光圈

人眼系(xi)統(tong)中有虹膜(mo)和瞳(tong)孔，瞳(tong)孔是允(yun)許光線通(tong)過的開口。相機鏡頭類似人眼系(xi)統(tong)，只是這個“虹膜(mo)”由金(jin)屬(shu)片(pian)制成(cheng)，這些金(jin)屬(shu)片(pian)匯聚形成(cheng)“瞳(tong)孔”，即光圈，其會影響(xiang)相機拍攝的最(zui)終圖(tu)像。

光圈越小，光線(xian)就(jiu)越集中，景深（景深）就(jiu)會越大，這與到達傳感(gan)器的光量(liang)成反比。因此，在嘗(chang)試獲得明亮(liang)且聚焦(jiao)的圖(tu)像時，光圈起著重要作用。

鏡頭(tou)的(de)光圈是光線到達(da)相機的(de)開口。調整光圈意(yi)味著使鏡頭(tou)內由金屬(shu)刀片(pian)或葉(xie)片(pian)組(zu)成(cheng)的(de)開口更大或更小。光圈葉(xie)片(pian)數可能會有(you)很(hen)大差異，如下圖所示(shi)。

光(guang)(guang)圈(quan)開口大的鏡(jing)頭(tou)稱為大光(guang)(guang)圈(quan)鏡(jing)頭(tou)。反(fan)之，則稱為小(xiao)光(guang)(guang)圈(quan)鏡(jing)頭(tou)，如下圖(tu)所(suo)示。

系數

光圈開口越大，用來表示其(qi)大小的(de)數字(zi)就越小。光圈通常使用f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16等進行標(biao)記，與f/16相比，f/2代表的(de)光圈更大，也將獲得(de)更多(duo)的(de)光線進入(ru)。

景深

增大相機的(de)鏡頭光(guang)圈(quan)后(hou)，將(jiang)允許更多光(guang)線(xian)到達傳感器，因此相機會拍攝出非常(chang)明亮的(de)圖(tu)像(xiang)。但是，如果光(guang)圈(quan)開口(kou)過大，則會導(dao)致景深(shen)（DOF）顯著(zhu)降低，這種現象通常(chang)被(bei)稱為窄景深(shen)。景深(shen)是圖(tu)像(xiang)中(zhong)保持聚(ju)焦的(de)最近和最遠目標(biao)之間的(de)距離

景深(shen)(shen)和通過鏡頭的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)量成反比。因此，要使(shi)圖(tu)(tu)像充(chong)分聚焦，同時(shi)又要有(you)足夠(gou)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)線，并不是(shi)一件很容易(yi)的(de)事情。但是(shi)，增加到達(da)傳感器的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)線并不意味著必須使(shi)用(yong)(yong)較小的(de)景深(shen)(shen)以增大光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)，使(shi)用(yong)(yong)額外的(de)照明（無論是(shi)添加設備還是(shi)確保陽光(guang)(guang)(guang)(guang)充(chong)足）也可(ke)以達(da)到預期的(de)效(xiao)果。如(ru)下圖(tu)(tu)所示，左側圖(tu)(tu)像使(shi)用(yong)(yong)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)為f/25，而右(you)側圖(tu)(tu)像使(shi)用(yong)(yong)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)圈(quan)為f/5。

增益

為了獲得(de)更大(da)的景(jing)深并使大(da)部分圖(tu)(tu)像(xiang)聚(ju)焦，可(ke)(ke)能需(xu)要調(diao)高(gao)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)值(zhi)。調(diao)高(gao)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)值(zhi)后，相(xiang)機(ji)靈敏度會提升，產(chan)生更明(ming)亮的圖(tu)(tu)像(xiang)，但是也(ye)會引入更多的圖(tu)(tu)像(xiang)噪點，如下圖(tu)(tu)所示，上圖(tu)(tu)為調(diao)高(gao)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)值(zhi)前的原始圖(tu)(tu)像(xiang)，下圖(tu)(tu)為調(diao)高(gao)增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)值(zhi)后的圖(tu)(tu)像(xiang)，對比它(ta)們(men)右側的二(er)值(zhi)化圖(tu)(tu)像(xiang)可(ke)(ke)以(yi)明(ming)顯看到下圖(tu)(tu)由于增(zeng)(zeng)(zeng)益(yi)過高(gao)導致的圖(tu)(tu)像(xiang)噪點增(zeng)(zeng)(zeng)加、傳(chuan)感器像(xiang)素阱飽和問(wen)題。

延長曝光時間(jian)，而不是(shi)調(diao)高增益值，可以使噪聲更(geng)少(shao)。但如果(guo)目標處于移動狀態，可能會導致圖像變模(mo)糊，這種圖像模(mo)糊問題更(geng)難(nan)解決(jue)。

增益、快門速度(du)(du)和(he)光圈之間(jian)達到適(shi)當平衡的(de)狀(zhuang)態有助于提高圖像亮(liang)度(du)(du)，而(er)不會(hui)引入過多的(de)噪(zao)聲，同時保(bao)持目標聚焦。

