Für Fotografie-Enthusiasten oder Praktiker im Bereich maschinelles Sehen ist das Objektiv wie ein menschliches Auge. Die komplexen Zahlen und Begriffe auf dem Objektiv – Brennweite, Blende, MTF – lassen die Menschen jedoch oft geblendet zurück. Diese Parameter sind nicht nur kalte Zahlen, sie bestimmen gemeinsam, was Sie letztendlich auf dem Bild sehen. Dieser Artikel führt Sie durch die Kernparameter optischer Objektive und enthüllt die Geheimnisse hinter der Bildqualität.

1. Grundlegende drei Elemente: Brennweite, Blende und Schärfentiefe

1. Brennweite
Die Brennweite, üblicherweise mit f bezeichnet, ist die grundlegendste Kennzeichnung eines Objektivs. Aus optischer Sicht bezieht sie sich auf den Abstand (in Millimetern) vom optischen Zentrum des Objektivs zur Fokusebene. Aus praktischer Sicht bestimmt die Brennweite jedoch zwei Schlüsseleffekte: den Blickwinkel und die Vergrößerung.

Kurze Brennweite (Weitwinkel): Kleiner Zahlenwert (z. B. 16 mm), großer Blickwinkel, kann eine breitere Szene aufnehmen, aber entfernte Objekte erscheinen kleiner. Geeignet für die Aufnahme von Landschaften oder Innenräumen mit begrenztem Platz.

Lange Brennweite (Teleobjektiv): Mit einem großen Wert (z. B. 200 mm) und einem engen Blickwinkel ist es wie ein Teleskop, das entfernte Objekte heran- und herauszoomen kann. Geeignet für die Aufnahme von Sportereignissen oder Wildtieren.

Es ist zu beachten, dass die Größe des Sensors den tatsächlichen Blickwinkel beeinflusst. Wenn beispielsweise dasselbe Objektiv an einer Kamera im APS-C-Format installiert ist, verengt sich der Blickwinkel, da der Sensor nur den zentralen Teil des Bildes erfasst, was einer Multiplikation der Brennweite um das 1,5-fache entspricht (äquivalente Brennweite).

2. Blende
Die Blende ist eine Öffnung im Objektiv, die zur Steuerung der einfallenden Lichtmenge dient. Ihr Wert wird durch den F-Wert angegeben, z. B. F1.4, F2.8, F5.6. Hier gibt es eine kontraintuitive Regel: Je kleiner der F-Wert, desto größer die Blende.
Lichtstrom: Je kleiner der F-Wert, desto mehr Licht fällt ein, was Vorteile bei Aufnahmen in Umgebungen mit wenig Licht bietet und höhere Verschlusszeiten ermöglicht, um Handzittern zu vermeiden.
Blendenkoeffizienten-Sequenz: Die Standard-F-Wert-Sequenz (z. B. 1,4, 2, 2,8, 4, 5,6...) hat bei jedem zweiten aufeinanderfolgenden Schritt einen Unterschied im einfallenden Licht um das Zweifache. Da die durchgelassene Lichtmenge umgekehrt proportional zum Quadrat des F-Wertes ist.

3. Schärfentiefe
Wenn Sie auf das Motiv fokussieren, ist der Bereich der klaren Abbildung vor und hinter dem Objekt die Schärfentiefe -1-3. Die Schärfentiefe wird von drei Faktoren beeinflusst, die auch mächtige Werkzeuge für Fotografen zur Erzeugung von Unschärfeeffekten sind:
Blende: Je größer die Blende (kleinerer F-Wert), desto geringer die Schärfentiefe (desto ausgeprägter die Hintergrundunschärfe); Je kleiner die Blende (größerer F-Wert), desto tiefer die Schärfentiefe (klare Vorder- und Rückansichten).
Brennweite: Je länger die Brennweite, desto geringer die Schärfentiefe; Je kürzer die Brennweite, desto tiefer die Schärfentiefe.
Aufnahmedistanz: Je näher das Objektiv am Motiv ist, desto geringer ist die Schärfentiefe.

