Kuelewa Sampuli ya Nyquist: Kusawazisha Azimio la Macho na Kamera |

Katika taswira ya dijiti, ni rahisi kudhani kuwa azimio la juu kiotomatiki linamaanisha picha bora. Watengenezaji wa kamera mara nyingi huuza mifumo kulingana na hesabu za megapixel, huku watengenezaji wa lenzi huangazia nguvu na ukali wa utatuzi. Hata hivyo, katika mazoezi, ubora wa picha hautegemei tu vipimo vya lenzi au kihisi kimoja bali pia jinsi zinavyolingana.

Hapa ndipo sampuli ya Nyquist inapotumika. Hapo awali ilikuwa kanuni kutoka kwa usindikaji wa mawimbi, kigezo cha Nyquist huweka mfumo wa kinadharia wa kunasa maelezo kwa usahihi. Katika kupiga picha, inahakikisha kwamba azimio la macho linalotolewa na lenzi na azimio la dijiti la kihisi cha kamera hufanya kazi pamoja kwa upatanifu.

Makala haya yanachambua sampuli za Nyquist katika muktadha wa upigaji picha, yanafafanua usawa kati ya azimio la macho na kamera, na hutoa miongozo ya vitendo kwa matumizi kuanzia upigaji picha hadi upigaji picha wa kisayansi.

Sampuli ya Nyquist ni nini?

Kielelezo cha 1: Nadharia ya sampuli ya Nyquist

Juu:Ishara ya sinusoidal (cyan) inapimwa, au sampuli, kwa pointi nyingi. Mstari wa kijivu wa muda mrefu unawakilisha kipimo 1 kwa kila mzunguko wa ishara ya sinusoidal, kukamata kilele cha ishara tu, kuficha kabisa asili ya kweli ya ishara. Mviringo mwekundu uliopinda vizuri hunasa kwa vipimo 1.1 kwa kila sampuli, ikionyesha sinusoid lakini ikiwakilisha kimakosa mzunguko wake. Hii ni sawa na muundo wa Moiré.

Chini:Ni wakati tu sampuli 2 zinachukuliwa kwa kila mzunguko (laini yenye vitone vya zambarau) ndipo asili halisi ya mawimbi huanza kunaswa.

Nadharia ya sampuli ya Nyquist ni kanuni inayojulikana katika usindikaji wa mawimbi katika vifaa vya elektroniki, usindikaji wa sauti, upigaji picha na nyanja zingine. Nadharia inaweka wazi kwamba ili kuunda upya mzunguko fulani katika mawimbi, vipimo lazima vifanywe angalau mara mbili ya mzunguko huo, ulioonyeshwa kwenye Mchoro 1. Katika hali ya azimio letu la macho, hii ina maana kwamba saizi ya pikseli ya nafasi ya kitu chetu lazima iwe angalau nusu ya maelezo madogo zaidi tunayojaribu kunasa, au, katika kesi ya darubini, nusu ya azimio la darubini.

Kielelezo cha 2: Sampuli ya Nyquist yenye pikseli za mraba: mwelekeo ni muhimu

Kwa kutumia kamera iliyo na gridi ya pikseli za mraba, kipengele cha sampuli 2x cha nadharia ya Nyquist kitanasa kwa usahihi tu maelezo ambayo yamepangwa kikamilifu kwenye gridi ya pikseli. Ukijaribu kusuluhisha miundo kwa pembe ya gridi ya pikseli, saizi ya pikseli inayofaa ni kubwa, hadi mara √2 zaidi kwenye ulalo. Kwa hivyo, kiwango cha sampuli lazima kiwe mara 2√2 ya marudio ya anga yanayohitajika ili kunasa maelezo katika 45o hadi gridi ya pikseli.

Sababu ya hii inafanywa wazi kwa kuzingatia Mchoro 2 (nusu ya juu). Hebu fikiria ukubwa wa pikseli umewekwa kwa mwonekano wa mwonekano, ukitoa kilele cha vyanzo viwili vya uhakika, au maelezo yoyote tunayojaribu kutatua, kila pikseli yake. Ingawa hivi basi hugunduliwa tofauti, hakuna dalili katika vipimo vinavyotokana kwamba ni vilele viwili tofauti - na kwa mara nyingine ufafanuzi wetu wa "kusuluhisha" haujafikiwa. Pikseli katikati inahitajika, ikichukua mkondo wa mawimbi. Hii inafanikiwa kupitia angalau maradufu kiwango cha sampuli ya anga, yaani kupunguza ukubwa wa saizi ya nafasi ya kitu.

