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概述

在當今快速發(fā)展的技術環(huán)境中，從汽車到消費電子等各個行業(yè)對高質量成像系統(tǒng)的需求至關重要。在關鍵部件中，相機傳感器是現代消費電子和成像設備的重要組成部分。了解和驗證相機傳感器在3D場景中的性能對于優(yōu)化圖像質量和最佳視場覆蓋至關重要。本文介紹Speos在相機圖像生成中的應用，并探討了其在現實場景中的應用。

要在Speos中模擬相機的行為，可以創(chuàng)建包含相機完整光學系統(tǒng)的模擬，或者可以使用鏡頭系統(tǒng)的降階模型（ROM）創(chuàng)建相機模擬。當需要全面比較光學系統(tǒng)的性能時，特別是在眩光和雜散光，通常會選擇完整的鏡頭系統(tǒng)，但由于考慮所有光路，通常需要更長的模擬時間。然而使用鏡頭ROM降階模型的相機允許更快的進行不同光學系統(tǒng)性能的比較。ROM的特點是通過聚焦于光路主序列，預先計算透鏡系統(tǒng)的光學行為來提升仿真計算效率。

本文主要基于ROM的相機傳感器仿真，實現了快速準確的相機傳感器仿真。通過再現關鍵的真實相機鏡頭屬性，在不損害鏡頭制造商知識產權的前提下，根據傳感器前捕獲的輻照度生成光度結果。

解決方案所需的主要工具

1.Speos 24R2模擬相機傳感器的輻照度圖。

2.Zemax OpticStudio 24R1及更高版本導出鏡頭模型，或輸出鏡頭系統(tǒng)的ROM模。

第一部分 Camera參數說明

Speos相機傳感器定義

Speos中的相機傳感器，使用鏡頭系統(tǒng)的ROM實現與實際相機相同的光線集成。Speos相機傳感器具有兩種模式：

1. Geometric幾何模式，可以定義相機傳感器，而無需配置每個參數，與從數據表（V1）中提取的關鍵光線角（CRA）數據兼容，可以靈活調整以下參數：相機的位置和方向，系統(tǒng)的降階模型，傳感器尺寸和分辨率。

這些參數為用戶提供了在幾何模式下對相機設置的簡潔性，進行快速FOV驗證，快速的計算模擬，而且在幾何模式下，不需要光學屬性，Speos使用CAD中的渲染屬性。

2.Photometric/Colorimetric光度/色度模式，這種模式詳細全面的對傳感器的參數進行了完整的定義，包括：相機的位置和方向(根據ROM版本的不同，原點的位置不同：使用V1 ROM時，原點在入瞳位置，而使用V2和二進制ROM時，原點在成像儀的中心)，物鏡系統(tǒng)的降階模型，傳感器尺寸和分辨率，采集信息包括積分時間和滯后時間（可選-如果在仿真中啟用了時間軸功能），傳感器的軌跡（可選-如果相機處于運動狀態(tài)），波長范圍用于指定光譜傳播范圍，相機傳感器定義中的Layer選項允許將仿真結果按光源分層，并單獨探索從每個光源生成的圖像。

Speos相機傳感器功能可以在3D場景中對各種相機類型（如可見光、紅外或熱像儀）進行精確建模，復制真實的照明條件并生成可量化的輻照度結果。通過啟用時間軸模擬和指定相機積分和滯后時間，以及相機或物體在場景中的軌跡，照度或輻照度地圖可以轉換為曝光結果。曝光圖表示傳感器接收到的功率，基本上是輻照度數據乘以積分時間，單位為J/mm2，可用于運動模糊和滾動快門結果的展示。

透鏡系統(tǒng)光學降階模型（ROM）

為了將Zemax OpticStudio鏡頭設計的ROM集成到Speos相機定義中，并在更廣泛的模型環(huán)境中復制相機鏡頭的效果，Speos使用帶有*.OPTDistortion擴展項文件。這些文件封裝了鏡頭系統(tǒng)的ROM。這些ROM可以從來自數據表（V1）的臨界光線角（CRA）數據中導出，或者為了提高精度，直接從Zemax OpticStudio（二進制版本）設計的鏡頭系統(tǒng)中提取。

Zemax OpticStudio提供了一個專用的“Export Reduced Order Model to Speos”工具，可通過文件菜單訪問，方便調整如下所述的各種參數：

