Rezoluția este capacitatea unui sistem de imagini de a reproduce detaliile unui obiect și depinde de factori precum tipul de iluminare utilizat, dimensiunea pixelilor senzorului și capacitățile opticei. Cu cât detaliul subiectului este mai mic, cu atât rezoluția necesară a obiectivului este mai mare.
Introducere în procesul de rezoluție
Calitatea imaginii camerei depinde de senzor. Mai simplu spus, un senzor de imagine digitală este un cip în interiorul corpului unei camere care conține milioane de puncte sensibile la lumină. Dimensiunea senzorului unei camere determină cât de multă lumină poate fi utilizată pentru a crea o imagine. Cu cât senzorul este mai mare, cu atât calitatea imaginii este mai bună pe măsură ce se colectează mai multe informații. De obicei, camerele digitale fac publicitate pe piață pentru dimensiuni ale senzorilor de 16 mm, Super 35 mm și uneori până la 65 mm.
Pe măsură ce dimensiunea senzorului crește, adâncimea câmpului va scădea la o anumită diafragmă, deoarece un omolog mai mare vă cere să vă apropiați deobiect sau utilizați o distanță focală mai mare pentru a umple cadrul. Pentru a menține aceeași adâncime de câmp, fotograful trebuie să folosească diafragme mai mici.
Această adâncime mică de câmp poate fi de dorit, mai ales pentru a obține neclaritatea fundalului pentru portrete, dar fotografia de peisaj necesită mai multă adâncime, ceea ce este mai ușor de capturat cu dimensiunea flexibilă a diafragmei a camerelor compacte.
Împărțirea numărului de pixeli orizontali sau verticali pe un senzor va indica cât spațiu ocupă fiecare pe un obiect și poate fi folosită pentru a evalua puterea de rezoluție a lentilelor și pentru a rezolva preocupările clienților cu privire la dimensiunea pixelilor imaginii digitale a dispozitivului. Ca punct de plecare, este important să înțelegeți ce poate limita de fapt rezoluția sistemului.
Această afirmație poate fi demonstrată prin exemplul unei perechi de pătrate pe un fundal alb. Dacă pătratele de pe senzorul camerei sunt mapate la pixeli vecini, atunci ei vor apărea ca un dreptunghi mare în imagine (1a) mai degrabă decât două pătrate separate (1b). Pentru a distinge pătratele, este necesar un anumit spațiu între ele, cel puțin un pixel. Această distanță minimă este rezoluția maximă a sistemului. Limita absolută este determinată de dimensiunea pixelilor de pe senzor, precum și de numărul acestora.
Caracteristicile lentilelor de măsurare
Relația dintre pătratele albe și negre alternante este descrisă ca o pereche liniară. De obicei, rezoluția este determinată de frecvență,măsurată în perechi de linii pe milimetru - lp/mm. Din păcate, rezoluția lentilei în cm nu este un număr absolut. La o rezoluție dată, capacitatea de a vedea cele două pătrate ca obiecte separate va depinde de nivelul scării de gri. Cu cât distanța dintre ele și spațiu este mai mare, cu atât este mai stabilă capacitatea de a rezolva aceste pătrate. Această diviziune a scalei de gri este cunoscută sub numele de contrast de frecvență.
Frecvența spațială este dată în lp/mm. Din acest motiv, calcularea rezoluției în termeni de lp/mm este extrem de utilă atunci când se compară obiectivele și se determină cea mai bună alegere pentru senzori și aplicații date. Primul este locul unde începe calculul rezoluției sistemului. Începând cu senzorul, este mai ușor să determinați ce specificații ale lentilelor sunt necesare pentru a îndeplini cerințele dispozitivului sau ale altor aplicații. Cea mai mare frecvență permisă de senzor, Nyquist, este efectiv doi pixeli sau o pereche de linii.
Rezoluția lentilei definite, numită și rezoluția spațiului de imagine de sistem, poate fi determinată prin înmulțirea dimensiunii în Μm cu 2 pentru a crea o pereche și împărțirea la 1000 pentru a converti în mm:
lp/mm=1000/ (2 X pixeli)
Senzorii cu pixeli mai mari vor avea limite mai mici de rezoluție. Senzorii cu pixeli mai mici vor funcționa mai bine conform formulei de rezoluție a obiectivului de mai sus.
