.Діагоналі матриць (1/2”, 2/3” і т.д. вимірюються в відіконівських дюймах). Цікавий фактВидиконівський дюйм - одна з дуже небагатьох позасистемних одиниць вимірювання, не прив'язаних до системи СІ і метрологічних еталонів. Якщо об'єктив сумісний із якимось сенсором, він також сумісний з будь-яким меншим сенсором. А ось при спробі поставити сенсор більшого розміру на його краях з'явиться віньєтка. Кутове поле в специфікаціях іноді замінюється вказівкою максимального сенсора, сумісного з цим об'єктивом. При цьому значення кутового поля в градусах може бути відсутнім. Для спостереження вдалину використовуються об'єктиви, які називаються в інтернет-магазинах або «об'єктиви для відеоспостереження», або «об'єктиви для машинного зору». ПриміткаІноді об'єктиви, прямо позначені як об'єктиви для машинного зору, призначені для роботи зблизька. При виборі об'єктива для конкретного завдання необхідно в першу чергу враховувати такі параметри: Різьблення Cі CS типу (S означає short).Відрізняються різним значенням робочого відрізка. Існують прокладні кільця-перехідники з CS на C. 1.) Щоб отримати зображення на комп'ютері, потрібні об'єктив і камера. 2.) Об'єктив фокусує світло та формує плоске зображення, з яким поєднується матриця. Матрицею називають світлочутливий сенсор камери. 3.) При спостереженні вдалину зображення лежить у фокальній площині об'єктива; 4.) Об'єктив для габаритних розрахунків можна звести до єдиної ідеальної лінзи та вираховувати необхідні параметри із співвідношення подібних трикутників. 5.) Фокусна відстань і кутове поле зору обернено пропорційні. 6.) Вхідна зіниця об'єктива – це не діаметр його першої лінзи і не діаметр самої діафрагми. Це діаметр зображення діафрагми. 7.) Відносний отвір об'єктива - відношення діаметра вхідної зіниці до фокусної відстані об'єктива: 1:2, 1:2,4 / 1:5,6 і так далі. на об'єктиві: F/2/F/2.4/F/5.6. Це – перша з курсу лекцій з оптики для початківців CV-розробників.Оптична кратність, що це за параметр, який розрахунок і як застосовується?
Що таке оптична кратність
Змінна кратність
Оптика у технічному зорі. Лекція 1: Об'єктив
Об'єктив як апаратна частина технічного зору
Загальна структура оптико-електронного приладу
Формування зображення в об'єктиві
A'B', достатньо знайти місце розташування точки B´та опустити звідти перпендикуляр на оптичну вісь.
Приклад розрахунку кутових полів
Горизонтальне поле зору: 1,4 градуси
Вертикальне поле зору: 0,9 градусиПриклад розрахунку дистанції через необхідну кількість пікселів
Основні параметри об'єктива
Вона пропорційна квадрату відносного отвору.
Розглянемо їх докладніше.
Цей особливий дюйм – це не звичний імперський дюйм 25,4 мм. приблизно
16,93 мм.Типи об'єктивів, що застосовуються у технічному зорі
Тези (варто запам'ятати)
при спостереженні поблизу зображення віддаляється від фокальної площини і об'єктиву потрібно перефокусування на кінцеву відстань.