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Ópticas de Visión Artificial: Aberraciones y Distorsión

En la Parte 1 y la Parte 2 de esta serie de blogs sobre óptica de visión artificial, cubrimos una variedad de parámetros que contribuyen a la calidad general de la imagen. También echamos un vistazo fundamental a los gráficos MTF y cómo funcionan.

En el blog de esta semana continuaremos con las ópticas de visión artificial, exploraremos varias aberraciones y distorsiones, y destacaremos estos conceptos críticos a considerar al decidir sobre ópticas para un sistema de visión artificial.

Aberraciones

Es esencial que los diseñadores e integradores de sistemas de visión consideren todas las formas posibles en que la luz puede distorsionarse a través de una lente. Sin esta previsión, se podría estar desperdiciando dinero en una lente que no está optimizada para la cámara con la que se usa, a pesar de ser de alta calidad.

Ya en 1857, se definieron cinco tipos clave de aberraciones de ópticas: curvatura de campo, aberración esférica, astigmatismo, distorsión y coma. Naturalmente, las imágenes en color no existían en este punto (aunque solo serían cuatro años después, en 1861), por lo que este tipo de aberraciones solo se aplicaba a imágenes monocromáticas. Desde entonces, se han identificado otros dos tipos, las aberraciones cromáticas axiales y laterales, que también pueden surgir al obtener imágenes con luz policromática.

Curvatura de campo

En términos simples, la curvatura del campo (también conocida como curvatura del campo Petzval) es un problema muy común en la óptica que hace que el objeto dentro de un campo de visión aparezca nítido solo en ciertas partes de la imagen, en lugar de que todo el objeto aparezca uniformemente nítido.

Esta imagen representa un objetivo de rayos de estrella de Siemens, obtenido a través de una lente que muestra la aberración de la curvatura del campo. Como se puede apreciar, a pesar de ser una imagen plana, los bordes están borrosos y desenfocados, mientras que el centro de la imagen es más nítido y muestra un mejor contraste.

El nombre de esta aberración se debe a que la profundidad de campo en sí está curvada. Pensar en este concepto desde una perspectiva plana puede ayudar a comprenderlo en la práctica.

¿Qué ópticas tienen problemas de curvatura de campo?

La respuesta corta es la mayoría, si no todas. Cada óptica producirá una imagen con un cierto grado de curvatura de campo, pero como era de esperar, las lentes de mayor calidad generalmente mostrarán una curvatura de campo mucho menor que las más baratas. La mejor manera de verificar esto es mirar los gráficos de MTF para una lente determinada, prestando atención al sensor específico que se usa para registrar los datos, ya que este suele ser un sensor óptimo para la lente.

Aberración esférica

Las aberraciones esféricas generalmente ocurren en ópticas más viejas y de peor calidad. Lo que sucede es que los rayos de luz que pasan por el eje horizontal de una lente convergen en diferentes puntos dependiendo de si están más cerca del centro o de la periferia del campo de visión después de haber atravesado la lente.

Una lente perfecta que no muestre ninguna aberración esférica permitiría que todos los rayos convergieran en el mismo punto focal.

Lentes Asféricas

Muchas ópticas modernas utilizan elementos de cristal de diferentes formas, tales como lentes asféricas. Esta forma de cristal está diseñada para corregir los rayos de luz con el fin de reducir la refracción y guiar los rayos de luz para que converjan en el mismo punto focal, reduciendo así la aberración esférica.

Astigmatismo

El astigmatismo es similar a la curvatura de campo en que afecta la nitidez de esquina a esquina, con áreas más nítidas típicamente presentes en el centro del encuadre. La diferencia es que el astigmatismo también afectará a la magnificación en todo el encuadre, por lo que estas áreas generalmente tendrán incluso menos claridad que la curvatura del campo por sí sola.

Distorsión Geométrica

Hay dos tipos clave de distorsión geométrica a considerar en las ópticas de visión artificial: distorsión óptica y distorsión de perspectiva.

