Як хроматична аберація та спотворення впливають на зображення

1.хроматична аберація

1.1 Що таке хроматична аберація

Хроматична аберація зумовлена різницею в коефіцієнті пропускання матеріалу. Природне світло складається з області видимого світла з діапазоном довжин хвиль від 390 до 770 нм, а решта - це спектр, який людське око не може побачити. Оскільки матеріали мають різні показники заломлення для різних довжин хвиль кольорового світла, кожен кольоровий світло має різне положення зображення та збільшення, що призводить до хроматизму положення.

1.2 Як хроматична аберація впливає на якість зображення

(1) Через різні довжини хвилі та коефіцієнт заломлення різних кольорів світла, об’єкт-точку неможливо добре сфокусувати в ОДНУ ідеальну точку зображення, тому фотографія буде розмитою.

(2) Крім того, через різне збільшення різних кольорів, на краю точок зображення будуть «райдужні лінії».

1.3 Як хроматична аберація впливає на 3D-модель

Коли точки зображення мають «райдужні лінії», це вплине на програмне забезпечення для 3D-моделювання, щоб воно відповідало тій самій точці. Для одного і того ж об’єкта збіг трьох кольорів може призвести до помилки через «лінії веселки». Коли ця помилка накопичується достатньо великою, це спричинить «розшарування».

1.4 Як усунути хроматичну аберацію

Використання різного показника заломлення та різної дисперсії скляної комбінації може усунути хроматичну аберацію. Наприклад, використовуйте скло з низьким коефіцієнтом заломлення та низькою дисперсією як опуклі лінзи, а скло з високим коефіцієнтом заломлення та високою дисперсією як увігнуті лінзи.

Така комбінована лінза має меншу фокусну відстань на середній довжині хвилі і більшу фокусну відстань на довгих і коротких хвилях. Регулюючи сферичну кривизну лінзи, фокусні відстані синього та червоного світла можуть бути точно однаковими, що в основному усуває хроматичну аберацію.

Вторинний спектр

Але повністю усунути хроматичну аберацію неможливо. Після використання комбінованої лінзи хроматична аберація, що залишилася, називається «вторинним спектром». Чим більше фокусна відстань лінзи, тим більше залишається хроматичної аберації. Тому для аерофотозйомки, що вимагає високоточних вимірювань, не можна ігнорувати вторинний спектр.

Теоретично, якщо світлову смугу можна розділити на синьо-зелений і зелено-червоний інтервали, а до цих двох інтервалів застосувати ахроматичні методи, вторинний спектр можна в основному усунути. Проте розрахунками доведено, що якщо ахроматичні для зеленого і червоного світла, хроматична аберація синього світла стає великою; якщо ахроматична для синього світла та зеленого світла, хроматична аберація червоного світла стає великою. Здається, що це складна проблема і немає відповіді, впертий вторинний спектр неможливо повністю усунути.

Апохроматичний（APO）тех

На щастя, теоретичні розрахунки знайшли спосіб для APO, який полягає в тому, щоб знайти спеціальний матеріал оптичної лінзи, відносна дисперсія синього світла до червоного світла дуже низька, а відносна дисперсія синього світла до зеленого світла дуже висока.

Флюорит є таким особливим матеріалом, його дисперсність дуже низька, а частина відносної дисперсії близька до багатьох оптичних стекол. Флюорит має відносно низький показник заломлення, мало розчинний у воді, має низьку технологічність і хімічну стабільність, але завдяки своїм чудовим ахроматичним властивостям він стає дорогоцінним оптичним матеріалом.

Є дуже мало чистого флюориту, який можна використовувати для оптичних матеріалів у природі, у поєднанні з їх високою ціною та складністю обробки, лінзи з флюориту стали синонімом високоякісних лінз. Різні виробники лінз не шкодували зусиль, щоб знайти замінники флюориту. Одним з них є фтор-корон-скло, а такими замінниками є скло AD, скло ED та UD.

