Megapikselin Ötesinde: Kamera Lensi Çözünürlüğünü Gerçekte Ne Belirler?

Hemen hemen her modern kamera veri sayfasında görünen bir spesifikasyon vardır:

Megapiksel.

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

Sayının anlaşılması kolaydır, karşılaştırılması kolaydır ve pazarlanması çok kolaydır.

Ancak kamera sistemlerini geliştirmeye yeterince zaman harcadıysanız, sonunda rahatsız edici bir soruyla karşılaşırsınız:

Lens gerçek olabilir mi?Sensörün neyi yakalayabildiğini tam olarak çözebildiniz mi?

İşte bu noktada işler daha da ilginçleşiyor.

8MP sensör size otomatik olarak 8MP kalitesinde görüntü vermez. Sensör örnekleme yeteneği sağlar, ancak lensin bu piksellerin kullanışlı olması için yeterli optik ayrıntıyı sunması gerekir.

Başka bir deyişle kamera, sensör megapikselleri arasındaki bir rekabet değildir.

Bu bir sistemdir.

Lens de bu sistemin en önemli parçalarından biri.

Sensör Çözünürlüğü ve Optik Çözünürlük

Basit bir ayrımla başlayalım.

Sensör çözünürlüğüsensörün kaç piksele sahip olduğunu açıklar.

Optik çözünürlükmerceğin gerçekte ne kadar uzamsal ayrıntı üretebileceğini açıklar.

Bu iki spesifikasyon birbiriyle ilişkilidir ancak aynı şey değildir.

Uzaktaki bir plakanın fotoğrafını çektiğinizi hayal edin.

8MP'lik bir sensör, plakayı kaydetmek için çok sayıda piksele sahip olabilir. Ancak mercek düşük kontrastlı, bulanık bir görüntü üretirse, bu pikseller sihirli bir şekilde karakterleri yeniden oluşturamaz.

Bulanıklığı tanımlayan daha fazla piksel elde edebilirsiniz.

Bu daha fazla ayrıntıyla aynı şey değil.

Bu nedenle, eski veya kötü uyumlu bir merceğin arkasına yüksek çözünürlüklü bir sensörün yerleştirilmesi, hayal kırıklığı yaratan sonuçlar doğurabilir.

Sensör yeni olabilir.

Görüntü olmayabilir.

Piksel Boyutu Optik Zorlukları Değiştiriyor

Mühendislerin giderek daha fazla dikkate alması gereken bir diğer faktör de piksel boyutudur.

Sensör teknolojisi ilerledikçe üreticiler aynı fiziksel alana daha fazla piksel sığdırabiliyor.

Bu bariz bir gelişme gibi görünüyor.

Ama bir değiş-tokuş var.

Daha küçük pikseller, optik sistemin sensörden tam anlamıyla yararlanmak için daha ince ayrıntıları yeniden üretmesi gerekebileceği anlamına gelir.

Örneğin, nispeten büyük piksel aralığı kullanan bir kamera, son derece küçük piksellere ve çok daha yüksek piksel yoğunluğuna sahip bir sensöre göre lens açısından daha az çaba harcayabilir.

Bu, kamera geliştirme sırasında önemli bir soruyu ortaya çıkarır:

Lens çözünürlüğü sensörün piksel aralığı için yeterince yüksek mi?

Eski bir sensörle mükemmel performans gösteren bir lens, daha yeni ve daha yoğun bir sensörle eşleştirildiğinde otomatik olarak aynı pratik performansı sunmayabilir.

Bu, lensi sonradan akla gelen bir düşünce olarak ele almak yerine, lens seçiminin sensör seçimiyle birlikte yapılmasının bir nedenidir.

MTF Neden Bir Megapiksel Etiketinden Daha Önemlidir?

Gerçek optik çözünürlüğü anlamak istiyorsanız eninde sonunda bunun hakkında konuşmanız gerekir.MTF — Modülasyon Aktarım İşlevi.

Terminoloji korkutucu geliyor.

Temel fikir öyle değil.

MTF, bir optik sistemin kontrastı farklı ayrıntı düzeylerinde ne kadar iyi koruduğunu açıklar.

Giderek daha ince hale gelen siyah beyaz çizgilerin fotoğrafını çekmeyi düşünün.