Zona senzorului activ
Puteți calcula rezoluția maximă a obiectuluivizionare. Pentru a face acest lucru, este necesar să se facă distincția între indicatori, cum ar fi raportul dintre dimensiunea senzorului, câmpul vizual și numărul de pixeli de pe senzor. Dimensiunea acestuia din urmă se referă la parametrii zonei active a senzorului camerei, de obicei determinați de dimensiunea formatului său.
Cu toate acestea, proporțiile exacte vor varia în funcție de raportul de aspect, iar dimensiunile nominale ale senzorului ar trebui folosite doar ca orientare, în special pentru lentilele telecentrice și cu măriri mari. Dimensiunea senzorului poate fi calculată direct din dimensiunea pixelilor și numărul activ de pixeli pentru a efectua testul de rezoluție a obiectivului.
Tabelul arată limita Nyquist asociată cu dimensiunile pixelilor găsite pe unii senzori foarte des utilizați.
| Dimensiunea pixelilor (µm) | Limita Nyquist cuplată (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Pe măsură ce dimensiunile pixelilor scad, limita Nyquist asociată în lp/mm crește proporțional. Pentru a determina punctul minim absolut rezolvabil care poate fi văzut pe un obiect, trebuie calculat raportul dintre câmpul vizual și dimensiunea senzorului. Aceasta este cunoscută și sub denumirea de creștere primară.sisteme (PMAG).
Relația asociată cu sistemul PMAG permite scalarea rezoluției spațiului de imagine. De obicei, atunci când se proiectează o aplicație, aceasta nu este specificată în lp/mm, ci mai degrabă în microni (µm) sau fracțiuni de inch. Puteți sări rapid la rezoluția finală a unui obiect utilizând formula de mai sus pentru a facilita alegerea rezoluției lentilei z. De asemenea, este important să rețineți că există mulți factori suplimentari, iar limitarea de mai sus este mult mai puțin predispusă la erori decât complexitatea luării în considerare a mulți factori și a calculării acestora folosind ecuații.
Calculați distanța focală
Rezoluția unei imagini este numărul de pixeli din ea. Desemnat în două dimensiuni, de exemplu, 640X480. Calculele pot fi făcute separat pentru fiecare dimensiune, dar pentru simplitate aceasta este adesea redusă la una. Pentru a efectua măsurători precise pe o imagine, trebuie să utilizați minim doi pixeli pentru fiecare cea mai mică zonă pe care doriți să o detectați. Dimensiunea senzorului se referă la un indicator fizic și, de regulă, nu este indicată în datele pașaportului. Cel mai bun mod de a determina dimensiunea unui senzor este să te uiți la parametrii pixeli de pe acesta și să-i înmulți cu raportul de aspect, caz în care puterea de rezoluție a obiectivului rezolvă problemele unei fotografii proaste.
De exemplu, camera Basler acA1300-30um are o dimensiune a pixelilor de 3,75 x 3,75um și o rezoluție de 1296 x 966 pixeli. Dimensiunea senzorului este de 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Formatul senzorului se referă la dimensiunea fizică și nu depinde de dimensiunea pixelilor. Această setare este folosită pentrudeterminați cu ce obiectiv este compatibilă camera. Pentru ca acestea să se potrivească, formatul lentilei trebuie să fie mai mare sau egal cu dimensiunea senzorului. Dacă se utilizează un obiectiv cu un raport de aspect mai mic, imaginea va experimenta vignetare. Acest lucru face ca zonele senzorului din afara marginii formatului lentilei să devină întunecate.
Pixeli și selecția camerei
Pentru a vedea obiectele din imagine, trebuie să existe suficient spațiu între ele, astfel încât să nu se îmbine cu pixelii vecini, altfel nu vor fi distinse între ele. Dacă obiectele sunt de câte un pixel, separarea dintre ele trebuie să fie și de cel puțin un element, datorită acestuia se formează o pereche de linii, care are de fapt doi pixeli în dimensiune. Acesta este unul dintre motivele pentru care este incorect măsurarea rezoluției camerelor și a obiectivelor în megapixeli.
Este de fapt mai ușor să descrii capabilitățile de rezoluție ale unui sistem în ceea ce privește frecvența perechii de linii. Rezultă că, pe măsură ce dimensiunea pixelilor scade, rezoluția crește, deoarece puteți pune obiecte mai mici pe elemente digitale mai mici, puteți avea mai puțin spațiu între ele și puteți rezolva distanța dintre subiecții pe care îi fotografiați.
Acesta este un model simplificat al modului în care senzorul camerei detectează obiectele fără a lua în considerare zgomotul sau alți parametri și este situația ideală.
