Jak aberracja chromatyczna i dystorsja wpływają na obraz

1. aberracja chromatyczna

1.1 Co to jest aberracja chromatyczna?

Aberracja chromatyczna jest spowodowana różnicą w przepuszczalności materiału. Światło naturalne składa się z obszaru światła widzialnego o zakresie długości fali od 390 do 770 nm, a reszta to widmo, którego ludzkie oko nie widzi. Ponieważ materiały mają różne współczynniki załamania dla różnych długości fal barwnego światła, każdy kolor światła ma inną pozycję obrazowania i powiększenie, co skutkuje chromatyzmem pozycji.

1.2 Jak aberracja chromatyczna wpływa na jakość obrazu?

(1) Ze względu na różne długości fal i współczynnik załamania światła różnych kolorów, punkt obiektu nie może być dobrze skupiony w JEDNYM idealnym punkcie obrazu, więc zdjęcie będzie rozmazane.

(2) Ponadto, ze względu na różne powiększenie różnych kolorów, na krawędziach punktów obrazu pojawią się "linie tęczowe".

1.3 Jak aberracja chromatyczna wpływa na model 3D

Gdy punkty obrazu mają „linie tęczy”, wpłynie to na oprogramowanie do modelowania 3D, aby dopasować ten sam punkt. Dla tego samego obiektu dopasowanie trzech kolorów może spowodować błąd ze względu na „tęczowe linie”. Gdy ten błąd kumuluje się wystarczająco, spowoduje „rozwarstwienie”.

1.4 Jak wyeliminować aberrację chromatyczną?

Zastosowanie różnych współczynników załamania i różnej dyspersji kombinacji szkła może wyeliminować aberrację chromatyczną. Na przykład użyj szkła o niskim współczynniku załamania i niskiej dyspersji jako soczewek wypukłych, a szkła o wysokim współczynniku załamania i szkła o wysokiej dyspersji jako soczewek wklęsłych.

Taka soczewka kombinowana ma krótszą ogniskową przy średniej długości fali i dłuższą ogniskową przy promieniach długo- i krótkofalowych. Dostosowując sferyczną krzywiznę obiektywu, ogniskowe światła niebieskiego i czerwonego mogą być dokładnie równe, co w zasadzie eliminuje aberrację chromatyczną.

Widmo wtórne

Ale aberracji chromatycznej nie da się całkowicie wyeliminować. Po użyciu soczewki zespolonej pozostała aberracja chromatyczna nazywana jest „widmem wtórnym”. Im dłuższa ogniskowa obiektywu, tym większa pozostaje aberracja chromatyczna. Dlatego w przypadku badań lotniczych wymagających bardzo precyzyjnych pomiarów widma wtórnego nie można zignorować.

Teoretycznie, jeśli pasmo światła można podzielić na przedziały niebiesko-zielony i zielono-czerwony i zastosować techniki achromatyczne do tych dwóch przedziałów, widmo wtórne można w zasadzie wyeliminować. Jednak zostało udowodnione na podstawie obliczeń, że jeśli jest achromatyczny dla światła zielonego i czerwonego, aberracja chromatyczna światła niebieskiego staje się duża; jeśli achromatyczny dla światła niebieskiego i zielonego, aberracja chromatyczna światła czerwonego staje się duża. Wydaje się, że jest to trudny problem i nie ma odpowiedzi, upartego widma wtórnego nie da się całkowicie wyeliminować.

apochromatyczny（APO）technika

Na szczęście obliczenia teoretyczne znalazły sposób na APO, który polega na znalezieniu specjalnego materiału na soczewki optyczne, którego względna dyspersja światła niebieskiego do czerwonego jest bardzo niska, a światła niebieskiego do zielonego bardzo wysoka.

Fluoryt jest tak specjalnym materiałem, jego dyspersja jest bardzo niska, a część względnej dyspersji jest zbliżona do wielu szkieł optycznych. Fluoryt ma stosunkowo niski współczynnik załamania światła, jest słabo rozpuszczalny w wodzie, ma słabą przetwarzalność i stabilność chemiczną, ale ze względu na doskonałe właściwości achromatyczne staje się cennym materiałem optycznym.

Istnieje bardzo niewiele czystego fluorytu masowego, który można wykorzystać do materiałów optycznych w przyrodzie, w połączeniu z ich wysoką ceną i trudnościami w obróbce, soczewki fluorytowe stały się synonimem soczewek wysokiej klasy. Różni producenci soczewek dokładali wszelkich starań, aby znaleźć substytuty fluorytu. Jednym z nich jest szkło fluorowo-koronowe, a takimi substytutami są szkło AD, szkło ED i szkło UD.

