光圈與瞳孔  

人眼中有虹(hong)膜和瞳(tong)孔，瞳(tong)孔是(shi)人眼中允許(xu)光(guang)線通過的(de)開(kai)口。相(xiang)機(ji)鏡(jing)頭也運行著一個類似人眼的(de)系統(tong)，但(dan)這(zhe)(zhe)個光(guang)圈(quan)(quan)由(you)金屬(shu)片(pian)制(zhi)成(cheng)，這(zhe)(zhe)些金屬(shu)片(pian)會(hui)聚(ju)形成(cheng)光(guang)圈(quan)(quan)，光(guang)圈(quan)(quan)中心有一個開(kai)口。鏡(jing)頭的(de)虹(hong)膜就是(shi)光(guang)圈(quan)(quan)，光(guang)圈(quan)(quan)最終會(hui)影(ying)響相(xiang)機(ji)拍(pai)攝的(de)最終圖像。虹(hong)膜和瞳(tong)孔以(yi)及虹(hong)膜和光(guang)圈(quan)(quan)之間的(de)比較如圖所示。

光(guang)(guang)圈(quan)(quan)越(yue)小，光(guang)(guang)線就越(yue)集中，景深（DOF）就會(hui)更大。這(zhe)與到達傳感器的(de)光(guang)(guang)量成反(fan)比(bi)。因此，在嘗試獲(huo)得(de)(de)明亮(liang)且聚(ju)焦的(de)圖像時，光(guang)(guang)圈(quan)(quan)起著重要作(zuo)用(yong)。但(dan)是有時候(hou)光(guang)(guang)圈(quan)(quan)與焦點以及亮(liang)度(du)的(de)關系可能并不理想(xiang)。這(zhe)篇(pian)博文介紹了調整光(guang)(guang)圈(quan)(quan)的(de)各種方法、如(ru)何利用(yong)光(guang)(guang)圈(quan)(quan)光(guang)(guang)學的(de)影響，并提供了在各種條件下獲(huo)得(de)(de)明亮(liang)且聚(ju)焦圖像的(de)替代選項(xiang)。

什么是光圈？

鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)光圈是光線通(tong)過到達相機的(de)開口(kou)。調整(zheng)光圈意味著使用通(tong)常由鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)內金屬刀(dao)片(pian)或葉片(pian)組成的(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)光圈使開口(kou)更大(da)或更小。光圈葉片(pian)數(shu)可能會有(you)很大(da)差異，如(ru)圖中(zhong)各(ge)種(zhong)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)光圈的(de)比較所示(shi)。

光圈(quan)開(kai)口大的鏡頭稱(cheng)為(wei)大光圈(quan)鏡頭。當虹膜/光圈(quan)開(kai)口只(zhi)稍微打開(kai)一點時(shi)，這種鏡頭稱(cheng)為(wei)小光圈(quan)鏡頭，如圖(tu)所示。

F-stop（光圈系數）

光(guang)圈(quan)開口越(yue)大(da)，用(yong)來表示其大(da)小的(de)數(shu)字就(jiu)(jiu)越(yue)小，這(zhe)(zhe)一點比(bi)(bi)較難以理解。光(guang)圈(quan)通(tong)常使(shi)用(yong)f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16（例如讀作“f 16”）等(deng)進行(xing)標記。與(yu)f/16相(xiang)比(bi)(bi)，f/2代表的(de)光(guang)圈(quan)更(geng)大(da)，這(zhe)(zhe)似乎(hu)令人非常不解，其實因為在于這(zhe)(zhe)些數(shu)字都是分(fen)數(shu)。就(jiu)(jiu)好(hao)比(bi)(bi)?個比(bi)(bi)薩和1/16個比(bi)(bi)薩對比(bi)(bi)。在這(zhe)(zhe)種(zhong)情況(kuang)下，很明顯，f-stop數(shu)值較低表示鏡頭光(guang)圈(quan)開口較大(da)，以便(bian)更(geng)多(duo)光(guang)線進入。

景深（DOF）和亮度

打(da)開相機(ji)的(de)鏡(jing)頭光(guang)(guang)圈(quan)后，光(guang)(guang)圈(quan)會增大并允(yun)許(xu)更多光(guang)(guang)線(xian)到(dao)達傳感器(qi)。因此相機(ji)會拍攝出非(fei)常(chang)明亮的(de)圖(tu)(tu)像。但(dan)是(shi)，如果光(guang)(guang)圈(quan)開口過大，則會導(dao)致DOF顯著(zhu)降低。這種(zhong)現象(xiang)通(tong)常(chang)被稱為窄DOF。DOF是(shi)圖(tu)(tu)像中保持(chi)聚焦的(de)最近(jin)和最遠目標之間(jian)的(de)距離(li)，如圖(tu)(tu)所示(shi)。