快門

正如上面所(suo)說，除了(le)調(diao)節相機(ji)增益或(huo)鏡頭光(guang)(guang)圈之(zhi)(zhi)外，還可(ke)以調(diao)整快(kuai)(kuai)門速(su)(su)度(du)(du)。快(kuai)(kuai)門速(su)(su)度(du)(du)越快(kuai)(kuai)，通過的(de)光(guang)(guang)線(xian)就越少(shao)，從而(er)減少(shao)傳感器的(de)曝(pu)光(guang)(guang)時(shi)間。反之(zhi)(zhi)，使用較慢的(de)快(kuai)(kuai)門則我們(men)常見(jian)的(de)延時(shi)攝(she)影。讓(rang)相機(ji)使用更(geng)長的(de)曝(pu)光(guang)(guang)時(shi)間拍攝(she)，目(mu)標(biao)會更(geng)明亮。但是，這種狀(zhuang)態(tai)下即使目(mu)標(biao)靜止不動(dong)(dong)(dong)，也可(ke)能(neng)導致圖像(xiang)發(fa)生動(dong)(dong)(dong)態(tai)模糊。因此(ci)，諸如車輛之(zhi)(zhi)類(lei)的(de)移(yi)動(dong)(dong)(dong)目(mu)標(biao)需要更(geng)快(kuai)(kuai)的(de)快(kuai)(kuai)門速(su)(su)度(du)(du)，并結合更(geng)大的(de)光(guang)(guang)圈和(he)更(geng)高的(de)增益來確保照明充足。

應用

光線(xian)不足(zu)時，使(shi)用大光圈將(jiang)是一個(ge)優點。對于機(ji)(ji)器視(shi)覺檢測甚至(zhi)低空航(hang)空成像(xiang)等高幀率(lv)應用，亮度提升有助于確保圖像(xiang)具有清(qing)晰的(de)圖像(xiang)數據。在進(jin)行機(ji)(ji)器視(shi)覺檢測時，如(ru)果(guo)拍(pai)攝(she)目標(biao)數量增加(jia)，那(nei)么對幀率(lv)的(de)需求也會(hui)增加(jia)。同時，光圈也需要按比例增加(jia)，以確保高幀率(lv)錄制可以在充足(zu)的(de)光線(xian)條件下成像(xiang)。

然而(er)，如前(qian)所(suo)述，光(guang)圈增加會導致景深(shen)變(bian)淺(qian)(qian)，致使(shi)目標(biao)與鏡頭(tou)之(zhi)間的(de)距離容差變(bian)小。不過，這(zhe)種淺(qian)(qian)景深(shen)類型的(de)應(ying)用在傳(chuan)送帶系(xi)統中(zhong)(zhong)得到了非常(chang)好的(de)效(xiao)果。在傳(chuan)送帶系(xi)統中(zhong)(zhong)，產品(pin)不斷以固定距離高速(su)通(tong)過相(xiang)機(ji)，但(dan)圖像仍聚焦、明亮。此外(wai)，使(shi)用大光(guang)圈后，相(xiang)機(ji)可以清(qing)晰(xi)分離拍攝目標(biao)和可能存在于圖像背景中(zhong)(zhong)的(de)任何其它干擾物體。

光圈(quan)較小也(ye)對需要較長(chang)景(jing)深的(de)(de)應用(yong)場景(jing)有所(suo)幫助，搭配更(geng)長(chang)的(de)(de)曝光或更(geng)高的(de)(de)增益(yi)，相機(ji)仍然可以拍攝出明亮的(de)(de)圖像，同時保持更(geng)多內容聚焦(jiao)。對智能交通系統（ITS）等成像應用(yong)而言，這(zhe)種配置(zhi)很實(shi)用(yong)，這(zhe)些應用(yong)面臨的(de)(de)典型問(wen)題是(shi)確保相機(ji)能夠(gou)對不同距離的(de)(de)車輛進行(xing)清晰成像。

P-Iris

PrecisionIris（精確光(guang)(guang)圈(quan)），也(ye)稱P-Iris，是一(yi)種無(wu)需事先配置鏡(jing)頭即可調整光(guang)(guang)圈(quan)的(de)軟件解決(jue)方(fang)案(an)。P-Iris能(neng)(neng)夠(gou)可靠保(bao)持(chi)并返回至特(te)定(ding)的(de)光(guang)(guang)圈(quan)值，同時(shi)還能(neng)(neng)夠(gou)在(zai)增益和快(kuai)門速度處于預定(ding)極限(xian)的(de)艱難條件下調節光(guang)(guang)圈(quan)（點擊(ji)鏈接參考(kao)前文(wen)《自動光(guang)(guang)圈(quan)的(de)驅(qu)動方(fang)式(shi)》）。

結論

相機(ji)光(guang)圈(quan)通常在部(bu)署前配(pei)置(zhi)，有時需要(yao)根據系統或操作條件(jian)的(de)(de)變化(hua)不斷手動調整。解決(jue)這(zhe)個問題需要(yao)利用(yong)可以快速調整到相機(ji)的(de)(de)準確(que)光(guang)圈(quan)值的(de)(de)軟件(jian)解決(jue)方案，而無需物理(li)靠近。

大(da)多數成(cheng)像(xiang)(xiang)系統一直以(yi)來都面臨著是否能(neng)夠(gou)(gou)拍攝光(guang)(guang)線充(chong)足(zu)且聚焦清晰(xi)的(de)圖像(xiang)(xiang)的(de)問(wen)題。然而(er)，許多成(cheng)像(xiang)(xiang)系統的(de)實際情況是，在(zai)不(bu)受控環(huan)境（例如戶外應用）中，光(guang)(guang)線可(ke)能(neng)并不(bu)充(chong)足(zu)或變化較大(da)。通過了(le)解光(guang)(guang)圈的(de)光(guang)(guang)學影響及其與快門速度和增益的(de)關(guan)系，可(ke)以(yi)進(jin)行精確(que)調整，以(yi)優化成(cheng)像(xiang)(xiang)系統，確(que)保(bao)即使在(zai)最(zui)具挑戰性的(de)條件下也能(neng)夠(gou)(gou)捕獲到(dao)最(zui)佳圖像(xiang)(xiang)。