Diagrame de contrast MTF
Majoritatea lentilelor nu sunt sisteme optice perfecte. Lumina care trece printr-o lentilă suferă un anumit grad de degradare. Întrebarea este cum să evaluăm acest lucrudegradare? Înainte de a răspunde la această întrebare, este necesar să definim conceptul de „modulație”. Acesta din urmă este o măsură a lentilei de contrast la o frecvență dată. S-ar putea încerca să analizeze imaginile din lumea reală realizate printr-un obiectiv pentru a determina modulația sau contrastul pentru detalii de diferite dimensiuni sau frecvențe (spațiere), dar acest lucru este foarte nepractic.
În schimb, este mult mai ușor să măsurați modulația sau contrastul pentru perechile de linii albe și întunecate alternante. Ele sunt numite zăbrele dreptunghiulare. Intervalul de linii dintr-un rețea de undă dreptunghiulară este frecvența (v), pentru care modulația sau funcția de contrast a lentilei și rezoluția sunt măsurate în cm.
Cantitatea maximă de lumină va veni din benzile luminoase, iar cea minimă din benzile întunecate. Dacă lumina este măsurată în termeni de luminozitate (L), modulația poate fi determinată conform următoarei ecuații:
modulare=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), unde: Lmax este luminozitatea maximă a liniilor albe din grilaj, iar Lmin este luminozitatea minimă a celor întunecate.
Când modulația este definită în termeni de lumină, este adesea denumită contrast Michelson, deoarece ia raportul dintre luminanța dintre benzile luminoase și cele întunecate pentru a măsura contrastul.
De exemplu, există o rețea de undă pătrată cu o anumită frecvență (v) și modulație și un contrast inerent între zonele întunecate și luminoase reflectate de acest rețea prin lentilă. Modulația imaginii și astfel contrastul lentilelor sunt măsurate pentru o anumită frecvențăbare (v).
Funcția de transfer de modulație (MTF) este definită ca modulația M i a imaginii împărțită la modulația stimulului (obiect) M o, așa cum se arată în următoarea ecuație.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF sunt imprimate pe hârtie cu laser 98% strălucitoare. Tonerul negru pentru imprimantă laser are o reflectare de aproximativ 10%. Deci, valoarea pentru M 0 este de 88%. Dar, deoarece filmul are o gamă dinamică mai limitată în comparație cu ochiul uman, este sigur să presupunem că M 0 este în esență 100% sau 1. Deci formula de mai sus se rezumă la următoarele mai multe ecuație simplă:
|
MTF (v)=Mi |
Deci, obiectivul MTF pentru o anumită frecvență de rețea (v) este pur și simplu modulația de rețea măsurată (Mi) atunci când este fotografiat printr-un obiectiv pe film.
Rezoluția microscopului
Rezoluția unui obiectiv de microscop este cea mai scurtă distanță dintre două puncte distincte din câmpul său vizual al ocularului, care pot fi încă distinse ca obiecte diferite.
Dacă două puncte sunt mai aproape unul de celăl alt decât rezoluția dvs., ele vor apărea neclare, iar pozițiile lor vor fi inexacte. Microscopul poate oferi o mărire mare, dar dacă lentilele sunt de calitate slabă, rezoluția slabă rezultată va degrada calitatea imaginii.
Mai jos este ecuația Abbe, unde rezoluțiaputerea unui obiectiv de microscop z este puterea de rezoluție egală cu lungimea de undă a luminii utilizate împărțită la 2 (apertura numerică a obiectivului).
Mai multe elemente afectează rezoluția unui microscop. Un microscop optic setat la o mărire mare poate produce o imagine neclară, dar este încă la rezoluția maximă a obiectivului.
Diafragma digitală a unui obiectiv afectează rezoluția. Puterea de rezoluție a unui obiectiv de microscop este un număr care indică capacitatea unei lentile de a colecta lumina și de a rezolva un punct la o distanță fixă de obiectiv. Cel mai mic punct care poate fi rezolvat de lentilă este proporțional cu lungimea de undă a luminii colectate împărțită la numărul numeric al deschiderii. Prin urmare, un număr mai mare corespunde unei capacități mai mari a obiectivului de a detecta un punct excelent în câmpul vizual. Apertura numerică a lentilei depinde și de nivelul de corecție a aberației optice.
Rezoluția lentilei telescopului
La fel ca o pâlnie de lumină, un telescop este capabil să colecteze lumina proporțional cu aria găurii, această proprietate este lentila principală.
