机器视觉算法与应用：2.2 镜头

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2.2 镜头

镜头的作用：聚集光线在摄像机内部产生锐利的图像，以得到被测物的细节。

2.2.1 针孔摄像机

$$\begin{gathered} \frac{h}{h^{\prime }}=\frac{c}{s} \\ h：物体高度h^{\prime }：像高度s：物体到投影中心的距离c：摄像机常数或主距,像到投影中心的距离 \end{gathered}$$

1. 针孔摄像机的针孔过小，只有极少量的光线通过小孔到达像平面，故必须采用非常长的曝光时间才能得到足够亮度的图像。
2. 真正的摄像机使用镜头收集光线，而镜头通常由一定形状的玻璃或塑料构成。

2.2.2 高斯光学

$$\begin{gathered} n=\frac{c}{v}v=f\ast \lambda \\ n：折射率c：光速v：光在介质中的传播速率f：频率\lambda ：波长 \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} {n}_{1}sin{\alpha }_1=n_{2}sin{\alpha }_2 \\ {n}_1\to 0时：n_1{\alpha }_1=n_2{\alpha }_2 \\ {n}_1：介质1的折射系数{\alpha }_1：入射角n_2：介质2的折射系数{\alpha }_2：出射角 \end{gathered}$$

1. 色散：白光折射时散成多种颜色。
2. 针孔模型是线性过程，镜头成像是非线性过程，同心光束通过镜头后不能完全汇聚与一点。
3. 根据近轴近似（入射角很小）可以得到高斯光学。在高斯光学中，同心光束通过由球面透镜构成的镜头后汇聚到一点。
4. 高斯光学是理想化的光学系统，所有与高斯光学背离均称为像差。

$$\begin{gathered} h：被测物高度h^{\prime }：像高度s：物距s^{\prime }：像距 \\ F和F^{\prime }：焦点，与光轴平行的光线必然经过焦点 \\ P和P^{\prime }：主平面，经过平行光线与对应透射光线的交点，垂直于光轴 \\ f和f^{\prime }：焦点到主平面的距离 \\ V和V^{\prime }：折射球面与光轴的交点 \\ N和N^{\prime }：若镜头两侧介质相同则为主平面与光轴的交点，否则不在主平面上。经过N{N}^{\prime }的光线，其入射光线平行于透射光线。 \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} \beta =\frac{y^{\prime }}{y}=\frac{a^{\prime }}{a} \\ \beta ：放大系数 \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} \frac{1}{s}+\frac{1}{s^{\prime }}=\frac{1}{f} \\ s：\infty \to 2f\to f\to 0 \\ {s}^{\prime }：f\to 2f\to \infty \to 0 \\ 像：点\to 缩小倒立实像\to 等大倒立实像\to 放大倒立实像\to 不成像\to 放大正立虚像\to 等大正立虚像 \end{gathered}$$

1. 镜头的基本要素：$F$、$F^{\prime }$、$N$和$N^{\prime }$。
2. 物面即经过被测物，与主平面$P$和$P^{\prime }$的平面。像平面即经过被测物的像，与主平面$P$和$P^{\prime }$的平面。
3. 厚透镜成像法则：镜头前平行于光轴的光线过$F^{\prime }$；过$F$点的光线通过镜头后平行于光轴；过$N$的光线必然经过$N^{\prime }$，经过镜头前后与光轴夹角不变。

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$$\begin{gathered} {\beta }_p=\frac{d_{EXP}}{d_{ENP}}=\frac{tan\omega }{tan{\omega }^{\prime }} \\ {\beta }_p：光瞳放大率d_{EXP}：出瞳直径d_{ENP}：入瞳直径\omega ：物方视场角{\omega }^{\prime }：像方视场角 \end{gathered}$$

1. 光阑即镜头中用于限制通光量的部件。孔径光阑即最大程度限制通光量的光阑。孔径光阑不一定是最小的光阑。
2. 入瞳与出瞳是虚拟光阑，入瞳是孔径光阑在其前光学系统中所成的虚像，决定镜头入口可以接收光线的面积。出瞳是孔径光阑在其后光学系统中所成的虚像，通过出瞳的光线可以通过整个光学系统。
3. 主光线过孔径光阑中心，其入射光线与透射光线分别经过入瞳与出瞳的中心。
4. **光瞳放大率${\beta }_p$**即出射光瞳的直径与入射光瞳直径之比，也与物方和像方的视场角相关。

$$\begin{gathered} c=\frac{y^{\prime }}{y}s=\beta s=f^{\prime }(1-\frac{\beta }{{\beta }_p}) \\ c：摄像机常数或主距f^{\prime }：焦距\beta ：放大系数{\beta }_p：光瞳放大系数 \end{gathered}$$

1. 针孔模型只有一个投影中心，$\omega ={\omega }^{\prime }$；高斯光学有两个投影中心，$\omega \ne {\omega }^{\prime }$。
2. $c$与$f^{\prime }$可能不同，取决于物距$s$和像距$s^{\prime }$。当摄像机聚集与另一平面时必须重新标定。

2.2.3 景深

$$\begin{gathered} F=\frac{f^{\prime }}{d_{ENP}}E\sim tA\sim \frac{t}{F^2} \\ \Delta s\approx \frac{2s^{2}F{d}^{\prime }}{f^{\prime 2}}{F}_e=F(1-\frac{\beta }{{\beta }_p})\Delta s\approx \frac{2F_e{d}^{\prime }}{{\beta }^2} \\ \Delta s：景深s：物距F：f值d^{\prime }：弥散圆直径f^{\prime }：焦距 \end{gathered}$$