Büyük, görülmesi kolay desenlerde, hemen hemen her uygun lens bunları yeniden üretebilir.

Çizgiler inceldikçe lensin kontrastı yavaş yavaş kaybolur.

Güçlü bir optik sistem, kullanışlı kontrastı ince ayrıntı aralığında da korur.

MTF'nin mühendislerin değerlendirmesine yardımcı olduğu şey budur.

Bu nedenle ciddi bir lens spesifikasyonu şu şekilde bitmemelidir:

“8MP'yi destekler.”

Daha iyi bir değerlendirme şunu sorar:

MTF performansı nedir?

Hangi uzaysal frekanslarda?

Merkezde performansı nasıl?

 Kenara doğru ne olur?

Performans amaçlanan diyafram açıklığında sabit kalıyor mu?

Bu sorular size gerçek optik sistem hakkında çok daha fazlasını anlatıyor.

Merkezi Çözünürlük Hikayenin Tamamı Değil

Bir merceğin etkileyici görünmesini sağlamanın en kolay yollarından biri, çok keskin bir merkez görüntüsü göstermektir.

Sorun şu ki kameralar sadece merkezi fotoğraflamıyor.

Geniş açılı güvenlik kameraları, otomotiv kameraları, drone kameraları ve robotik sistemler genellikle büyük ölçüde çevresel görüntü bilgilerine bağlıdır.

Bir lens mükemmel merkez netliği sunabilir ancak kenarlara yakın yerlerde belirgin şekilde daha zayıf performans sağlayabilir.

Bu şunları etkileyebilir:

Nesne algılama

Yüz tanıma

Araç tanıma

 Sahne anlayışı

Makine görüş denetimi

Örneğin bir otoparkı izleyen bir güvenlik kamerası, görüntünün kenarına yakın bir yerden giren bir aracı gösterebilir.

Merkez harika görünüyor ancak kenarlar yumuşaksa, kameranın etkileyici çözünürlük özelliği hikayenin tamamını anlatmaz.

Mühendisler için daha yararlı olan soru şudur:

Lens görüntü genelinde ne kadar eşit performans gösteriyor?

Sapmalar Sessizce Detayları Çalıyor

Optik sapmalar, yüksek megapiksel kameranın beklenen görüntü kalitesini sağlayamamasının bir başka nedenidir.

Yaygın sorunlar şunları içerir:

Küresel sapma

Kromatik sapma

Koma

 Astigmatizma

Alan eğriliği

Sonucu anlamak için mutlaka optik tasarımcı olmanıza gerek yok.

Pratik sonuç basittir:

Ayrıntılar daha az kesin hale gelir.

Kenarlar kontrastı kaybedebilir. İnce yapılar renkli veya lekeli görünebilir. Köşeler daha yumuşak hale gelebilir.

Bu nedenle modern optik tasarım, odak uzaklığı ve diyafram açıklığı seçiminden çok daha fazlasını içerir.

Optik sistemin aynı anda birden fazla faktörü dengelemesi gerekir.

Bozulma Aynı zamanda Bir Görüntü Kalitesi Sorunudur

Distorsiyon bazen tamamen görsel bir sorun olarak ele alınır.

Her zaman değil.

Sıradan bir fotoğraf için kavisli düz çizgiler çekici görünmeyebilir.

Makine görüşü veya yapay zeka uygulamaları için geometri önemli olabilir.

Önemli ölçüde distorsiyona sahip geniş açılı bir mercek, kenara yakın nesnelerin gerçek şekil ve konumlarından çok farklı görünmesine neden olabilir.

Bu, her uygulamanın ultra düşük distorsiyona ihtiyaç duyduğu anlamına gelmez.

Bir güvenlik kamerası, çok daha geniş bir görüş alanı karşılığında bir miktar bozulmayı makul bir şekilde kabul edebilir.

Endüstriyel bir ölçüm sistemi bunu yapmayabilir.

Yine, optik mühendisliği ödünleşimlerle ilgilidir.

"En iyi" lens, kameranın ne yapması gerektiğine bağlıdır.

“8MP Lens” Neden Eksik Bir Açıklamadır

Belki de en önemli nokta bu.

“İfadesi8MP lens” pazarlama açısından faydalıdır ancak teknik olarak eksiktir.

