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。相機鏡頭也運行著一個類似人眼的系統，但這個光圈由金屬片制成，這些金屬片會聚形成光圈，光圈中心有一個開口。鏡頭的虹膜就是光圈，光圈最終會影響相機拍攝的最終圖像。

光圈越小，光線就越集中，景深（DOF）就會更大。這與到達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，光圈起著重要作用。但是有時候光圈與焦點以及亮度的關系可能并不理想。這篇博文介紹了調整光圈的各種方法、如何利用光圈光學的影響，并提供了在各種條件下獲得明亮且聚焦圖像的替代選項。

什么是光圈？

鏡頭的光圈是光線通過到達相機的開口。調整光圈意味著使用通常由鏡頭內金屬刀片或葉片組成的鏡頭光圈使開口更大或更小。光圈葉片數可能會有很大差異，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。當虹膜/光圈開口只稍微打開一點時，這種鏡頭稱為小光圈鏡頭，如圖3所示。

F-stop（光圈系數）

光圈開口越大，用來表示其大小的數字就越小，這一點比較難以理解。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”）等進行標記。與f/16相比，f/2代表的光圈更大，這似乎令人非常不解，其實因為在于這些數字都是分數。就好比?個比薩和1/16個比薩對比。在這種情況下，很明顯，f-stop數值較低表示鏡頭光圈開口較大，以便更多光線進入。

景深（DOF）和亮度

打開相機的鏡頭光圈后，光圈會增大并允許更多光線到達傳感器。因此相機會拍攝出非常明亮的圖像。但是，如果光圈開口過大，則會導致DOF顯著降低。這種現象通常被稱為窄DOF。DOF是圖像中保持聚焦的最近和最遠目標之間的距離。
DOF和通過鏡頭的光量成反比。因此，要使圖像充分聚焦，同時又要有足夠的光線清晰照亮目標，可能是一項艱巨的挑戰。 但是，到達傳感器的光線減少并不意味著相機不能利用更大的DOF。使用額外的照明（無論是添加設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，圖像越多部分會處于聚焦位置，從而提供有用的信息拍攝更遠的目標。 此外，通過使用可以捕獲RAW圖像的相機，例如Teledyne Lumenera Lt1245R，可以對圖像進行處理，顯示出的圖像數據比默認顯示數據更多。圖7舉出了一個示例，可以通過操縱圖像數據來顯示似乎很暗沉的目標。將增強的f/36圖像與使用f/5.6光圈成像的相同目標進行比較時，可以看到DOF的差異。

增益

為了調整獲得更大的DOF并使大部分圖像聚焦，相機可能需要增加增益值。增加增益后，靈敏度會提升，雖然會產生更明亮的圖像，但圖像會包含更多的噪點，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入光圈更寬的鏡頭可能會導致拍攝的圖像質量差。延長曝光時間，而不是增加增益，可以使噪聲更少，但如果目標處于移動狀態，可能會導致圖像變模糊，這種圖像模糊問題更難解決。增益、快門速度和光圈之間達到適當平衡的狀態有助于提高圖像亮度，而不會引入過多的噪聲，同時保持目標聚焦。

快門速度

除了調節相機增益或鏡頭光圈之外，還可以調整快門速度。快門關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間。使用較慢的快門速度稱為長時間曝光拍攝。讓相機在更長的時間內在光線下拍攝，目標會更明亮。但是，如果目標靜止不動，這也可能導致圖像發生動態模糊，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目標可能需要更快的快門速度，并結合更大的光圈和更高的增益來確保照明充足。

應用

光線不足時，使用大光圈可能會是一個優點。對于機器視覺檢測甚至低空航空成像等高幀率應用，亮度提升有助于確保圖像具有清晰的圖像數據。 在進行機器視覺檢測時，如果被成像物品數量增加，那么對幀率的需求也會增加。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，光圈增加會導致DOF變淺，DOF變淺對目標與鏡頭之間的距離容差最小。這種類型的淺DOF在傳送帶系統中得到了非常有效的利用，參見圖10，在傳送帶系統中，產品不斷以固定距離高速通過相機，但圖像仍聚焦、明亮。此外，使用大光圈后，相機可以清晰分離目標前景和由于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的應用有幫助。實現更長的曝光或使用更高的增益，相機仍然可以拍攝出明亮的圖像，同時保持更多內容聚焦。對智能交通系統（ITS）等成像應用而言，這種配置很實用，這些應用面臨的典型問題是確保相機能夠對不同距離的車輛進行清晰成像。

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，提出了一個重要的警告。相機光圈通常在部署前配置，有時需要根據系統或操作條件的變化不斷手動調整。解決這個問題需要利用可以快速調整到相機的準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，同時還能夠在增益和快門速度處于預定極限的艱難條件下調節光圈。 Teledyne Lumenera LtX45R相機系列中的每款相機都配備了接受P-Iris鏡頭的控制器。如需了解P-Iris的更多信息，請仔細閱讀博文《視覺系統需要采用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）。

結論

大多數成像系統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，許多成像系統的實際情況是，在不受控環境（例如戶外應用）中，光線可能并不充足或變化較大。通過了解光圈的光學影響及其與快門速度和增益的關系，可以進行精確調整，以優化成像系統，確保即使在最具挑戰性的條件下也能夠捕獲到最佳圖像。

審核編輯：郭婷