Diametrul pupilei adaptate la întuneric a ochiului uman este de puțin sub 1 centimetru, iar diametrul celui mai mare telescop optic este de 1.000 de centimetri (10 metri), astfel încât cel mai mare telescop este de un milion de ori mai mare în colecție zonă decât ochiul uman.
De aceea telescoapele văd obiecte mai slabe decât oamenii. Și aveți dispozitive care acumulează lumină folosind senzori electronici de detectare timp de multe ore.
Există două tipuri principale de telescoape: refractoare pe lentile și reflectoare pe oglindă. Telescoapele mari sunt reflectoare deoarece oglinzile nu trebuie să fie transparente. Oglinzile telescopului sunt printre cele mai precise modele. Eroarea permisă la suprafață este de aproximativ 1/1000 lățimea unui păr uman - printr-o gaură de 10 metri.
Oglinzile erau făcute din plăci uriașe de sticlă groase pentru a le împiedica să se lase. Oglinzile de astăzi sunt subțiri și flexibile, dar sunt controlate de computer sau altfel segmentate și aliniate prin controlul computerului. Pe lângă sarcina de a găsi obiecte slabe, scopul astronomului este și să vadă detaliile fine ale acestora. Gradul în care detaliile pot fi recunoscute se numește rezoluție:
- Imagini neclare=rezoluție slabă.
- Imagini clare=rezoluție bună.
Datorită naturii ondulatorii a luminii și a fenomenelor numite difracție, diametrul oglinzii sau lentilei unui telescop limitează rezoluția sa finală în raport cu diametrul telescopului. Rezoluția aici înseamnă cel mai mic detaliu unghiular care poate fi recunoscut. Valorile mici corespund unor detalii excelente ale imaginii.
Radiotelescoapele trebuie să fie foarte mari pentru a oferi o rezoluție bună. Atmosfera Pământului esteturbulente și estompează imaginile telescopului. Astronomii terestri pot ajunge rareori la rezoluția maximă a aparatului. Efectul turbulent al atmosferei asupra unei stele se numește viziune. Această turbulență face ca stelele să „sclipească”. Pentru a evita aceste estompări atmosferice, astronomii lansează telescoape în spațiu sau le plasează pe munți înalți cu condiții atmosferice stabile.
Exemple de calcul al parametrilor
Date pentru a determina rezoluția obiectivului Canon:
- Dimensiunea pixelului=3,45 µm x 3,45 µm.
- pixeli (H x V)=2448 x 2050.
- Câmp vizual dorit (orizontal)=100 mm.
- Limita rezoluției senzorului: 1000/2x3, 45=145 lp/mm.
- Dimensiuni senzor:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Rezoluția lentilei de măsurare: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
De fapt, aceste calcule sunt destul de complexe, dar vă vor ajuta să creați o imagine bazată pe dimensiunea senzorului, formatul pixelilor, distanța de lucru și câmpul vizual în mm. Calcularea acestor valori va determina cel mai bun obiectiv pentru imaginile și aplicația dvs.
Probleme ale opticii moderne
Din păcate, dublarea dimensiunii senzorului creează probleme suplimentare pentru lentile. Unul dintre principalii parametri care afectează costul unui obiectiv de imagine este formatul. Proiectarea unui obiectiv pentru un senzor de format mai mare necesitănumeroase componente optice individuale, care ar trebui să fie mai mari, iar transferul sistemului mai rigid.
Un obiectiv conceput pentru un senzor de 1" poate costa de cinci ori mai mult decât un obiectiv proiectat pentru un senzor de ½", chiar dacă nu poate folosi aceleași specificații cu rezoluție limitată a pixelilor. Componenta costului trebuie luată în considerare înainte de cum pentru a determina puterea de rezoluție a unui obiectiv.
Imaginile optice se confruntă astăzi cu mai multe provocări decât acum un deceniu. Senzorii cu care sunt utilizați au cerințe de rezoluție mult mai ridicate, iar dimensiunile formatului sunt determinate simultan atât mai mici, cât și mai mari, în timp ce dimensiunea pixelilor continuă să se micșoreze.
În trecut, optica nu limita niciodată sistemul de imagistică, astăzi o face. Acolo unde o dimensiune tipică a pixelului este de aproximativ 9 µm, o dimensiune mult mai comună este de aproximativ 3 µm. Această creștere de 81 de ori a densității punctelor și-a afectat optica și, deși majoritatea dispozitivelor sunt bune, selecția lentilelor este acum mai importantă ca niciodată.