Похилі камери Rainpoo використовують ED скло з надзвичайно низькою дисперсією як об’єктив камери, щоб аберації та спотворення були дуже малими. Не тільки знижується ймовірність розшарування, але також значно покращено ефект 3D моделі, що значно покращує ефект кутів будівлі та фасаду.

2、 Спотворення

2.1 Що таке спотворення

Спотворення об’єктива насправді є загальним терміном для спотворення перспективи, тобто спотворення, викликаного перспективою. Таке спотворення дуже погано вплине на точність фотограмметрії. Зрештою, мета фотограмметрії полягає в тому, щоб відтворити, а не перебільшити, тому потрібно, щоб фотографії максимально відображали інформацію про справжні масштаби об’єктів землі.

Але оскільки це властива характеристика лінзи (опукла лінза збирає світло, а увігнута лінза розводить світло), співвідношення, виражене в оптичному дизайні, таке: умова тангенсу для усунення спотворення та умова синуса для усунення коми діафрагми не можуть бути задоволені при в той же час, тому спотворення та оптична хроматична аберація Те ж саме не можна усунути повністю, лише покращити.

На малюнку вище існує пропорційний зв’язок між висотою зображення та висотою об’єкта, а співвідношення між ними є збільшенням.

В ідеальній системі зображення відстань між площиною об’єкта та об’єктивом залишається фіксованою, а збільшення є певною величиною, тому існує лише пропорційний зв’язок між зображенням та об’єктом, без спотворення взагалі.

Однак у реальній системі зображення, оскільки сферична аберація головного променя змінюється зі збільшенням кута поля, збільшення більше не є постійною величиною на площині зображення пари спряжених об’єктів, тобто збільшення в площині зображення. центр зображення і збільшення краю несумісні, зображення втрачає схожість з об'єктом. Цей дефект, який деформує зображення, називається спотворенням.

2.2 Як спотворення впливає на точність

По-перше, похибка AT (повітряної тріангуляції) вплине на похибку щільної хмари точок, а отже, і на відносну похибку 3D-моделі. Тому середнє квадратичне значення (RMS of Reprojection Error) є одним із важливих показників, які об’єктивно відображають остаточну точність моделювання. Перевіривши середньоквадратичне значення , точність 3D-моделі можна просто оцінити. Чим менше середньоквадратичне значення, тим вище точність моделі.

2.3 Які фактори впливають на спотворення об’єктива

фокусна відстань
Загалом, чим більше фокусна відстань об’єктива з фіксованим фокусом, тим менше спотворення; чим коротша фокусна відстань, тим більше спотворення. Хоча спотворення об’єктива з наддовгофокусною відстанню (телеоб’єктива) вже дуже малі, насправді, щоб врахувати висоту польоту та інші параметри, фокусна відстань об’єктива аерофотокамери не може бути так довго.Наприклад, наступне зображення — телеоб’єктив Sony 400 мм. Ви можете помітити, що спотворення об’єктива дуже малі, майже контролюються в межах 0,5%. Але проблема в тому, що якщо ви використовуєте цей об'єктив для збирання фотографій з роздільною здатністю 1 см, а висота польоту вже становить 820 м. Нехай безпілотник літати на такій висоті абсолютно нереально.

Обробка лінз

Обробка лінз є найскладнішим і найточнішим етапом у процесі виробництва лінз, який включає щонайменше 8 процесів. Попередня обробка включає в себе нітратний матеріал-складання бочки-пісок підвішування-шліфування, а пост-процес передбачає нанесення сердечника-покриття-адгезію-чорнило. Точність обробки та середовище обробки безпосередньо визначають кінцеву точність оптичних лінз.

Низька точність обробки фатально впливає на спотворення зображення, що безпосередньо призводить до нерівномірного спотворення об’єктива, яке неможливо параметрізувати або виправити, що серйозно вплине на точність 3D-моделі.

Установка лінзи

На малюнку 1 показано нахил лінзи під час процесу встановлення лінзи;

На малюнку 2 показано, що лінза не є концентричною під час процесу встановлення лінзи;

На малюнку 3 показано правильну установку.

