Dincolo de megapixeli: ceea ce determină cu adevărat rezoluția obiectivului camerei

Există o specificație care apare pe aproape fiecare fișă de date a camerei moderne:

Megapixeli.

5MP. 8MP. 12MP. 24MP.

Numărul este ușor de înțeles, ușor de comparat și foarte ușor de comercializat.

Dar dacă ai petrecut suficient timp dezvoltării sistemelor de camere, în cele din urmă te confrunți cu o întrebare incomodă:

Poate obiectivul realrezolvați ce este capabil să capteze senzorul?

Aici lucrurile devin mai interesante.

Un senzor de 8MP nu vă oferă automat o imagine de calitate de 8MP. Senzorul oferă capacitatea de eșantionare, dar obiectivul trebuie să ofere suficiente detalii optice pentru ca acești pixeli să fie utili.

Cu alte cuvinte, o cameră nu este o competiție între megapixelii senzorului.

Este un sistem.

Și lentila este una dintre cele mai importante părți ale acestui sistem.

Rezoluția senzorului vs. rezoluția optică

Să începem cu o distincție simplă.

Rezoluția senzoruluidescrie câți pixeli are senzorul.

Rezoluție opticădescrie cât de multe detalii spațiale poate reproduce de fapt lentila.

Aceste două specificații sunt legate, dar nu sunt același lucru.

Imaginați-vă că fotografiați o plăcuță de înmatriculare îndepărtată.

Un senzor de 8MP poate avea o mulțime de pixeli disponibili pentru a înregistra placa. Dar dacă obiectivul produce o imagine neclară și cu contrast scăzut, acești pixeli nu pot reconstrui magic caracterele.

Este posibil să obțineți mai mulți pixeli care descriu neclaritatea.

Nu este același lucru cu mai multe detalii.

Acesta este motivul pentru care simpla punere a unui senzor de înaltă rezoluție în spatele unui obiectiv vechi sau prost potrivit poate produce rezultate dezamăgitoare.

Senzorul poate fi nou.

Este posibil ca imaginea să nu fie.

Dimensiunea pixelilor modifică provocarea optică

Un alt factor pe care inginerii trebuie să-l ia în considerare este dimensiunea pixelilor.

Pe măsură ce tehnologia senzorilor avansează, producătorii pot încadra mai mulți pixeli în aceeași zonă fizică.

Asta pare o îmbunătățire evidentă.

Dar există un compromis.

Pixeli mai mici înseamnă că sistemul optic poate avea nevoie să reproducă detalii mai fine pentru a profita la maximum de senzor.

De exemplu, o cameră care utilizează un pas relativ mare a pixelilor poate fi mai puțin solicitantă pentru obiectiv decât un senzor cu pixeli extrem de mici și o densitate mult mai mare de pixeli.

Acest lucru creează o întrebare importantă în timpul dezvoltării camerei:

Este rezoluția lentilei suficient de mare pentru pasul pixelilor senzorului?

Un obiectiv care a funcționat perfect cu un senzor mai vechi poate să nu ofere automat aceleași performanțe practice atunci când este asociat cu un senzor mai nou și mai dens.

Acesta este unul dintre motivele pentru care selecția lentilelor ar trebui să se facă împreună cu selecția senzorului, mai degrabă decât să trateze lentila ca pe o idee ulterioară.

De ce MTF contează mai mult decât o etichetă de megapixeli

Dacă doriți să înțelegeți rezoluția optică reală, în cele din urmă trebuie să vorbiți despreMTF — Funcția de transfer de modulație.

Terminologia sună intimidantă.

Ideea de bază nu este.

MTF descrie cât de bine un sistem optic păstrează contrastul la diferite niveluri de detaliu.

Gândiți-vă să fotografiați o serie de linii alb-negru din ce în ce mai fine.

La modele mari, ușor de văzut, aproape orice obiectiv decent le poate reproduce.

Pe măsură ce liniile devin mai fine, obiectivul își pierde treptat contrastul.

Un sistem optic puternic menține contrastul util mai departe în gama de detalii fine.

Acesta este ceea ce MTF îi ajută pe ingineri să evalueze.

Acesta este motivul pentru care o specificație serioasă a lentilelor nu ar trebui să se oprească la:

“Suporta 8MP.”

O evaluare mai bună cere:

Care este performanța MTF?

La ce frecvențe spațiale?

Cum funcționează la centru?

Ce se întâmplă spre margine?

Performanța rămâne stabilă la deschiderea dorită?

Aceste întrebări vă spun mult mai multe despre sistemul optic real.

Rezoluția centrului nu este întreaga poveste

Una dintre cele mai simple moduri de a face un obiectiv să arate impresionant este să arăți o imagine centrală foarte clară.

Problema este că camerele nu fotografiază doar centrul.

Camerele de securitate cu unghi larg, camerele auto, camerele cu drone și sistemele robotice depind adesea în mare măsură de informațiile de imagine periferică.

Un obiectiv poate oferi o claritate excelentă în centru, dar o performanță vizibil mai slabă în apropierea marginilor.

Acest lucru poate afecta:

Detecția obiectelor

 Recunoașterea facială

 Recunoașterea vehiculului

 Înțelegerea scenei

 Inspecție vizuală artificială

De exemplu, o cameră de securitate care urmărește o parcare poate avea un vehicul care intră lângă marginea imaginii.

Dacă centrul arată fantastic, dar marginile sunt moi, specificația impresionantă a rezoluției camerei nu spune toată povestea.

Pentru ingineri, întrebarea mai utilă este:

Cât de uniform funcționează lentila pe imagine?

