光圈與瞳孔

人眼中有虹膜和瞳孔，瞳孔是人眼中允許光線通過的開口。相機(jī)鏡頭也運(yùn)行著一個(gè)類似人眼的系統(tǒng)，但這個(gè)光圈由金屬片制成，這些金屬片會(huì)聚形成光圈，光圈中心有一個(gè)開口。鏡頭的虹膜就是光圈，光圈最終會(huì)影響相機(jī)拍攝的最終圖像。

光圈越小，光線就越集中，景深（DOF）就會(huì)更大。這與到達(dá)傳感器的光量成反比。因此，在嘗試獲得明亮且聚焦的圖像時(shí)，光圈起著重要作用。但是有時(shí)候光圈與焦點(diǎn)以及亮度的關(guān)系可能并不理想。這篇博文介紹了調(diào)整光圈的各種方法、如何利用光圈光學(xué)的影響，并提供了在各種條件下獲得明亮且聚焦圖像的替代選項(xiàng)。

什么是光圈？

鏡頭的光圈是光線通過到達(dá)相機(jī)的開口。調(diào)整光圈意味著使用通常由鏡頭內(nèi)金屬刀片或葉片組成的鏡頭光圈使開口更大或更小。光圈葉片數(shù)可能會(huì)有很大差異，如圖2中各種鏡頭光圈的比較所示。 光圈開口大的鏡頭稱為大光圈鏡頭。當(dāng)虹膜/光圈開口只稍微打開一點(diǎn)時(shí)，這種鏡頭稱為小光圈鏡頭，如圖3所示。

F-stop（光圈系數(shù)）

光圈開口越大，用來表示其大小的數(shù)字就越小，這一點(diǎn)比較難以理解。光圈通常使用f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16（例如讀作“f 16”）等進(jìn)行標(biāo)記。與f/16相比，f/2代表的光圈更大，這似乎令人非常不解，其實(shí)因?yàn)樵谟谶@些數(shù)字都是分?jǐn)?shù)。就好比?個(gè)比薩和1/16個(gè)比薩對比。在這種情況下，很明顯，f-stop數(shù)值較低表示鏡頭光圈開口較大，以便更多光線進(jìn)入。

景深（DOF）和亮度

打開相機(jī)的鏡頭光圈后，光圈會(huì)增大并允許更多光線到達(dá)傳感器。因此相機(jī)會(huì)拍攝出非常明亮的圖像。但是，如果光圈開口過大，則會(huì)導(dǎo)致DOF顯著降低。這種現(xiàn)象通常被稱為窄DOF。DOF是圖像中保持聚焦的最近和最遠(yuǎn)目標(biāo)之間的距離。
DOF和通過鏡頭的光量成反比。因此，要使圖像充分聚焦，同時(shí)又要有足夠的光線清晰照亮目標(biāo)，可能是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。 但是，到達(dá)傳感器的光線減少并不意味著相機(jī)不能利用更大的DOF。使用額外的照明（無論是添加設(shè)備還是確保陽光充足）可以利用較小的光圈，例如在晴天拍攝圖6使用的是f/25光圈。此圖中顯示了楓樹的樹枝，頂部圖像使用的光圈為f/25，底部圖像使用的光圈為f/5。光圈較小，圖像越多部分會(huì)處于聚焦位置，從而提供有用的信息拍攝更遠(yuǎn)的目標(biāo)。 此外，通過使用可以捕獲RAW圖像的相機(jī)，例如Teledyne Lumenera Lt1245R，可以對圖像進(jìn)行處理，顯示出的圖像數(shù)據(jù)比默認(rèn)顯示數(shù)據(jù)更多。圖7舉出了一個(gè)示例，可以通過操縱圖像數(shù)據(jù)來顯示似乎很暗沉的目標(biāo)。將增強(qiáng)的f/36圖像與使用f/5.6光圈成像的相同目標(biāo)進(jìn)行比較時(shí)，可以看到DOF的差異。

增益

為了調(diào)整獲得更大的DOF并使大部分圖像聚焦，相機(jī)可能需要增加增益值。增加增益后，靈敏度會(huì)提升，雖然會(huì)產(chǎn)生更明亮的圖像，但圖像會(huì)包含更多的噪點(diǎn)，如圖8所示。過于依賴增益來提高圖像亮度而不是讓更多光線進(jìn)入光圈更寬的鏡頭可能會(huì)導(dǎo)致拍攝的圖像質(zhì)量差。延長曝光時(shí)間，而不是增加增益，可以使噪聲更少，但如果目標(biāo)處于移動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致圖像變模糊，這種圖像模糊問題更難解決。增益、快門速度和光圈之間達(dá)到適當(dāng)平衡的狀態(tài)有助于提高圖像亮度，而不會(huì)引入過多的噪聲，同時(shí)保持目標(biāo)聚焦。

