Лаборатория визуализации Edmund Optics: Телецентричность
Телецентричность – это оптический принцип в конструкции объективов, который используется для обеспечения точных измерений в измерительных приложениях. В телецентрических объективах используется уникальная концепция оптической конструкции, позволяющая поддерживать постоянное увеличение в определенном поле зрения и на рабочем расстоянии, чтобы минимизировать ошибку перспективы. Присоединяйтесь к Грегори Холлоусу, директору по решениям для машинного зрения, он сравнивает стандартные объективы для визуализации с телецентрическими объективами на трех различных примерах визуализации, чтобы проиллюстрировать важность использования правильной оптики для визуализации и оптических принципов для получения наилучших измерений.
Лаборатория визуализации
Привет, меня зовут Грег Холлоус и добро пожаловать в лабораторию визуализации. Телецентричность – это оптический принцип в конструкции объективов, который используется для обеспечения точных измерений в измерительных приложениях. Телецентрические объективы мало известны за пределами мира машинного зрения, но широко используются для точных измерений. На самом деле эта концепция оптического дизайна отличается от того, о чем думает большинство людей. Во многих случаях, видя это впервые, люди задаются вопросом, существует ли программный механизм, поддерживающий эти измерения, или же у самого объектива есть какое-то свойство масштабирования.
Телецентрический объектив, как и один из этих здесь, на самом деле спроектирован так, чтобы не иметь никакого углового поля, связанного с ним. Большинство стандартных объективов будут иметь какое-то угловое поле, связанное с ними, и поэтому мы можем видеть более крупные объекты на больших расстояниях и более мелкие объекты на более близких расстояниях. Для телецентрических объективов мы фактически поддерживаем увеличение, поскольку расстояние до линзы увеличивается или уменьшается. Это приводит к появлению некоторых действительно полезных свойств, которые мы можем использовать.
В качестве одного примера, эти два кубика, которые у нас есть. Со стандартным объективом, если я помещу их на двух разных расстояниях, они будут выглядеть как объекты разного размера. Это то, к чему мы очень привыкли, например, когда мы водим машину или что-то в этом роде. Мы не видим телецентрически. Когда мы едем на автомобиле и едем по дороге, если кто-то нажимает на стоп-сигнал, находящийся в двухстах ярдах от нас, мы знаем, что нужно немного сбавить скорость. Но это приличное расстояние, потому что машина выглядит очень маленькой, и наш мозг может понять, что она находится на большом расстоянии. Это выходит за рамки стереоскопического изображения, которое у нас есть, которое помогает нам обрабатывать 3D-эффекты. Но машина, которая находится очень близко к нам, кажется очень большой, и мы сразу знаем, что нужно нажать на тормоз, чтобы не врезаться в нее. Если бы наши глаза действительно смотрели телецентрически, эти автомобили выглядели бы одинакового размера независимо от расстояния, на котором они находятся. Это было бы очень плохо, потому что вы никогда не узнаете, когда резко нажать на тормоза или постепенно сбавить скорость, в зависимости от ситуации, потому что машина будет выглядеть одинаково. Это проблема для нас. Но для системы визуализации это на самом деле очень важная вещь. Если бы я снова попытался измерить эти два куба, которые у нас есть, и даже на небольшом расстоянии, но я хочу измерить их с очень очень высокой точностью, даже это небольшое расстояние со стандартным объективом может создать достаточно неточности в измерении, что я никогда не смогу получить повторяемость или надежность, которые я ищу. Телецентрический объектив устраняет эту проблему, поскольку он будет видеть предметы одинакового размера на разных расстояниях. Еще одно приложение, которое мы можем посмотреть.
Сравнение объективов на примере кубиков
Глядя на эту пластину, вы можете видеть, что она имеет значительную глубину и в ней есть набор различных отверстий. Со стандартным объективом, таким как тот, что у нас здесь, на камере, когда мы смотрим в него, мы можем видеть, что нижняя часть тех отверстий, что посередине, находятся прямо на оптической оси объектива, но, когда мы спускаемся до краев очень трудно увидеть лунки до самого низа, а то и вообще невозможно. Однако с телецентрической линзой мы действительно можем видеть дно каждой из этих лунок по отдельности, все одновременно, и иметь возможность извлекать из нее данные и получать информацию.
Тест-объект: пластина с углублениями
Здесь мы рассмотрим группу штифтов, направленных вверх на объектив, и мы увидим, как они отображаются на самом деле. С обычным объективом вы заметите, что они на самом деле выглядят так, как будто они смещены относительно центра изображения. По мере приближения они, кажется, отдаляются друг от друга, потому что их увеличение становится выше, и они приближаются друг к другу, чем дальше они удаляются, потому что увеличение в системе становится меньше. Точно так же наши глаза видят предметы. С телецентрическими линзами они фактически видят предметы в одном и том же поле зрения на всей глубине. Таким образом, когда мы смотрим на них сверху, они выглядят как четыре пятна. Еще одна вещь – смотрим на следующий слайд, вы можете видеть некоторые разрезы этих штифтов, представленные отдельными кружками. Мы можем увидеть, как размываются формы, которые находятся вверху и внизу, не в фокусе, на самом деле они выглядят яйцевидными, когда вы смотрите в обычный объектив, в отличие от концентрических, когда вы смотрите в телецентрический объектив. Это приводит к появлению некоторых свойств, которые мы собираемся рассмотреть, и то, как их можно использовать, даже если объекты были не в фокусе.