У трьох вищевказаних випадках всі методи встановлення в перших двох випадках – це «неправильна» збірка, яка зруйнує виправлену конструкцію, що призведе до різних проблем, таких як розмитість, нерівність екрану та розсіювання. Тому під час обробки та складання все ще потрібен строгий контроль точності.

Процес складання лінзи

Процес складання об’єктива відноситься до процесу загального модуля об’єктива та датчика зображення. Такі параметри, як положення основної точки орієнтуючого елемента та тангенціальне спотворення в параметрах калібрування камери, описують проблеми, спричинені помилкою складання.

Взагалі кажучи, можна допускати невеликий діапазон помилок складання (звичайно, чим вище точність складання, тим краще). Поки параметри калібрування точні, спотворення зображення можна розрахувати точніше, а потім спотворення зображення можна видалити. Вібрація також може спричинити незначне переміщення об’єктива та зміну параметрів спотворення об’єктива. Ось чому традиційну камеру аерофотозйомки необхідно закріпити та повторно відкалібрувати через певний період часу.

2.3 Косий об'єктив камери Rainpoo

Подвійний Gauβ структура

Похила фотографія має багато вимог до об’єктива, який має бути невеликим за розміром, малою вагою, низьким рівнем спотворення зображення та хроматичної аберації, високою відтворенням кольору та високою роздільною здатністю. При розробці структури лінзи лінза Rainpoo використовує подвійну структуру Gauβ, як показано на малюнку:
Конструкція поділяється на передню частину лінзи, діафрагму та задню частину лінзи. Передня і задня частина можуть здаватися «симетричними» щодо діафрагми. Така структура дозволяє деяким хроматичним абераціям, які генеруються спереду і ззаду, компенсувати одна одну, тому вона має великі переваги в калібруванні та контролі розміру лінзи на пізній стадії.

Асферичне дзеркало

Для косої камери, інтегрованої з п’ятьма об’єктивами, якщо вага кожного об’єктива подвоїться, камера буде важити п’ять разів; якщо кожна лінза подвоїться в довжину, то похила камера збільшиться щонайменше вдвічі. Тому при проектуванні, щоб отримати високий рівень якості зображення, гарантуючи, що аберація та гучність якомога менші, необхідно використовувати асферичні лінзи.

Асферичні лінзи можуть перефокусувати світло, розсіяне крізь сферичну поверхню, назад у фокус, не тільки можуть отримати більш високу роздільну здатність, підвищити ступінь відтворення кольору, але також можуть завершити корекцію аберації за допомогою невеликої кількості лінз, зменшити кількість лінз, які потрібно зробити камера легша і менша.

Виправлення спотворення тех

Помилка в процесі складання призведе до збільшення тангенціального спотворення лінзи. Зменшення цієї помилки складання є процесом виправлення спотворення. На наступному малюнку показана принципова схема тангенціального спотворення лінзи. Загалом, зміщення спотворення є симетричним відносно нижнього лівого——верхнього правого кута, що вказує на те, що лінза має кут повороту, перпендикулярний до напрямку, що спричинено помилками складання.

Тому, щоб забезпечити високу точність і якість зображення, Rainpoo провів ряд суворих перевірок дизайну, обробки та складання:

На ранній стадії проектування, щоб забезпечити співвісність монтажу лінзи, по можливості забезпечити обробку всіх площин установки лінзи одним затисканням;

②Використання імпортних токарних інструментів із сплаву на високоточних токарних верстатах, щоб гарантувати, що точність обробки досягає рівня IT6, особливо для того, щоб допуск на коаксіальність становив 0,01 мм;

③Кожна лінза оснащена набором високоточних датчиків з вольфрамової сталі на внутрішній круговій поверхні (кожен розмір містить щонайменше 3 різні стандарти допуску), кожна частина суворо перевіряється, а допуски положення, такі як паралельність і перпендикулярність, визначаються за допомогою трикоординатний вимірювальний прилад;

④Після того як кожен об’єктив виготовлений, його необхідно перевірити, включаючи роздільну здатність проекції та тести діаграми, а також різні показники, такі як роздільна здатність та відтворення кольору об’єктива.