Azimio la Macho dhidi ya Azimio la Kamera

Ili kuelewa jinsi sampuli ya Nyquist inavyofanya kazi katika kupiga picha, tunahitaji kutofautisha kati ya aina mbili za azimio:

● Azimio la Macho: Ikibainishwa na lenzi, azimio la macho hurejelea uwezo wake wa kutoa maelezo mazuri. Vipengele kama vile ubora wa lenzi, kipenyo, na utengano huweka kikomo hiki. Chaguo za kukokotoa za uhamishaji wa moduli (MTF) mara nyingi hutumika kupima jinsi lenzi inavyosambaza utofautishaji katika masafa tofauti ya anga.

● Ubora wa Kamera: Kulingana na kitambuzi, ubora wa kamera hutegemea ukubwa wa pikseli, sauti ya pikseli na vipimo vya jumla vya vitambuzi. Kiwango cha pikseli cha aKamera ya CMOSinafafanua moja kwa moja mzunguko wake wa Nyquist, ambayo huamua maelezo ya juu ambayo sensor inaweza kukamata.

Wakati haya mawili hayalingani, matatizo hutokea. Lens ambayo inazidi nguvu ya kutatua ya sensor ni kwa ufanisi "kupotea", kwani sensor haiwezi kukamata maelezo yote. Kinyume chake, kitambuzi cha ubora wa juu kilichounganishwa na lenzi ya ubora wa chini husababisha picha ambazo haziboreshi licha ya megapikseli zaidi.

Jinsi ya Kusawazisha Azimio la Macho na Kamera

Kusawazisha optics na vitambuzi kunamaanisha kulinganisha mzunguko wa Nyquist wa kitambuzi na masafa ya kukatika kwa lenzi.

● Masafa ya sauti ya Nyquist ya kihisi cha kamera huhesabiwa kama 1 / (2 × sauti ya pikseli). Hii inabainisha masafa ya juu zaidi ya anga ambayo kihisi kinaweza kusampuli bila kutambulishwa.
● Masafa ya kukatika kwa macho hutegemea sifa na mgawanyiko wa lenzi.

Kwa matokeo bora zaidi, masafa ya Nyquist ya kihisi yanapaswa kusawazishwa na au kuzidi kidogo uwezo wa utatuzi wa lenzi. Kwa mazoezi, kanuni nzuri ya kidole gumba ni kuhakikisha sauti ya pikseli ni takriban nusu ya ukubwa wa kipengele kinachoweza kutatuliwa cha lenzi.

Kwa mfano, ikiwa lenzi inaweza kutatua maelezo hadi mikromita 4, basi kitambuzi chenye saizi za pikseli ~ 2 mikromita itasawazisha mfumo vizuri.

Inalinganisha Nyquist na Azimio la Kamera & Changamoto ya Pixels za Mraba

Kubadilishana na kupungua kwa saizi ya pikseli ya nafasi ya kitu ni kupungua kwa uwezo wa kukusanya mwanga. Kwa hiyo ni muhimu kusawazisha haja ya azimio na kwa ajili ya kukusanya mwanga. Zaidi ya hayo, saizi kubwa za saizi za nafasi ya kitu huwa na uga mkubwa wa mtazamo wa somo la taswira. Kwa programu ambazo zinahitaji utatuzi mzuri, salio bora la 'kanuni ya kidole gumba' inasemekana kutekelezwa kama ifuatavyo: Ukubwa wa saizi ya nafasi ya kitu, unapozidishwa na kipengele fulani ili kutoa akaunti ya Nyquist, inapaswa kuwa sawa na azimio la macho. Kiasi hiki kinaitwa azimio la kamera.

Kusawazisha optics na vitambuzi mara nyingi huja chini ili kuhakikisha kuwa utatuzi bora wa sampuli wa kamera unalingana na kikomo cha azimio cha macho cha lenzi. Mfumo unasemekana "kulingana na Nyquist" wakati:

Azimio la kamera = Azimio la macho

Ambapo azimio la kamera limetolewa na:

Sababu ya akaunti ya Nyquist ambayo inapendekezwa mara nyingi ni 2.3, sio 2. Sababu ya hii ni kama ifuatavyo.