La distorsión óptica es el resultado de la composición física o el diseño óptico de las lentes, mientras que la distorsión de la perspectiva tiene que ver con la posición del objeto de destino en relación con el lugar donde se encuentra la cámara. Por ejemplo, una distancia de trabajo muy cercana puede hacer que los objetos parezcan más grandes de lo que son; esto suele verse afectado directamente por la distancia focal (mm).

La distorsión óptica se presenta en tres formas clave: barril, pincushion y moustache.

Distorsión Pincushion, Distorsión de barril, y Distorsión Moustache

La distorsión pincushion ocurre cuando el campo de visión de la lente es más estrecho que el tamaño del sensor de imagen. La ampliación aumenta en las esquinas del marco, empujando los bordes y deformando las líneas rectas de la imagen.

Por el contrario, la distorsión de barril se produce cuando el campo de visión de la lente es más amplio que el tamaño del sensor de imagen. Esto da como resultado líneas rectas que se curvan hacia adentro y que las esquinas de los objetos se suavizan hacia la periferia del marco.

La distorsión de moustache es ampliamente aceptada como el tipo de distorsión óptica más desafiante y difícil de manejar. Esto se debe a que muestra elementos tanto de pincushion como de barril. Intentar ajustar la imagen en el postprocesado para una de las distorsiones puede magnificar la otra. Si tiene problemas con una lente y le gustaría hablar con uno de nuestros expertos en visión artificial, no dude en contactarnos.

Aberración cromática

Hay dos tipos de aberraciones cromáticas: axial y lateral.

Las aberraciones cromáticas axiales son causadas por diferencias en las longitudes de onda particulares de la luz.

Esta aberración da como resultado colores nublados tanto detrás como delante de la posición de enfoque. Esta variación se debe al hecho de que cada color tiene un punto focal diferente. Las aberraciones cromáticas axiales son más notorias en los bordes y esquinas de una imagen donde el brillo es más alto de lo normal.

Las aberraciones cromáticas laterales se producen cuando diferentes longitudes de onda de luz se amplían en diferentes grados, lo que parece como si los detalles finos de la imagen estuvieran borrosos en colores opuestos a ambos lados de las zonas características de la imagen; esto se puede ver en el borde rojo y cian en la imagen de abajo..

Esta imagen de un frame grabber muestra viñeteo severo, distorsión pincushion y aberración cromática.

La imagen de arriba se ha exagerado para mostrar más claramente los diferentes defectos en la calidad de la imagen. La aberración cromática se ve con más frecuencia en los bordes y esquinas de la imagen, generalmente en ópticas de gran apertura, y como este error solo ocurre en cámaras a color, muchos usuarios piensan que este efecto no deseado se debe a la cámara; sin embargo, esta aberración es causada por la lente. 

Cómo reducir o eliminar aberraciones en la imagen

A menudo, la mayoría de las ópticas experimentan niveles básicos de aberraciones, ya que en la actualidad es casi imposible fabricar una lente "perfecta" que perciba la luz exactamente como ésta es físicamente. La curvatura del campo, las aberraciones esféricas y las aberraciones cromáticas son difíciles de evitar, pero se pueden reducir. La mejor manera de lograrlo es usando un f-stop alto, también conocido como reducir la apertura de la lente.

Las aspas de apertura dentro de una lente bloquearán los bordes exteriores de las lentes esféricas. Simplemente reduciendo la cantidad de luz que pasa a través de la lente, se reduce el potencial de aberraciones y distorsiones. Sin embargo, esto tiene un costo de exposición y contraste, por lo que es importante equilibrar las escalas al ajustar la apertura.

Ayudándote a Tomar la Decisión Correcta en tu Sistema de Visión Artificial

Estén atentos a esta serie de blogs la semana que viene, ya que volveremos a poner el foco en la óptica para una última entrega de este mes, recapitulando todo lo que hemos aprendido hasta ahora y poniéndolo en práctica con una guía para elegir la óptica correcta.

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