Kamery skośne Rainpoo wykorzystują szkło ED o wyjątkowo niskiej dyspersji jako obiektyw aparatu, aby aberracja i zniekształcenia były bardzo małe. Nie tylko zmniejsza prawdopodobieństwo rozwarstwienia, ale również znacznie poprawiono efekt modelu 3D, co znacznie poprawia efekt naroży i elewacji budynku.

2、Zniekształcenie

2.1 Co to jest zniekształcenie

Zniekształcenie obiektywu to w rzeczywistości ogólny termin na zniekształcenie perspektywy, czyli zniekształcenie spowodowane perspektywą. Taka dystorsja będzie miała bardzo zły wpływ na dokładność fotogrametrii. W końcu celem fotogrametrii jest odwzorowanie, a nie przesada, dlatego wymagane jest, aby zdjęcia w jak największym stopniu odzwierciedlały prawdziwe informacje o skali obiektów naziemnych.

Ale ponieważ jest to nieodłączna cecha soczewki (soczewka wypukła skupia światło, a soczewka wklęsła rozprasza światło), zależność wyrażona w konstrukcji optycznej jest następująca: warunek styczny do eliminacji zniekształceń i warunek sinus do eliminacji komy przysłony nie może być spełniony przy w tym samym czasie, a więc dystorsja i optyczna aberracja chromatyczna Tego samego nie da się całkowicie wyeliminować, tylko poprawić.

Na powyższym rysunku istnieje proporcjonalna zależność między wysokością obrazu a wysokością obiektu, a stosunek między nimi to powiększenie.

W idealnym systemie obrazowania odległość między płaszczyzną obiektu a obiektywem jest stała, a powiększenie ma określoną wartość, więc istnieje tylko proporcjonalna zależność między obrazem a obiektem, bez żadnych zniekształceń.

Jednak w rzeczywistym systemie obrazowania, ponieważ aberracja sferyczna głównego promienia zmienia się wraz ze wzrostem kąta pola, powiększenie nie jest już stałe na płaszczyźnie obrazu pary sprzężonych obiektów, to znaczy powiększenie w środek obrazu i powiększenie krawędzi są niespójne, obraz traci podobieństwo do obiektu. Ta wada, która deformuje obraz, nazywa się zniekształceniem.

2.2 Jak zniekształcenie wpływa na dokładność?

Po pierwsze, błąd AT (Aerial Triangulation) wpłynie na błąd gęstej chmury punktów, a tym samym na błąd względny modelu 3D. Dlatego też średnia kwadratowa (RMS błędu odwzorowania) jest jednym z ważnych wskaźników, które obiektywnie odzwierciedlają ostateczną dokładność modelowania. Sprawdzając wartość RMS, można łatwo ocenić dokładność modelu 3D. Im mniejsza wartość RMS, tym wyższa dokładność modelu.

2.3 Jakie są czynniki wpływające na zniekształcenia obiektywu?

długość ogniskowa
Ogólnie rzecz biorąc, im dłuższa ogniskowa obiektywu stałoogniskowego, tym mniejsza dystorsja; im krótsza ogniskowa, tym większa dystorsja. Chociaż dystorsja obiektywu ultradługoogniskowego (teleobiektywu) jest już bardzo mała, w rzeczywistości, aby uwzględnić wysokość lotu i inne parametry, ogniskowa obiektywu kamery lotniczej nie może być tak długo.Na przykład poniższe zdjęcie przedstawia obiektyw tele Sony 400 mm. Widać, że dystorsja obiektywu jest bardzo mała, prawie kontrolowana w granicach 0,5%. Problem jednak w tym, że jeśli użyjesz tego obiektywu do zbierania zdjęć w rozdzielczości 1cm, a wysokość lotu to już 820m.let to latanie dronem na tej wysokości jest kompletnie nierealne.

Obróbka soczewek

Obróbka soczewek to najbardziej złożony i najdokładniejszy etap w procesie produkcji soczewek, obejmujący co najmniej 8 procesów. Proces wstępny obejmuje składanie i piaskowanie beczek azotanowych, a proces końcowy obejmuje powlekanie rdzenia-powłoka klejąca. Dokładność przetwarzania i środowisko przetwarzania bezpośrednio określają ostateczną dokładność soczewek optycznych.

Niska dokładność przetwarzania ma fatalny wpływ na zniekształcenie obrazu, co bezpośrednio prowadzi do nierównomiernej dystorsji obiektywu, której nie można sparametryzować ani skorygować, co poważnie wpłynie na dokładność modelu 3D.

Instalacja obiektywu

Figura 1 przedstawia nachylenie soczewki podczas procesu instalacji soczewki;

Rysunek 2 pokazuje, że soczewka nie jest koncentryczna podczas procesu instalacji soczewki;

Rysunek 3 przedstawia prawidłową instalację.