Pikseli za kamera ni (kawaida) za mraba, na zimepangwa kwenye gridi ya 2-D. Saizi ya pikseli jinsi inavyofafanuliwa kwa matumizi katika mlinganyo kinyume inawakilisha upana wa saizi kwenye shoka za gridi hii. Iwapo vipengele tunavyojaribu kusuluhisha vitakuwa katika pembe yoyote isipokuwa kizidishio kamili cha 90° ikilinganishwa na gridi hii, saizi ya pikseli inayofaa itakuwa kubwa, hadi √2 ≈ mara 1.41 ya saizi ya pikseli kwa 45°. Hii imeonyeshwa kwenye Mchoro 2 (nusu ya chini).

Sababu inayopendekezwa kulingana na kigezo cha Nyquist katika mielekeo yote itakuwa 2√2 ≈ 2.82. Hata hivyo, kutokana na biashara iliyotajwa hapo awali kati ya azimio na ukusanyaji wa mwanga, thamani ya maelewano ya 2.3 inapendekezwa kama kanuni ya kawaida.

Jukumu la Sampuli ya Nyquist katika Upigaji picha

Sampuli ya Nyquist ndiye mlinzi wa lango la uaminifu wa picha. Wakati kiwango cha sampuli kinaanguka chini ya kikomo cha Nyquist:

● Sampuli za chini → husababisha majina ya bandia: maelezo ya uwongo, kingo zilizochongoka, au mifumo ya moiré.

● Usampulishaji kupita kiasi → hunasa data zaidi kuliko uwezo wa macho kuwasilisha, na hivyo kusababisha mapato kupungua: faili kubwa na mahitaji ya juu ya uchakataji bila uboreshaji unaoonekana.

Sampuli sahihi huhakikisha kuwa picha ni kali na kweli kwa uhalisia. Inatoa usawa kati ya ingizo la macho na kunasa dijiti, kuepuka utatuzi uliopotea kwa upande mmoja au vizalia vya programu vinavyopotosha kwa upande mwingine.

Vitendo Maombi

Sampuli ya Nyquist sio nadharia tu - ina matumizi muhimu katika taaluma za upigaji picha:

● Maikrofoni:Watafiti lazima wachague vitambuzi vinavyotoa sampuli angalau mara mbili ya maelezo madogo zaidi yanayoweza kutatuliwa na lenzi inayolengwa. Kuchagua hakikamera ya hadubinini muhimu, kwani saizi ya pikseli lazima ilingane na azimio lenye kikomo cha mgawanyiko wa lengo la hadubini. Maabara ya kisasa mara nyingi hupendeleaKamera za sCMOS, ambayo hutoa usawa wa unyeti, masafa inayobadilika, na miundo bora ya pikseli kwa upigaji picha wa kibayolojia wa utendakazi wa juu.

● Upigaji picha:Kuoanisha vitambuzi vya megapixel ya juu na lenzi ambazo haziwezi kutatua maelezo mafupi sawa mara nyingi husababisha uboreshaji mdogo wa ukali. Wapigapicha wa kitaalamu husawazisha lenzi na kamera ili kuepuka utatuzi wa kupita kiasi.

● Maono ya Mashine &Kamera za kisayansiKatika udhibiti wa ubora na ukaguzi wa viwanda, kukosa vipengele vidogo kutokana na sampuli ndogo kunaweza kumaanisha kuwa sehemu zenye kasoro hazitambuliki. Usampulishaji kupita kiasi unaweza kutumika kimakusudi kwa ukuzaji wa kidijitali au uchakataji ulioimarishwa.

Wakati wa Kulinganisha Nyquist: Sampuli nyingi na Usampulishaji Chini

Sampuli ya Nyquist inawakilisha uwiano bora, lakini kiutendaji, mifumo ya upigaji picha inaweza kuzidisha sampuli kimakusudi au sampuli ndogo kulingana na programu.

Undersampling ni nini

Katika hali ya programu ambapo unyeti ni muhimu zaidi kuliko kusuluhisha maelezo madogo kabisa, kutumia saizi ya saizi ya nafasi ya kitu ambayo ni kubwa kuliko mahitaji ya Nyquist inaweza kusababisha faida kubwa za ukusanyaji wa mwanga. Hii inaitwa undersampling.

Hii inatoa maelezo mazuri, lakini inaweza kuwa na faida wakati:

● Unyeti ni muhimu: pikseli kubwa hukusanya mwanga zaidi, na kuboresha uwiano wa mawimbi hadi kelele katika upigaji picha wa mwanga wa chini.
● Kasi ni muhimu: pikseli chache hupunguza muda wa kusoma, hivyo basi upataji wa haraka zaidi.
● Ufanisi wa data unahitajika: ukubwa wa faili ndogo unapendekezwa katika mifumo isiyo na kipimo data.