1. IP是像平面，FP是对焦面。在FP前后的被测物在IP上成一弥散圆斑。若弥散圆斑的尺寸与像素尺寸（1.25~10μm）差不多，可近似看成聚焦。弥散圆斑取决于入瞳的直径。
2. 标准f值为f/1、f/1.4、f/2、f/2.4、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22等。f值增大一个级数，亮度缩小一半。
3. $f^{\prime }$缩小一倍，$\Delta s$增加四倍。$F$增加一倍，$\Delta s$增加一倍。$\beta$增加时，$\Delta s$变得更小。
4. 不能任意加大$\Delta s$，因为过小的孔径光阑（F越大，通光量越小）会使光线发生衍射，像变成条纹圆环斑，影响图像清晰度。

2.2.4 远心镜头

$$\begin{gathered} 物方远心镜头：\beta =-\frac{sin\alpha }{sin{\alpha }^{\prime }} \\ 双远心镜头：\beta =-\frac{f_2^{\prime }}{f_1^{\prime }} \\ \Delta s=\frac{d^{\prime }}{\beta sin\alpha }=\frac{d^{\prime }}{{\beta }^{2}sin{\alpha }^{\prime }} \\ \Delta s：景深d^{\prime }：弥散圆直径sin\alpha ：镜头数值孔径sin{\alpha }^{\prime }：像方数值孔径 \end{gathered}$$

1. 对于近心镜头（普通光学镜头），投影在物方空间和像方空间都是透视的。若被测物与像平面不平行，其成像会变形（透视变形）。
2. 对于物方远心镜头，孔径光阑在焦点$F^{\prime }$处，入瞳中心在物方无穷远处，出瞳与孔径光阑重合（位置有限）。
3. 对于双远心镜头，入瞳和出瞳都在无穷远处。
4. 对于像方远心镜头，入瞳在焦点$F$处（位置有限），出瞳在无穷远处。光线越垂直，固态传感器越敏感。像方远心镜头可使光线垂直进入传感器，避免像素光晕现象。

镜头类型	物方投影	像方投影
近心镜头（普通光学镜头）	透视	透视
像方远心镜头	透视	平行
物方远心镜头	平行	透视
双远心镜头	平行	平行

1. 若像平面垂直于光轴，则在几何学上像方空间的投影特性不再重要，平行投影变成正交投影，在像方空间中与透视投影等效。

2.2.5 倾斜镜头和沙姆定律

1. 若被测物处在与像平面不平行的平面上，且处于高放大率下的浅景深时，成像会出现问题。可以减少孔径光阑的尺寸（增加镜头f值），但其作用有限，过小的孔径光阑会使光线发生衍射造成图像模糊，同时导致到达传感器的光线过少。
2. 需要对倾斜物体平面清晰成像的应用包括立体重构、基于激光三角测量法（片光）的三维重构、结构光三维重构
3. 沙姆定律：对于薄透镜（透镜两个主平面重合），焦平面、主平面和像平面汇聚成一条沙姆线；对于厚透镜，沙姆线分成两条直线，分别是$FP$与$P$的交线和$IP$与$P^{\prime }$的交线
4. 沙姆定律表明：通过相对于像平面来倾斜镜头，在物体空间中的任意一个平面都可以清晰成像。
5. 绞合线即平行于像平面，经过物方主点$N$，与焦平面的交线。平移像平面，焦平面会沿物方绞合线旋转。

2.2.6 镜头的像差

像差	成因、表现和解决方法
球差	成因：球面镜头边缘折射增大使远离光轴的光线与进轴光线不交于同一点。 表现：无论像平面在哪都有一个弥散圆。 解决方法：使用较大f值，或者使用非球面镜头。
慧差	成因：与光轴成一定角度的光线通过镜头后不能聚于一点。 表现：像不是圆形，而类似于彗星的形状。 解决方法：使用较大f值。
像散	成因：子午方向和弧矢方向的光线不能聚焦于一点。 表现：产生子午焦线和弧矢焦线两条正交的线，两者间某一位置出现最小的弥散圆斑。 解决方法：使用大f值的孔径光阑，或者通过镜头设计减小像散。
场曲	成因：子午像与弧矢像不在同一像平面上，甚至二者所在的面不是平面。 表现：不能使整个图像完全聚焦，中心聚焦清晰，边缘散焦严重。 解决方法：使用大f值的孔径光阑，或者通过镜头设计减小场曲。
畸变	成因：不经过光轴的直线通过镜头后，其像不再是一条直线；    但通过光轴的直线不会发生畸变 表现：枕形畸变和桶形畸变，径向畸变和偏心畸变。。
色差	成因：被测物被白光等多波长光照明，不同波长的光线不会聚在同一点。 表现：对于彩色摄像机，物体边缘产生彩条，对于黑白摄像机会出现模糊。 解决方法：使用较大f值，或者使用消色差镜头或复消色差镜头。

  渐晕即有些镜头采集的图像边缘亮度有很大下降。一个原因是因为光线与光轴角度过大使可变光阑不再是孔径光阑，可通过增加f值消除。另一个原因是轴外点光线强度下降，该情况无法通过增加f值来减小。