Eingebettete Bildverarbeitungssysteme sind stark von den Fähigkeiten ihrer Objektive abhängig. Die optischen Eigenschaften des Objektivs, wie Brennweite, Blendenöffnung und Bildwinkel, bestimmen die Schärfe, Tiefe und Breite des aufgenommenen Bildes. Diese Parameter beeinflussen zusammen mit Sensorgröße und -auflösung direkt die Fähigkeit des Systems, visuelle Daten zu analysieren und zu interpretieren. Daher wirkt sich der Objektivtyp – ob Autofokus oder Fixfokus – auf die Gesamtleistung aus, insbesondere bei Echtzeitverarbeitung.
Daher ist es entscheidend, die Unterschiede zwischen Autofokus- und Festbrennweitenobjektiven zu verstehen. In diesem Blog erfahren Sie mehr über diese beiden Objektivtypen und erhalten wichtige Einblicke in ihre Eigenschaften sowie optimale Anwendungsszenarien im Bereich der eingebetteten Bildverarbeitung.
Was ist ein Objektiv mit fester Brennweite?
Ein Objektiv mit fester Brennweite besitzt eine festgelegte und unveränderliche Brennweite. Einmal eingestellt, bleibt diese Brennweite konstant und ändert sich nicht mit dem Bildausschnitt. Solche Objektive werden während der Konstruktions- oder Fertigungsphase für eine bestimmte Anwendung oder Entfernung kalibriert, um optimale Bildschärfe im jeweiligen Entfernungsbereich zu gewährleisten.
Objektive mit fester Brennweite sind in Anwendungsszenarien vorteilhaft, die konsistente und vorhersagbare Bildergebnisse erfordern. Beispielsweise bieten sie in industriellen Anwendungen, in denen Objekte stets einen gleichbleibenden Abstand zur Kamera aufweisen, wie etwa bei Qualitätskontrollen am Fließband, Stabilität und Wiederholgenauigkeit.
Was ist ein Autofokus-Objektiv?
Ein Autofokus-Objektiv (AF) passt seine Schärfe automatisch an die Szene an. Im Gegensatz zu Objektiven mit manuellem Fokus, bei denen die Schärfe während der Entwicklung oder Ersteinrichtung vordefiniert werden muss, justiert ein Autofokus-Objektiv die Schärfe dynamisch, um das anvisierte Motiv oder den relevanten Bereich scharf abzubilden. Dies wird durch Sensoren und Algorithmen erreicht, die den optimalen Fokuspunkt ermitteln und es dem Objektiv ermöglichen, die Schärfe in Echtzeit anzupassen.
Autofokus-Objektive bieten ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit und Genauigkeit in eingebetteten Bildverarbeitungssystemen, von der industriellen Automatisierung bis hin zu medizinischen Geräten. Sie können sich kontinuierlich anpassen, um scharfe Bilder zu liefern, sei es ein Montageroboter, der Objekte unterschiedlicher Größe und Entfernung prüft, oder ein medizinisches Endoskop, das den menschlichen Körper manövriert.
Auswahlkriterien für Autofokus-Objektive im Vergleich zu Objektiven mit fester Fokussierung
Nähe
Der Abstand zwischen Kamera und Motiv spielt eine entscheidende Rolle bei der Objektivwahl und beeinflusst die Schärfe und Präzision der aufgenommenen Bilder. Autofokus-Objektive eignen sich besonders für wechselnde Entfernungen, insbesondere von 10 cm bis hin zu unendlichen Distanzen, da sie dynamische Anpassungen ermöglichen. Für eine feste Entfernung ist ein Objektiv mit festem Fokus hingegen besser geeignet und gewährleistet gleichbleibende Bildqualität ohne jegliche Anpassungen.
Beispiel: Bei Drohnen, die den Zustand von Nutzpflanzen aus unterschiedlichen Höhen überwachen, ist der Autofokus entscheidend, um sich an die verschiedenen Höhen anzupassen und so scharfe Bilder in unterschiedlichem Gelände zu gewährleisten. Ein Traktor mit einer fest installierten Kamera, der die Aussaat überwacht, bevorzugt hingegen möglicherweise einen festen Fokus, um konsistente und gleichmäßige Bilder des Aussaatvorgangs ohne Abweichungen zu liefern.
Schärfentiefe
Die Schärfentiefe (DoF) bezeichnet den Bereich zwischen dem nächstgelegenen und dem entferntesten Punkt im scharfen Bild. Kameras mit Autofokus-Objektiven bieten eine größere Schärfentiefe als Kameras mit fester Fokussierung. Je nach Anwendungsfall kann jedoch ein Objektiv mit fester Fokussierung erforderlich sein, da manche Anwendungen keine größere Schärfentiefe benötigen.