快門速度

除了調(diào)節(jié)相機(jī)增益或鏡頭光圈之外，還可以調(diào)整快門速度。快門關(guān)閉傳感器的速度越快，通過的光線就越少，從而最大限度地減少傳感器曝光的時(shí)間。使用較慢的快門速度稱為長時(shí)間曝光拍攝。讓相機(jī)在更長的時(shí)間內(nèi)在光線下拍攝，目標(biāo)會(huì)更明亮。但是，如果目標(biāo)靜止不動(dòng)，這也可能導(dǎo)致圖像發(fā)生動(dòng)態(tài)模糊，其中使用慢快門速度捕獲車輛圖像。因此，諸如車輛之類的移動(dòng)目標(biāo)可能需要更快的快門速度，并結(jié)合更大的光圈和更高的增益來確保照明充足。

應(yīng)用

光線不足時(shí)，使用大光圈可能會(huì)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對于機(jī)器視覺檢測甚至低空航空成像等高幀率應(yīng)用，亮度提升有助于確保圖像具有清晰的圖像數(shù)據(jù)。 在進(jìn)行機(jī)器視覺檢測時(shí)，如果被成像物品數(shù)量增加，那么對幀率的需求也會(huì)增加。光圈也需要按比例增加，以確保高幀率錄制可以在充足的光線條件下成像。然而，如前所述，光圈增加會(huì)導(dǎo)致DOF變淺，DOF變淺對目標(biāo)與鏡頭之間的距離容差最小。這種類型的淺DOF在傳送帶系統(tǒng)中得到了非常有效的利用，參見圖10，在傳送帶系統(tǒng)中，產(chǎn)品不斷以固定距離高速通過相機(jī)，但圖像仍聚焦、明亮。此外，使用大光圈后，相機(jī)可以清晰分離目標(biāo)前景和由于DOF較淺而可能存在于圖像背景中的任何其他物體。 光圈較小也對需要較長DOF的應(yīng)用有幫助。實(shí)現(xiàn)更長的曝光或使用更高的增益，相機(jī)仍然可以拍攝出明亮的圖像，同時(shí)保持更多內(nèi)容聚焦。對智能交通系統(tǒng)（ITS）等成像應(yīng)用而言，這種配置很實(shí)用，這些應(yīng)用面臨的典型問題是確保相機(jī)能夠?qū)Σ煌嚯x的車輛進(jìn)行清晰成像。

P-Iris（一種精確鏡頭光圈控制器）

討論如何利用鏡頭光圈期間，提出了一個(gè)重要的警告。相機(jī)光圈通常在部署前配置，有時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)或操作條件的變化不斷手動(dòng)調(diào)整。解決這個(gè)問題需要利用可以快速調(diào)整到相機(jī)的準(zhǔn)確光圈值的軟件解決方案，而無需物理靠近。Precision Iris（精確光圈），也稱P-Iris，是一種無需事先配置鏡頭即可調(diào)整光圈的軟件解決方案。P-Iris能夠可靠保持并返回至特定的光圈值，同時(shí)還能夠在增益和快門速度處于預(yù)定極限的艱難條件下調(diào)節(jié)光圈。 Teledyne Lumenera LtX45R相機(jī)系列中的每款相機(jī)都配備了接受P-Iris鏡頭的控制器。如需了解P-Iris的更多信息，請仔細(xì)閱讀博文《視覺系統(tǒng)需要采用P-Iris鏡頭的理由》（文章鏈接：https://www.lumenera.com/blog/why-you-should-be-using-a-p-iris-lens-in-your-vision-system）。

結(jié)論

大多數(shù)成像系統(tǒng)一直以來都面臨著是否能夠拍攝光線充足且聚焦清晰的圖像的問題。然而，許多成像系統(tǒng)的實(shí)際情況是，在不受控環(huán)境（例如戶外應(yīng)用）中，光線可能并不充足或變化較大。通過了解光圈的光學(xué)影響及其與快門速度和增益的關(guān)系，可以進(jìn)行精確調(diào)整，以優(yōu)化成像系統(tǒng)，確保即使在最具挑戰(zhàn)性的條件下也能夠捕獲到最佳圖像。

審核編輯：郭婷