2. Sichtfeld und Verzerrung: Sichtfeldwinkel und Verzerrung

4. Sichtfeldwinkel
Der Sichtfeldwinkel bezieht sich auf den Winkel des Szenenbereichs, den das Objektiv abdecken kann -6 Grad. Er ist umgekehrt proportional zur Brennweite und direkt proportional zur Sensorgröße.
Im maschinellen Sehen kann der horizontale Sichtfeldwinkel (ω H) mit der Sensorgröße (h) und der Brennweite (f) berechnet werden: ω H=2 tan ¹ (h/2f) -6. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn Sie bei gleicher Entfernung einen größeren Bereich sehen möchten, benötigen Sie eine kürzere Brennweite oder einen größeren Sensor.
5. Verzerrung
Verzerrung bezieht sich auf den Grad der Verzerrung eines Bildes, der die Klarheit nicht beeinträchtigt, sondern nur die Form.
Tonnenförmige Verzerrung: Das Bild ähnelt einem aufgeblasenen Ball, der sich nach außen ausdehnt, und einer geraden Linie, die sich nach außen biegt. Häufig bei Weitwinkelobjektiven zu sehen.
Kissenförmige Verzerrung: Das Bild ähnelt den vier Ecken eines Kissens, die sich nach innen zusammenziehen, und geraden Linien, die sich nach innen biegen. Häufig bei Teleobjektiven zu sehen.
Hochpräzisionsmesssysteme müssen Objektive mit geringer Verzerrung verwenden, andernfalls ist eine Softwarekalibrierung erforderlich.

3. Kernindikatoren der Bildqualität: Auflösung und MTF

6. Auflösung
Im Bereich der Objektive bezieht sich die Auflösung auf die Fähigkeit eines Objektivs, Objektdetails zu unterscheiden, gemessen in "Linienpaaren pro Millimeter" (lp/mm), was bedeutet, wie viele schwarze und weiße Linien pro Millimeter Abstand unterschieden werden können.
Die Auflösung des Objektivs muss mit der Pixelgröße der Kamera übereinstimmen. Wenn die Auflösung des Objektivs zu niedrig ist, kann die Kamera auch bei hohen Pixelzahlen keine Details darstellen. Gemäß dem Nyquist-Abtasttheorem sollte die Größe der Objektivlinie etwa das 2-fache der Pixelgröße betragen.

7. MTF-Kurve
MTF (Modulation Transfer Function) ist das wissenschaftlichste und umfassendste Werkzeug zur Bewertung der Bildqualität von Objektiven. Es ist keine einzelne Auflösung, die nur die ultimative Auflösung beschreibt, sondern spiegelt die Fähigkeit des Objektivs wider, Kontraste zu übertragen.
Horizontale Achse: Abstand vom Bildzentrum (Bildhöhe).
Vertikale Achse: Kontrastwiederherstellungsfähigkeit (1 für perfekte Wiederherstellung, 0 für vollständigen Verlust).
Interpretationstechnik: Je höher die Kurve, desto besser sind Kontrast und Auflösung des Objektivs; Je flacher die Kurve, desto besser ist die Konsistenz zwischen Zentrum und Rändern des Bildes.

4. Fortgeschrittene Terminologie: Es geht nicht nur ums Fotografieren

Im Bereich der professionellen Fotografie oder des maschinellen Sehens gibt es auch einige entscheidende Parameter:
8. Hintere Brennweite und Auflagemaß
Die hintere Brennweite bezieht sich auf den Abstand von der Oberfläche der letzten Linse des Objektivs zum Brennpunkt, was -1 ist. Beim Austausch des Objektivs oder der Verwendung eines Adapterrings ist es wichtig zu beachten, ob das Auflagemaß (der Abstand von der Bajonettebene zum Brennpunkt) übereinstimmt. Wenn beispielsweise ein Objektiv mit C-Schnittstelle (mit einem Auflagemaß von 17,526 mm) auf eine Kamera mit CS-Schnittstelle montiert wird, ist die Installation eines Zwischenrings erforderlich.

9. Hauptstrahlwinkel
Der Chief Ray Angle (CRA) bezieht sich auf den Winkel zwischen dem Hauptstrahl, der vom Objektiv emittiert wird, und der optischen Achse, was. Um sicherzustellen, dass das Licht reibungslos vom "Brunnen" der Sensorpixel empfangen werden kann, muss der CRA des Objektivs kleiner oder gleich dem CRA der Kamera sein, andernfalls kommt es zu Farbsäumen oder einer Abdunkelung an den Bildrändern (d. h. Color Shading-Phänomen).

10. Telezentrisches Objektiv
Bei einem normalen Objektiv gilt: Je näher ein Objekt am Objektiv ist, desto größer ist das Bild. Bei der Präzisionsmessung ist dieser Perspektivfehler jedoch nicht zulässig. Das telezentrische Objektiv ist mit einem speziellen optischen Pfad ausgestattet, um sicherzustellen, dass die Abbildungsvergrößerung über einen bestimmten Objektentfernungsbereich konstant bleibt, wodurch Parallaxe eliminiert wird und es zur bevorzugten Wahl für hochpräzise Messungen wird.