Beispiel: In der Ultraschallbildgebung ermöglicht eine größere Schärfentiefe eine umfassendere Darstellung eines Organs oder Gewebes. Hierbei können Autofokus-Objektive von Vorteil sein und dem Arzt ein klareres Gesamtbild liefern. Im Gegensatz dazu verwendet ein Dermatoskop , das für detaillierte Hautuntersuchungen eingesetzt wird, ein Objektiv mit fester Fokussierung, um stets konsistente, hochauflösende Bilder der Hautoberfläche zu erzeugen.
Art der Lichtverhältnisse
Wie Sie vielleicht schon wissen, beeinflusst die Art der Lichtverhältnisse die Bildschärfe direkt. Autofokus-Objektive liefern bei schwachem Licht bessere Ergebnisse, wobei sich die Schärfe durch Feineinstellungen optimieren lässt. Bei hellem Licht hingegen kann ein Objektiv mit fester Fokussierung innerhalb seines voreingestellten Bereichs scharfe Bilder liefern.
Beispiel: Auf Parkplätzen im Freien können die Lichtverhältnisse stark variieren – von Tageslicht über künstliches Nachtlicht bis hin zu Schattenbereichen durch Gebäude und Bäume. Autofokus-Objektive passen sich diesen Lichtveränderungen an und gewährleisten so eine klare Erfassung von Kennzeichen. In überdachten Parkhäusern mit gleichmäßiger LED-Beleuchtung hingegen ist ein Objektiv mit festem Fokus für eine stabile Bildqualität empfehlenswert.
Erfassungsrate
Objektive mit Festbrennweite arbeiten in der Regel schneller als Autofokus-Objektive, da keine Fokussierung erforderlich ist. Ihre Konstruktion priorisiert Geschwindigkeit gegenüber Anpassungsfähigkeit und macht sie daher für bestimmte Aufgaben effizient. Wenn eine Anwendung schnelle und unterbrechungsfreie Bildaufnahmen erfordert, ist ein Objektiv mit Festbrennweite die empfohlene Wahl. Es gewährleistet konsistente und schnelle Bilder ohne die potenziellen Verzögerungen durch Autofokus-Anpassungen.
Beispiel: In stark frequentierten Innenräumen, wie etwa in Geschäften während Schlussverkäufen oder Feiertagen, überwachen Kioske mit Autofokus-Objektiven Kundenbewegungen und Transaktionen. Sie passen sich schnell an unterschiedliche Entfernungen und Lichtverhältnisse an und gewährleisten so einen optimalen Kundenservice. Im Gegensatz dazu stehen Kioske im Außenbereich vor Herausforderungen wie wechselnden Wetterbedingungen und unterschiedlichen Lichtverhältnissen. Hier erfassen Kameras mit Fixfokus und höherer Aufnahmerate Dokumentendetails oder Transaktionsinformationen. Dies ist wichtig, um auch unter weniger kontrollierten Bedingungen als in Innenräumen eine gleichbleibende Leistung zu gewährleisten.
Anpassungsfähigkeit
Die Vielseitigkeit des Kameraobjektivs ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. Autofokus-Objektive liefern bei schwachem Licht mit einigen Anpassungen bessere Ergebnisse. Festbrennweiten-Objektive hingegen ermöglichen klare Bilder innerhalb ihres voreingestellten Brennweitenbereichs bei hellem Licht, wo ausreichend und gleichmäßiges Licht vorhanden ist.
Beispiel: Bei MRT-Geräten, die Bilder verschiedener Körperteile in unterschiedlichen Entfernungen aufnehmen müssen, bietet der Autofokus Flexibilität und gewährleistet klare Bilder unabhängig von der Tiefe des Zielbereichs. Im Gegensatz dazu verwendet ein Knochendichtemessgerät, das gleichmäßige und konsistente Bildgebungsparameter erfordert, Objektive mit fester Fokussierung, um seine Präzision zu erhalten.
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Prabu ist Chief Technology Officer und Head of Camera Products bei e-con Systems und verfügt über eine reiche Erfahrung von mehr als 15 Jahren im Bereich der eingebetteten Bildverarbeitung. Er bringt umfassende Kenntnisse in den Bereichen USB-Kameras, eingebettete Bildverarbeitungskameras, Bildverarbeitungsalgorithmen und FPGAs mit. Er hat über 50 Kameralösungen für verschiedene Bereiche wie Medizin, Industrie, Landwirtschaft, Einzelhandel, Biometrie und mehr entwickelt. Er verfügt außerdem über Fachwissen in der Gerätetreiberentwicklung und BSP-Entwicklung. Derzeit liegt der Schwerpunkt von Prabu auf der Entwicklung intelligenter Kameralösungen, die KI-basierte Anwendungen des neuen Zeitalters ermöglichen.