Von Mark Peterson, VP Advanced Technology bei Theia Technologies.

Die heutigen Megapixel-Kameras haben viele Vorteile, solange man das richtige Objektiv für die jeweilige Aufgabe hat. Wenn es darum geht, große Bereiche abzudecken oder die Kosten durch die Installation von weniger Kameras zu senken, ist das Objektiv ein Weitwinkelobjektiv. Bis vor kurzem gab es nur Fisheye-Objektive für ein extrem weites Sichtfeld. Fisheye-Objektive erzeugen ein gekrümmtes und verzerrtes Bild, das niemandem zu gefallen scheint. Diese starke Verzerrung führt zu Auflösungsverlusten an den Bildrändern.

Im vergangenen Jahr wurde ein neues geradliniges Objektiv entwickelt, das ein anderes, ultraweites Sichtfeld ohne die tonnenförmige Verzerrung und den Verlust der Randauflösung von Fisheye-Objektiven bietet. Dieser Bericht gibt einen Überblick über die Technologie von Weitwinkelobjektiven und darüber, wie wir die Fisheye-Verzerrung mithilfe der Linear Optical Technology® überwinden.

Küssende Vettern

Die reale Welt ist voll von dreidimensionalen Menschen und Objekten. Die Darstellung dieser Welt auf einer zweidimensionalen Ebene in einer Kamera führt zu einigen optischen Effekten, insbesondere bei der Betrachtung durch ein Weitwinkelobjektiv.

Bei der Konstruktion von Weitwinkelobjektiven gibt es zwei Ansätze:

• – Gleiche Winkelabstände – jedes Pixel erhält einen gleichen Winkel, was zu einer tonnenförmigen Verzerrung des Bildes führt
• – Gleiche planare Abstände – jedes Pixel bildet einen gleichen Abstand in einer Ebene ab; dies ist ein geradliniges Objektiv

Die meisten Weitwinkelobjektive, einschließlich Fisheye-Objektive, haben eine tonnenförmige Verzeichnung, die dadurch entsteht, dass gleiche Winkelabschnitte der Welt auf den Sensor abgebildet werden. Eine enge Verwandtschaft, die in der Anwendung ähnlich ist, sich aber von der Konstruktion unterscheidet, ist die Abbildung gleicher ebener Abstände in der realen Welt auf den Bildsensor mit einem geradlinigen Objektiv. Bis vor kurzem waren geradlinige Objektive für Weitwinkelanwendungen nicht verfügbar. Theia Technologies hat an der Entwicklung dieses Objektivtyps gearbeitet.

Geradlinige Objektive sorgen dafür, dass gerade Linien in der realen Welt gerade auf den Bildsensor abgebildet werden. Dadurch entsteht ein Effekt, der als 3D-Stretching oder Lean-Over bezeichnet wird und bei dem Objekte am Bildrand gestreckt erscheinen, weil sie auf eine Ebene entlang des Tangentenwinkels vom Objektiv „abgeflacht“ werden. Je größer das Sichtfeld (bei geradlinigen Objektiven), desto deutlicher ist dieser Effekt. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Auflösung an den Rändern des Bildes aufgrund der 3D-Dehnung.

In der folgenden Abbildung sind beide Autos gleich breit, aber da Auto B viel schräger gesehen wird, erscheint es gestreckt. Die Autos sind gleich breit, weil sie sich in der gleichen Ebene senkrecht zur Kamera befinden und das Objektiv diese gleichen ebenen Abmessungen in gleichen Abständen auf den Sensor abbildet. Die Länge wird durch die Abflachung auf der Sensorebene gestreckt.

Das Bild zeigt die 3D-Streckung eines geradlinigen Ultraweitwinkelobjektivs.

Der weitwinklige Cousin des geradlinigen Objektivs hat die bekannte tonnenförmige Verzeichnung, die bei fast allen Weitwinkelobjektiven mit einem Bildwinkel von mehr als 80 Grad auftritt, einschließlich Fischaugenobjektiven. Diese Verzeichnung bewirkt, dass das Bild gekrümmt aussieht und die Auflösung sinkt, je weiter sich das Objekt von der Bildmitte entfernt.

Der Verzerrungseffekt kann mit Software beseitigt werden (Erstellung eines geradlinigen Objektivbildes), was jedoch Zeit und Rechenleistung kostet. Objekte an den Rändern des Bildes werden komprimiert, und es gehen Detailinformationen verloren. Die Informationen sind bereits auf dem Weg durch das Objektiv verloren gegangen, und keine noch so gute Software (im Gegensatz zu Hollywoods Auffassung von Videoüberwachung) kann diese Informationen wiederherstellen.

Natürlicher Lebensraum von Weitwinkelobjektiven

Weitwinkelobjektive sind kein Allheilmittel, aber es gibt viele Anwendungen, die von ihrem Einsatz profitieren. Bei Anwendungen, die einen großen Erfassungsbereich erfordern, ist ein Ultraweitwinkelobjektiv an einer Megapixel-Kamera eine Möglichkeit zur Kosteneinsparung, die in Betracht gezogen werden sollte. Weitwinkelobjektive können

• – die Anzahl der Kameras reduzieren, die zur Abdeckung eines Bereichs erforderlich sind, was die Kosten für Installation, Wartung und Überwachung senkt,
• – anstelle einer PTZ-Kamera verwendet werden, wenn eine PTZ-Funktion nach einem Vorfall gewünscht ist,
• – große Bereiche wie Parkplätze, Schulen und Baustellen effektiv überwachen und
• – für Anwendungen im Nahbereich wie Geldautomaten, Garageneingänge mit Kartenverriegelung und mehrtürige Eingänge, bei denen sowohl eine hohe Bildschärfe als auch ein großes Sichtfeld erforderlich sind.

Fazit

Megapixel-Kameras benötigen leistungsstarke Weitwinkelobjektive, die hochauflösende Bilder von großen Bereichen darstellen können. Fisheye-Objektive erzeugen tonnenförmig verzerrte, gekrümmte Bilder, die eine Bildkorrektur per Software erfordern, während geradlinige Objektive die Verzerrung optisch im Objektiv korrigieren – eine elegante und effiziente Lösung.

https://media.theiatech.com/documents/theia-whitepaper-eliminate-distortion-in-wide-angle-lens