Aberațiile fură în liniște detalii

Aberațiile optice sunt un alt motiv pentru care o cameră de înalți megapixeli nu poate oferi calitatea așteptată a imaginii.

Problemele comune includ:

Aberația sferică

Aberația cromatică

comă

Astigmatism

Curbura câmpului

Nu trebuie neapărat să fii un designer optic pentru a înțelege rezultatul.

Consecința practică este simplă:

Detaliile devin mai puțin precise.

Marginile pot pierde contrastul. Structurile fine pot apărea colorate sau pătate. Colțurile pot deveni mai moi.

Prin urmare, designul optic modern implică mult mai mult decât alegerea unei distanțe focale și a diafragmei.

Sistemul optic trebuie să echilibreze mai mulți factori simultan.

Distorsiunea este, de asemenea, o problemă de calitate a imaginii

Distorsiunea este uneori tratată ca o problemă pur vizuală.

Nu este întotdeauna.

Pentru o fotografie ocazională, liniile drepte curbe pot părea pur și simplu neatractive.

Pentru viziunea artificială sau aplicațiile AI, geometria poate conta.

O lentilă cu unghi larg cu o distorsiune semnificativă poate face ca obiectele din apropierea marginii să pară foarte diferite de forma și poziția lor reală.

Acest lucru nu înseamnă că fiecare aplicație are nevoie de distorsiuni ultra-scăzute.

O cameră de securitate poate accepta în mod rezonabil o anumită distorsiune în schimbul unui câmp vizual mult mai larg.

Un sistem de măsurare industrial nu poate.

Din nou, ingineria optică este despre compromisuri.

„Cel mai bun” obiectiv depinde de ceea ce ar trebui să facă camera.

De ce „Obiectivul 8MP” este o descriere incompletă

Acesta este poate cel mai important punct.

Sintagma „Obiectiv de 8MP” este util pentru marketing, dar incomplet din punct de vedere tehnic.

Rezoluția este influențată de relația dintre:

 Lentila

 Senzor

 Dimensiunea pixelilor

Diafragma

Cercul de imagine

CRA

 Procesarea imaginilor

Condiții de iluminare

O lentilă nu există izolat.

O anumită lentilă poate funcționa foarte bine cu un senzor și mai puțin eficient cu altul, deoarece cerințele optice s-au schimbat.

Acesta este motivul pentru care inginerii cu experiență în cameră solicită de obicei modelul senzorului și cerințele optice înainte de a aproba un obiectiv.

Un furnizor care spune imediat „Da, acest obiectiv acceptă 8MP” fără să întrebe altceva poate răspunde la întrebarea de vânzări, mai degrabă decât la întrebarea de inginerie.

Deci, cum ar trebui inginerii să evalueze un obiectiv de înaltă rezoluție?

În loc să începeți cu megapixeli, vă recomand să începeți cu aplicația.

Întrebați:

1. Ce senzorva fi folosit?

Formatul senzorului și dimensiunea pixelilor stabilesc cerințele optice.

2. Ce câmp vizual este necesar?

Un design cu unghi larg introduce diferite provocări față de un obiectiv cu unghi îngust.

3. Ce nivel de detaliu contează de fapt?

O cameră de securitate care identifică o persoană de la câțiva metri distanță are cerințe diferite față de o cameră de viziune artificială care inspectează o componentă minusculă.

4. Cât de importantă este performanța marginii?

Pentru multe sisteme cu unghi larg, acest lucru este critic.

5. Ce se întâmplă la deschiderea dorită?

O lentilă poate funcționa diferit atunci când este operată larg deschis față de oprită.

6. Ce arată datele MTF?

Acest lucru oferă informații mult mai utile decât doar o etichetă de megapixeli.

Adevărata semnificație a „înaltă rezoluție”

Un obiectiv de înaltă rezoluție nu este doar un obiectiv cu un număr mare imprimat lângă el.

Este un sistem optic care poate reproduce detalii fine cu un contrast suficient, în câmpul de imagine necesar, în condițiile de funcționare prevăzute.

Aceasta este o problemă de inginerie mult mai grea.

Și sincer, de aceea două lentile cu specificații aparent similare pot avea prețuri foarte diferite.

Nu plătești pur și simplu pentru mai mult pahar.

Plătiți pentru design optic, toleranțe, materiale, precizie de fabricație, acoperire, asamblare și testare.

La Boshi Optics, soluțiile optice sunt dezvoltate pentru aplicații, de la supravegherea securității și imagistica auto până la imagistica medicală, dispozitive inteligente și alte sisteme de camere. Portofoliul de produse al companiei include lentile cu diferite formate de senzori, rezoluții, câmpuri vizuale, deschideri și structuri optice, reflectând realitatea că nu există un singur obiectiv „cel mai bun” pentru fiecare cameră.

Gândul final: nu mai numărați pixelii, începeți să căutați informații

Megapixelii sunt folositori.

Îți spun câți pixeli poate oferi un senzor.

Dar nu vă spun cât de multe informații utile poate furniza sistemul optic acelor pixeli.

De aceea, inginerii experimentați privesc dincolo de numărul de pe cutia camerei.

Ei se uită la MTF.

Ei se uită la dimensiunea pixelilor.

Ei privesc performanța de la centru la margine.

Ei privesc aberațiile, distorsiunile, iluminarea și compatibilitatea senzorilor.

Cel mai important, se uită la imaginea reală.

Pentru că, în cele din urmă, clienții nu cumpără 8 milioane de pixeli.

Ei cumpără detaliile pe care trebuie să le arate acei pixeli.