Mfano: Katika upigaji picha wa kalsiamu au volteji, mawimbi mara nyingi huwa wastani juu ya maeneo yanayokuvutia, kwa hivyo kufanya sampuli ndogo kunaboresha mkusanyiko wa mwanga bila kuathiri matokeo ya kisayansi.

Oversampling ni nini

Kinyume chake, programu nyingi ambazo kusuluhisha maelezo mazuri ni muhimu, au programu zinazotumia mbinu za uchanganuzi wa baada ya kupata data ili kurejesha maelezo ya ziada zaidi ya kikomo cha mgawanyiko, zinahitaji pikseli ndogo za upigaji picha kuliko mahitaji ya Nyquist, inayoitwa oversampling.

Ingawa hii haiongezi azimio la kweli la macho, inaweza kutoa faida:

● Huwasha ukuzaji wa kidijitali kwa hasara ya ubora mdogo.
● Huboresha uchakataji (km, upunguzaji, uondoaji sauti, azimio kuu).
● Hupunguza jina la utani linaloonekana wakati picha zinapunguzwa sampuli baadaye.

Mfano: Katika hadubini, kamera ya sCMOS ya mwonekano wa juu inaweza kuzidisha miundo ya simu za mkononi ili algoriti za ukokotoaji ziweze kutoa maelezo mazuri zaidi ya kikomo cha mgawanyiko.

Dhana Potofu za Kawaida

1, Megapixels zaidi daima humaanisha picha kali zaidi.
Si kweli. Ukali hutegemea nguvu ya utatuzi ya lenzi na ikiwa sampuli za vitambuzi ipasavyo.

2, Lenzi yoyote nzuri hufanya kazi vizuri na kihisi chochote cha azimio la juu.
Ulinganifu duni kati ya azimio la lenzi na sauti ya pikseli itapunguza utendakazi.

3、 Sampuli ya Nyquist inafaa tu katika usindikaji wa mawimbi, sio upigaji picha.
Kinyume chake, upigaji picha wa kidijitali kimsingi ni mchakato wa sampuli, na Nyquist inafaa hapa kama ilivyo kwa sauti au mawasiliano.

Hitimisho

Sampuli ya Nyquist ni zaidi ya ufupisho wa kihisabati - ni kanuni inayohakikisha azimio la macho na dijiti kufanya kazi pamoja. Kwa kusawazisha uwezo wa utatuzi wa lenzi na uwezo wa sampuli za vitambuzi, mifumo ya kupiga picha inapata uwazi wa juu bila mabaki au uwezo uliopotea.

Kwa wataalamu katika nyanja mbalimbali kama vile hadubini, unajimu, upigaji picha na uwezo wa kuona kwa mashine, kuelewa sampuli ya Nyquist ni muhimu katika kubuni au kuchagua mifumo ya upigaji picha inayotoa matokeo ya kuaminika. Hatimaye, ubora wa picha hautokani na kusukuma uainishaji mmoja hadi uliokithiri bali kutoka kwa kufikia usawa.

Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara

Nini kitatokea ikiwa sampuli ya Nyquist haijaridhika kwenye kamera?
Kiwango cha sampuli kinaposhuka chini ya kikomo cha Nyquist, kitambuzi hakiwezi kuwakilisha maelezo mafupi kwa usahihi. Hii husababisha jina la utani, ambalo linaonekana kama kingo zilizochongoka, muundo wa moiré, au maumbo ya uwongo ambayo hayapo katika tukio halisi.

Saizi ya pixel inaathirije sampuli ya Nyquist?
Pikseli ndogo huongeza mzunguko wa Nyquist, kumaanisha kwamba kihisi kinaweza kutatua maelezo bora kinadharia. Lakini ikiwa lenzi haiwezi kutoa kiwango hicho cha azimio, saizi za ziada huongeza thamani kidogo na zinaweza kuongeza kelele.

Je, sampuli ya Nyquist ni tofauti kwa vitambuzi vya rangi ya monochrome dhidi ya?
Ndiyo. Katika kihisi cha monochrome, kila sampuli za pikseli huangazia moja kwa moja, kwa hivyo masafa madhubuti ya Nyquist yanalingana na sauti ya pikseli. Katika kihisishi cha rangi kilicho na kichujio cha Bayer, kila chaneli ya rangi haina sampuli ndogo, kwa hivyo azimio bora baada ya demosaicing ni chini kidogo.

Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com