DOF和通過鏡頭的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)量成(cheng)反比。因(yin)此，要(yao)使圖(tu)像充(chong)分聚(ju)焦，同(tong)時(shi)又(you)要(yao)有足夠的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)清(qing)晰照亮目標，可能是(shi)一項艱巨的(de)(de)(de)挑戰(zhan)。但(dan)是(shi)，到達傳感器的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)減少并不意味著相(xiang)機不能利用(yong)(yong)更大(da)的(de)(de)(de)DOF。使用(yong)(yong)額外的(de)(de)(de)照明（無論是(shi)添(tian)加設備還是(shi)確保陽光(guang)(guang)(guang)充(chong)足）可以利用(yong)(yong)較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)圈，例如在晴天(tian)拍攝(she)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)是(shi)f/25光(guang)(guang)(guang)圈。

此外，通過(guo)使用(yong)(yong)可以(yi)(yi)捕(bu)獲RAW圖像(xiang)的(de)(de)相機，例(li)如Teledyne Lumenera Lt1245R，可以(yi)(yi)對圖像(xiang)進行處理(li)，顯示(shi)出(chu)的(de)(de)圖像(xiang)數(shu)據(ju)(ju)比(bi)默認顯示(shi)數(shu)據(ju)(ju)更(geng)多(duo)。圖7舉(ju)出(chu)了一個示(shi)例(li)，可以(yi)(yi)通過(guo)操縱(zong)圖像(xiang)數(shu)據(ju)(ju)來(lai)顯示(shi)似乎很(hen)暗沉的(de)(de)目(mu)標。將增強的(de)(de)f/36圖像(xiang)與(yu)使用(yong)(yong)f/5.6光圈成像(xiang)的(de)(de)相同目(mu)標進行比(bi)較(jiao)時，可以(yi)(yi)看到DOF的(de)(de)差異。

增益

為(wei)了調整獲得(de)更(geng)大(da)的(de)DOF并(bing)使大(da)部分圖(tu)(tu)像(xiang)聚(ju)焦，相機可(ke)能需要增加(jia)(jia)增益(yi)值。增加(jia)(jia)增益(yi)后，靈敏度(du)會提升(sheng)，雖然會產生更(geng)明(ming)亮(liang)的(de)圖(tu)(tu)像(xiang)，但圖(tu)(tu)像(xiang)會包(bao)含更(geng)多的(de)噪(zao)點，如(ru)圖(tu)(tu)8所示。過(guo)于(yu)(yu)依(yi)賴增益(yi)來提高(gao)圖(tu)(tu)像(xiang)亮(liang)度(du)而不(bu)是讓更(geng)多光(guang)線(xian)進入(ru)光(guang)圈更(geng)寬的(de)鏡頭可(ke)能會導(dao)致拍攝的(de)圖(tu)(tu)像(xiang)質量(liang)差。延長曝光(guang)時(shi)間(jian)(jian)，而不(bu)是增加(jia)(jia)增益(yi)，可(ke)以使噪(zao)聲更(geng)少(shao)，但如(ru)果目標處于(yu)(yu)移動狀態，可(ke)能會導(dao)致圖(tu)(tu)像(xiang)變模糊，這種(zhong)圖(tu)(tu)像(xiang)模糊問題更(geng)難解決(jue)。增益(yi)、快門速度(du)和光(guang)圈之間(jian)(jian)達到適(shi)當平衡的(de)狀態有助(zhu)于(yu)(yu)提高(gao)圖(tu)(tu)像(xiang)亮(liang)度(du)，而不(bu)會引(yin)入(ru)過(guo)多的(de)噪(zao)聲，同時(shi)保持目標聚(ju)焦。

快門速度

除(chu)了調節相機(ji)增益(yi)或鏡頭光(guang)圈之外，還可(ke)以調整快(kuai)門(men)(men)速(su)度。快(kuai)門(men)(men)關閉傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)速(su)度越快(kuai)，通過的(de)光(guang)線就(jiu)越少，從而(er)最大限度地減少傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)曝(pu)光(guang)的(de)時(shi)(shi)間。使(shi)(shi)用(yong)較慢的(de)快(kuai)門(men)(men)速(su)度稱為(wei)長時(shi)(shi)間曝(pu)光(guang)拍(pai)攝。讓相機(ji)在(zai)(zai)更(geng)長的(de)時(shi)(shi)間內在(zai)(zai)光(guang)線下拍(pai)攝，目標會更(geng)明亮。但是(shi)，如(ru)果目標靜(jing)止不動，這也可(ke)能導致圖(tu)(tu)像(xiang)發生動態模糊，其中使(shi)(shi)用(yong)慢快(kuai)門(men)(men)速(su)度捕獲車(che)輛圖(tu)(tu)像(xiang)。因此，諸(zhu)如(ru)車(che)輛之類的(de)移動目標可(ke)能需要更(geng)快(kuai)的(de)快(kuai)門(men)(men)速(su)度，并結合(he)更(geng)大的(de)光(guang)圈和更(geng)高(gao)的(de)增益(yi)來確保(bao)照明充足。

