Die Auflösung von Objektiven und Bildern.

Was ist die Definition von Auflösung? Und warum ist sie von Bedeutung?

Warum kann die Auflösung so verwirrend sein?

Sie sind nicht allein! Selbst Experten verwenden den Begriff "Auflösung" austauschbar, obwohl er sich eigentlich auf vier verschiedene technische Metriken bezieht. Wir sind auf dieses Missverständnis zwischen Optikern, Bildqualitätsingenieuren, Sensorikern und Computervision-Ingenieuren während eines Gesprächs in der IEEE P2020-Arbeitsgruppe im Jahr 2018 gestoßen.

Die Auflösung eines Sensors steht auch in engem Zusammenhang mit dem CMOS-Sensortyp (z. B. 1/3", 1/2", etc.), den wir in einem separaten Artikel behandeln.

Megapixel als Auflösung

Pixelanzahl Auflösung

Die Auflösung der Pixelzahl wurde von der Mobiltelefonindustrie populär gemacht, ist aber bei Kameras mit 50 MP und mehr häufig irreführend, da das endgültige Bild selten eine Auflösung von 50 MP und mehr aufweist.

Definition:

• Die Gesamtzahl der lichtempfindlichen Fotodiodenvertiefungen in einem Sensor.
  
• Die Gesamtzahl der lichtemittierenden Elemente für Displays und Projektoren.
• Die Gesamtzahl der Pixel in einem digitalen Bild.

SFR als Auflösung

Was ist Systemauflösung und warum ist sie wichtig?

Die Systemauflösung kann die Qualität jedes digitalen Bildes charakterisieren. Sie wird häufig in Produktionslinien für Digitalkameras verwendet, um sicherzustellen, dass das Objektiv, die Ausrichtung zwischen Objektiv und Sensor und die Bildverarbeitungspipeline einen Mindestqualitätsschwellenwert erfüllen. Sie kann auch zum Benchmarking verschiedener Kameras und Bildverarbeitungs-/Komprimierungsmethoden verwendet werden. Diese Metrik umfasst die Eingaben des Objektivs, der Objektiv-Sensor-Ausrichtung, des Sensors, des ADC und der analogen+digitalen Bildverarbeitungspipeline. 

Definition:

• Der räumliche Frequenzgang (Spatial Frequency Response, SFR) misst die Veränderung des Kontrasts über einen Gradienten im Bild. 

So berechnen Sie die Systemauflösung:

Folgen Sie ISO12233 oder lesen Sie die Website von Imatest.

Wie man Systenauflösung ausdrückt:

Geben Sie die Linienbreiten pro Bildhöhe, die Feldposition und die Beleuchtung an.

Welche Auswirkungen hat SFR auf die Computer Vision?

Von: Vasiljevic, et. Al. "Untersuchung der Auswirkungen von Unschärfe auf die Erkennung durch Faltungsnetzwerke"

MTF als Auflösung

 "Optische Auflösung" wird von Ingenieuren der Bildoptik verwendet und ist ein Input für die Systemauflösung.

Die optische Auflösung charakterisiert die "Schärfe" eines optischen Systems. Die MTF gilt sowohl für fokale als auch für afokale optische Systeme, einschließlich Mikroskopen, Abbildungsobjektiven, Ferngläsern und Projektionsoptiken. 

Definition:

• Die Fähigkeit eines optischen Systems, zwei Punkte aufzulösen. 

Wie man optische Auflösung ausdrückt:

Geben Sie die MTF in Prozent, die Frequenz, den Feldwinkel und die Wellenlänge an.

Momentanes FoV als Auflösung

Die "Winkelauflösung" wird von der Luft- und Raumfahrt-/Verteidigungsindustrie und von Computervision-Ingenieuren verwendet.

Die Winkelauflösung eines Systems bestimmt die Anzahl der Pixel pro Grad des Sichtfeldes. Oder die Anzahl der Pixel pro Entfernungseinheit über ein Objekt.

Definition:

•  Die Anzahl der Grad (oder Minuten) im Objektraum, die ein Pixel im Bild einnimmt. 

So berechnen Sie die Winkelauflösung:
Verwenden Sie unseren erweiterten Sichtfeldrechner, der die Winkelauflösung für Verzeichnungsprofile berücksichtigt.

Wie man Angular Resolution ausdrückt:

Geben Sie sowohl die Winkelauflösung als auch den Feldwinkel an.

Welchen Einfluss hat die Winkelauflösung auf die Computer Vision?

Die Winkelauflösung definiert den größten Objektmaßstab, der in ein Netz eingegeben werden kann. Die Auswirkungen auf die Leistung sind direkt. Dollar et al. zeigen das direkte Ergebnis der durchschnittlichen Fehlerquote von Fußgängerdetektoren. Bei weniger als 50 Pixeln können selbst moderne Detektoren eine Fehlerkennungsrate von 50 % aufweisen. Dies nimmt mit abnehmendem Maßstab rasch zu.

Aus: Dollár, et. al. "Pedestrian Detection: An Evaluation of the State of the Art"

Kombinierte Megapixel und MTF als Auflösung

"Effektive Auflösung" wird von den Marketingteams der Objektivlieferanten verwendet

Die effektive Auflösung ist eine schnelle Methode, um eine Objektivauswahl zu filtern, wenn Sie eine neue Kamera erstellen. Die optische Auflösung (MTF) von Objektiven kann ohne umfassende Erfahrung mit Kamerahardware schwer zu verstehen sein. Viele erfahrene Kameratechniker kennen nicht einmal die Tricks, die die Hersteller mit MTF-Diagrammen/Tests anwenden können, so dass die effektive Auflösung eine Abkürzung direkt zur Auflösung auf Systemebene sein kann. 

Definition:

•  Die Auflösung der Sensorpixelzahl, für die die optische Auflösung eines Objektivs geeignet sein soll. 

Wie man eine wirksame Entschließung formuliert:

Geben Sie sowohl die Pixelanzahl als auch die Größe des Bildsensorformats an.

Diese irreführende Metrik wird von den Objektivherstellern für immer verwendet und missbraucht werden. Wenn Sie ein Objektivkäufer sind: Sie sind jetzt gewarnt.

Referenzen und weiterführende Links:
1.) Dollár, et. al. "Pedestrian Detection: An Evaluation of the State of the Art"

2.) Vasiljevic, et. Al. "Untersuchung des Einflusses von Unschärfe auf die Erkennung durch Faltungsnetzwerke"

Wie verwenden wir bei Commonlands also die Auflösung, wenn wir über unsere Objektive sprechen?