Çözünürlük aşağıdakiler arasındaki ilişkiden etkilenir:

Lens

Sensör

Piksel boyutu

Diyafram

Resim çemberi

CRA

Görüntü işleme

Aydınlatma koşulları

Bir mercek tek başına mevcut değildir.

Belirli bir lens, optik gereksinimler değiştiği için bir sensörle çok iyi performans gösterebilirken diğeriyle daha az etkili olabilir.

Bu nedenle deneyimli kamera mühendisleri, bir lensi onaylamadan önce genellikle sensör modelini ve optik gereksinimleri sorarlar.

Başka hiçbir şey sormadan hemen “Evet, bu lens 8MP’yi destekliyor” diyen bir tedarikçi, mühendislik sorusundan çok satış sorusunu yanıtlıyor olabilir.

Peki Mühendisler Yüksek Çözünürlüklü Bir Lensi Nasıl Değerlendirmeli?

Megapiksel ile başlamak yerine uygulama ile başlamanızı tavsiye ederim.

Sormak:

1. Hangi sensörkullanılacak mı?

Sensör formatı ve piksel boyutu optik gereksinimleri belirler.

2. Hangi görüş alanı gereklidir?

Geniş açılı bir tasarım, dar açılı bir merceğe göre farklı zorluklar ortaya çıkarır.

3. Hangi düzeyde ayrıntı gerçekten önemlidir?

Bir kişiyi birkaç metre uzaktan tanımlayan bir güvenlik kamerasının, küçük bir bileşeni denetleyen bir makine görüşü kamerasından farklı gereksinimleri vardır.

4. Edge performansı ne kadar önemli?

Birçok geniş açılı sistem için bu kritik öneme sahiptir.

5. Amaçlanan açıklıkta ne olur?

Bir lens sonuna kadar açık çalıştırıldığında durdurulmasına kıyasla farklı performans gösterebilir.

6. MTF verileri neyi gösteriyor?

Bu, tek başına bir megapiksel etiketinden çok daha yararlı bilgiler sağlar.

“Yüksek Çözünürlük”ün Gerçek Anlamı

Yüksek çözünürlüklü bir mercek, yalnızca yanında yüksek bir sayı yazılı olan bir mercek değildir.

Amaçlanan çalışma koşulları altında gerekli görüntü alanı boyunca ince ayrıntıları yeterli kontrastla yeniden üretebilen optik bir sistemdir.

Bu çok daha zor bir mühendislik problemidir.

Ve dürüst olmak gerekirse, görünüşte benzer özelliklere sahip iki lensin fiyatlarının çok farklı olabilmesinin nedeni budur.

Sadece daha fazla cam için para ödemiyorsunuz.

Optik tasarım, toleranslar, malzemeler, üretim doğruluğu, kaplama, montaj ve test için ödeme yaparsınız.

Boshi Optics'te güvenlik gözetimi ve otomotiv görüntülemeden tıbbi görüntülemeye, akıllı cihazlara ve diğer kamera sistemlerine kadar çeşitli uygulamalar için optik çözümler geliştirilmektedir. Şirketin ürün portföyü, her kamera için tek bir "en iyi" lensin olmadığı gerçeğini yansıtan farklı sensör formatlarına, çözünürlüklere, görüş alanlarına, açıklıklara ve optik yapılara sahip lensleri içerir.

Son Düşünce: Pikselleri Saymayı Durdurun, Bilgiye Bakmaya Başlayın

Megapiksel faydalıdır.

Size bir sensörün kaç piksel sağlayabileceğini söylerler.

Ancak optik sistemin bu piksellere ne kadar yararlı bilgi aktarabileceğini size söylemiyorlar.

Deneyimli mühendislerin kamera kutusundaki numaranın ötesine bakmalarının nedeni budur.

MTF'ye bakıyorlar.

Piksel boyutuna bakıyorlar.

Merkezden kenara performansa bakarlar.

Sapmalara, bozulmaya, aydınlatmaya ve sensör uyumluluğuna bakarlar.

En önemlisi gerçek görüntüye bakıyorlar.

Çünkü sonuçta müşteriler 8 milyon piksel satın almıyorlar.

Bu piksellerin göstermesi gereken ayrıntıları satın alıyorlar.