W powyższych trzech przypadkach metody instalacji w pierwszych dwóch przypadkach są wszystkie "złe" montażem, który zniszczy poprawioną konstrukcję, powodując różne problemy, takie jak rozmycie, nierówny ekran i rozproszenie. Dlatego podczas przetwarzania i montażu nadal wymagana jest ścisła kontrola precyzji.

Proces montażu soczewki

Proces montażu obiektywu odnosi się do procesu całego modułu obiektywu i czujnika obrazu. Parametry takie jak położenie punktu głównego elementu orientacji oraz zniekształcenie styczne w parametrach kalibracji kamery opisują problemy spowodowane błędem montażu.

Generalnie można tolerować niewielki zakres błędów montażowych (oczywiście im wyższa dokładność montażu, tym lepiej). Dopóki parametry kalibracji są dokładne, zniekształcenie obrazu można obliczyć dokładniej, a następnie zniekształcenie obrazu można usunąć. Wibracje mogą również powodować nieznaczne przesuwanie się obiektywu i zmianę parametrów dystorsji obiektywu. Dlatego tradycyjna kamera do badań lotniczych musi zostać naprawiona i po pewnym czasie ponownie skalibrowana.

2.3 Ukośny obiektyw aparatu Rainpoo

Podwójnie Gauβ Struktura

Fotografia skośna ma wiele wymagań, aby obiektyw był mały, lekki, miał niski poziom zniekształceń obrazu i aberracji chromatycznej, miał wysoką reprodukcję kolorów i wysoką rozdzielczość. Projektując strukturę soczewki, soczewka Rainpoo wykorzystuje podwójną strukturę Gauβ, jak pokazano na rysunku:
Struktura jest podzielona na przód obiektywu, przesłonę i tył obiektywu. Przód i tył mogą wydawać się „symetryczne” w stosunku do membrany. Taka konstrukcja pozwala na wzajemne niwelowanie niektórych aberracji chromatycznych generowanych z przodu iz tyłu, co ma ogromne zalety w kalibracji i kontroli rozmiaru obiektywu na późnym etapie.

Lustro asferyczne

W przypadku kamery ukośnej zintegrowanej z pięcioma obiektywami, jeśli każdy obiektyw podwoi się, kamera będzie ważyć pięć razy; jeśli długość każdego obiektywu podwoi się, to ukośny aparat co najmniej podwoi swój rozmiar. Dlatego przy projektowaniu, aby uzyskać wysoką jakość obrazu przy jak najmniejszym aberracji i głośności, należy zastosować soczewki asferyczne.

Soczewki asferyczne mogą ponownie skupić światło rozproszone przez powierzchnię sferyczną z powrotem do ogniska, nie tylko mogą uzyskać wyższą rozdzielczość, zwiększyć stopień reprodukcji kolorów, ale także mogą zakończyć korekcję aberracji za pomocą małej liczby soczewek, zmniejszyć liczbę soczewek do wykonania aparat lżejszy i mniejszy.

Korekcja zniekształceń technika

Błąd w procesie montażu spowoduje wzrost zniekształcenia stycznego soczewki. Zmniejszenie tego błędu montażu jest procesem korekcji zniekształceń. Poniższy rysunek przedstawia schematyczny diagram dystorsji stycznej soczewki. Ogólnie rzecz biorąc, przemieszczenie dystorsji jest symetryczne względem lewego dolnego — — prawego górnego rogu, co wskazuje, że kąt obrotu soczewki jest prostopadły do kierunku, co jest spowodowane błędami montażu.

Dlatego, aby zapewnić wysoką dokładność i jakość obrazowania, firma Rainpoo przeprowadziła szereg rygorystycznych kontroli projektu, przetwarzania i montażu:

Na wczesnym etapie projektowania, aby zapewnić współosiowość montażu soczewek, w miarę możliwości zapewnić, że wszystkie płaszczyzny instalacji soczewek są przetwarzane przez jeden zacisk;

② Używanie importowanych narzędzi do toczenia stopów na tokarkach o wysokiej precyzji, aby zapewnić dokładność obróbki osiągającą poziom IT6, zwłaszcza w celu zapewnienia, że tolerancja współosiowości wynosi 0,01 mm;

③Każda soczewka jest wyposażona w zestaw precyzyjnych sprawdzianów trzpieniowych ze stali wolframowej na wewnętrznej okrągłej powierzchni (każdy rozmiar zawiera co najmniej 3 różne standardy tolerancji), każda część jest dokładnie sprawdzana, a tolerancje położenia, takie jak równoległość i prostopadłość, są wykrywane przez przyrząd pomiarowy z trzema współrzędnościami;

④Po wyprodukowaniu każdego obiektywu należy go sprawdzić, w tym testy rozdzielczości projekcji i wykresów oraz różne wskaźniki, takie jak rozdzielczość i odwzorowanie kolorów obiektywu.