應用

光(guang)線不(bu)足時，使用(yong)大(da)光(guang)圈可能會是一個優點(dian)。對(dui)于(yu)(yu)機器(qi)視覺檢測(ce)甚至(zhi)低空(kong)航空(kong)成像等高幀率應(ying)用(yong)，亮度提(ti)升(sheng)有(you)助于(yu)(yu)確保圖像具有(you)清晰的圖像數據。

在進行機器視覺(jue)檢測時，如(ru)果被(bei)成(cheng)像物品數量(liang)增(zeng)加(jia)，那么對(dui)幀率的(de)(de)需(xu)(xu)求(qiu)也會(hui)增(zeng)加(jia)。光圈(quan)也需(xu)(xu)要按比(bi)例增(zeng)加(jia)，以確保高幀率錄制可(ke)以在充足的(de)(de)光線條件下成(cheng)像。然而(er)(er)，如(ru)前所述，光圈(quan)增(zeng)加(jia)會(hui)導致DOF變(bian)(bian)淺(qian)(qian)，DOF變(bian)(bian)淺(qian)(qian)對(dui)目標(biao)與(yu)鏡頭(tou)之間的(de)(de)距離容(rong)差最小(xiao)。這種類型的(de)(de)淺(qian)(qian)DOF在傳送(song)帶(dai)(dai)系統中得到了非常有效的(de)(de)利用(yong)，參見圖10，在傳送(song)帶(dai)(dai)系統中，產品不斷以固定距離高速通過相(xiang)機，但圖像仍(reng)聚焦、明亮。此外，使用(yong)大光圈(quan)后，相(xiang)機可(ke)以清晰分離目標(biao)前景(jing)和由于DOF較淺(qian)(qian)而(er)(er)可(ke)能存在于圖像背(bei)景(jing)中的(de)(de)任(ren)何其(qi)他物體。

光圈較小(xiao)也對需要較長DOF的(de)應用有(you)幫助。實現更長的(de)曝(pu)光或使用更高的(de)增益，相(xiang)機仍(reng)然可(ke)以拍攝出(chu)明亮的(de)圖像(xiang)，同時保(bao)持更多內容聚焦。對智能交通系統（ITS）等成(cheng)像(xiang)應用而言，這(zhe)種配置很實用，這(zhe)些應用面臨的(de)典型問題是確(que)保(bao)相(xiang)機能夠(gou)對不同距離的(de)車輛(liang)進行(xing)清(qing)晰成(cheng)像(xiang)。

P-Iris（一種精確鏡頭光圈控制器）

討論(lun)如何(he)利用鏡頭(tou)光圈(quan)期(qi)間，提出了一個重要(yao)的(de)警(jing)告。相機光圈(quan)通(tong)常在(zai)部署前(qian)配(pei)置，有時(shi)需要(yao)根據系統或操作條(tiao)件(jian)(jian)的(de)變化不斷手動調(diao)整(zheng)。解(jie)決(jue)這個問題需要(yao)利用可(ke)以快速調(diao)整(zheng)到相機的(de)準確(que)(que)光圈(quan)值的(de)軟件(jian)(jian)解(jie)決(jue)方案(an)，而無需物(wu)理靠(kao)(kao)近。Precision Iris（精確(que)(que)光圈(quan)），也稱P-Iris，是一種無需事先配(pei)置鏡頭(tou)即可(ke)調(diao)整(zheng)光圈(quan)的(de)軟件(jian)(jian)解(jie)決(jue)方案(an)。P-Iris能(neng)夠可(ke)靠(kao)(kao)保持并返回至特(te)定的(de)光圈(quan)值，同(tong)時(shi)還能(neng)夠在(zai)增益和快門速度處于(yu)預定極限的(de)艱難條(tiao)件(jian)(jian)下調(diao)節光圈(quan)。

結論

大(da)多(duo)數成(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)一(yi)直以(yi)(yi)來都面臨著是(shi)否能夠拍攝光線充(chong)足且聚(ju)焦清(qing)晰(xi)的(de)(de)圖像(xiang)(xiang)的(de)(de)問題。然而，許多(duo)成(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)實際情況是(shi)，在(zai)不受控環境（例如戶外應用）中，光線可(ke)能并不充(chong)足或變化(hua)較大(da)。通過了解光圈(quan)的(de)(de)光學影響及其與(yu)快門速度和增益的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)，可(ke)以(yi)(yi)進(jin)行精確(que)調整，以(yi)(yi)優化(hua)成(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)，確(que)保即(ji)使(shi)在(zai)最具挑戰性(xing)的(de)(de)條件(jian)下也能夠捕(bu)獲到(dao)最佳(jia)圖像(xiang)(xiang)。