Штифты через разные объективы
Некоторые другие приложения мы видим сейчас на слайде. Мы могли бы посмотреть на набор перемычек, которые находятся на разных уровнях, и фактически измерить смещение. Мы видим на слайде, что штифт выглядит немного продолговатым, а информация вокруг нее имеет продолговатую форму. Реальный центр и фактический измеренный центр этого объекта из двух разных положений, потому что штифт смотрит в сторону камеры и смещен в сторону, изображение отображается под углом из-за изменения увеличения в системе. Это затрудняет точное определение того, где он находится в пространстве, и расстояние до штифта рядом с ним или до штифта, находящейся на другом уровне. С телецентрическим объективом реальное положение и фактическое положение, воспринимаемое камерой, находятся в одном и том же точном положении от центра к центру, мы можем измерить расстояние даже на предметах, которые находятся не в фокусе.
Здесь мы познакомимся с некоторыми особенностями глубины резкости, которые имеют место в телецентрических объективах. Поскольку у нас есть размытый круг, который создается с помощью стандартного объектива, он фактически будет расширяться при изменении расстояния до него. По мере того, как предметы размываются, когда они входят и выходят из фокуса, этот размытый круг будет менять свое положение, и мы не сможем найти реальный центр. Особенность телецентрического объектива заключается в том, что, поскольку объект всегда находится в одном и том же воспринимаемом положении, независимо от того, где вы его размещаете, даже если он не в фокусе и размывается, центр этого объекта все еще можно определить. Таким образом, даже то, что предмет находится в более высоком положении и не в фокусе, его центр все равно можно определить и точно разместить в системе для обеспечения точности измерения.
Сравнение глубины резкости объективов
Некоторые другие свойства, которые есть в телецентрических объективах. Понятно, что телецентрические объективы имеют лучшую глубину резкости, чем другие объективы. На самом деле это неправильное название. На самом деле это связано с относительным отверстием объектива и из-за того, что эти объективы в большинстве случаев имеют очень высокое разрешение и во многих случаях производятся с жесткими допусками, что на самом деле дает вам ощущение, что вы получаете лучшую глубину резкости, чем у традиционных объективов. Но на самом деле ей управляет диафрагма системы, а не реальный телецентрический объектив по сравнению с нетелецентрическим объективом. Другое дело телецентрические линзы, и вот одна из трудностей, с которыми мы сталкиваемся.
Телецентрические объективы могут видеть только те объекты, которые меньше, чем фактический диаметр входного зрачка линзы и на самом деле даже много меньше, потому что нам нужно учитывать внеосевые лучи и тот факт, что мы отсекаем определенные части пучка, когда мы берем круг изображения и помещаем датчик меньшего размера в его середину. Так что это значит? Если я хочу посмотреть, скажем, на эту коробку телецентрически, мне понадобится объектив хотя бы такого большого диаметра. Это довольно много. Представьте на секунду, что я скажу, что хочу получить точные измерения чего-то вроде автомобильной двери. Она очень большая и потребует огромного объектива. Во-первых, его было бы очень сложно изготовить и невероятно дорого, и почти невозможно было бы хорошо смонтировать из-за его размера и других проблем, которые всему этому сопутствуют. Вы также не захотите вешать что-то подобное на резьбу вашей камеры.
Предел работы телецентрического объектива
Итак, что действительно играет здесь роль, так это то, что телецентрические объективы, подобные этим, могут видеть сорок, пятьдесят миллиметров поля зрения, около двух дюймов. Некоторые из более крупных, доступных на рынке, имеют размер от четырех до шести дюймов, а самые большие, которые обычно доступны по индивидуальному заказу, находятся в диапазоне от двенадцати до четырнадцати дюймов. Они являются очень-очень большими и очень-очень дорогими. Эти объективы в некоторых случаях могут достигать такого размера, чтобы иметь возможность получить точность измерения, разрешение и все остальное, чтобы удовлетворить все ваши потребности. Они также имеют очень высокую цену. Так что это один из недостатков этих объективов.
Итак, если вы собираетесь использовать что-то, для чего требуется высокая точность измерения, и вы рассматриваете телецентрический объектив среднего размера. Когда многие из объективов становятся настолько крупными, они должны быть встроены в систему, прежде чем остальная часть системы будет построена вокруг нее. Во многих случаях при поиске телецентрического объектива в конце цикла проектирования машина уже построена, и все устройства на месте, и на самом деле нет места для размещения чего-то такого большого размера. Итак, если точность измерения является ключевым моментом в том, что вы делаете, вам нужно подумать об этом заранее, чтобы иметь возможность приспособить ее к своей системе.