1.Sensor Width and Sensor Height：定義傳感器的尺寸。

2.Skip System Reversal：選中此選項時，將跳過導出過程中所需的系統(tǒng)反轉，適用于不能正確反轉與自動反轉的系統(tǒng)。

3.Use Radial Symmetry：對于軸對稱系統(tǒng)，徑向對稱可以進行計算，取消選中此選項將顯示非對稱系統(tǒng)（包括鏡頭系統(tǒng)和成像儀）。

4.X and Y Sensor Sampling：對于非軸對稱系統(tǒng)，指定傳感器在X和Y方向上的采樣數量。

5.R Sensor Sampling：確定圖像空間中徑向采樣點的個數以生成數據。根據鏡頭系統(tǒng)的畸變程度，它通常的范圍從~10最小失真的鏡頭系統(tǒng)到高達50的魚眼鏡頭類型，表現出顯著的失真，典型值為30。

6.Ray Sampling：指定用于計算傳輸到Speos的參數的射線采樣網格，該參數定義用于計算傳輸到Speos的參數的射線采樣網格，通常，默認值足以滿足大多數場景。然而，在鏡頭有強烈的像差的情況下，或者當處理鏡頭系統(tǒng)包含鏡頭偏移和傾斜時，64x64可能是有意義。但是建議避免值超過128x128。

7.Configuration：從多配置操作數的下拉菜單中選擇一個配置來修改反向系統(tǒng)，并將所選配置導出到Speos。

注意：在Zemax OpticStudio中生成ROM時，請確保設置感興趣的波長范圍。在Zemax OpticStudio的系統(tǒng)資源管理器中，設置至少3個波長，從小到大排列，例如對于可見光范圍設置波長范圍為400nm到700nm。Zemax OpticStudio中的最小和最大波長決定了Speos中可以模擬的最大波長范圍。

Speos根據Zemax OpticStudio的每個波長計算結果插入中間波長采樣。為了避免偏差，在Zemax OpticStudio中使用更多的波長采樣是更準確的。而OptDistortion文件與樣本數量成正比，所以生成*.OPTDistortion會相應的增加時間。建議設置5 ~ 7個波長樣本，以平衡精度和計算時間。Zemax OpticStudio中的波長權重不影響ROM文件的導出。

最新ROM說明

最新版本的鏡頭ROM在OPTDistortion文件中（二進制版本）包括更多信息，以確保準確管理視場，失真畸變，景深，分辨率，入瞳位置，漸暈，動態(tài)（滾動快門，運動模糊）和色差。

因此，使用ROM模型進行的模擬結果與直接在CAD透鏡模型上進行的模擬結果沒有顯著差異。二進制版本ROM可以使用ZemaxOpticStudio 2024 R1和更高版本創(chuàng)建生成。

使用OPTDistortion文件到Speos模擬的目標是：執(zhí)行相機行為的快速模擬（與模擬完整的相機系統(tǒng)相比）再現大多數真實鏡頭屬性執(zhí)行模擬而不暴露制造商的知識產權。

為了驗證二進制ROM的性能，對不同的透鏡系統(tǒng)類型進行了測試，包括單雙圓錐透鏡、庫克三重透鏡、雙高斯透鏡、均勻非球面透鏡、手機透鏡、望遠鏡透鏡。通過對每個配置的MTF結果進行比較來驗證。MTF代表調制傳遞函數，由一個描述圖像細節(jié)清晰度的函數組成，被廣泛應用于成像行業(yè)。

通過將ROM與Zemax Opticstudio和Speos中的全鏡頭系統(tǒng)模擬進行比較，驗證透鏡系統(tǒng)的ROM。下圖所示是Speos ROM和Zemax OpticStudio全鏡頭模型的對比。

在另一項測試中，使用具有大光圈和低質量的鏡頭系統(tǒng)，將ROM模擬與Speos中的全鏡頭系統(tǒng)幾何結構進行比較，兩種模擬結果都顯示出具有色差的一致圖像質量。在本仿真中，一組代表視場不同方向的光源在輻照度傳感器上成像：在RTX A5000 GPU內核上，帶有ROM的相機仿真在6秒內完成，而在類似的GPU上，完整幾何圖形的仿真在30分鐘內完成，使用GPU速度顯著提高。

上圖顯示了與全鏡頭系統(tǒng)和ROM之間的輻照度圖的比較。總體而言，Speos中的相機傳感器提供了一套全面的工具，用于精確的相機模擬和分析，與在各種應用中使用全鏡頭模型的情況相比，能夠確保色差和更快的圖像生成。

如上所述，Speos相機傳感器中的幾何模式提供了相機傳感器參數的簡化版本，主要用于快速FOV研究網格生成過程中的默認渲染屬性。另一方面，光度/色度模式提供了對相機傳感器參數的廣泛控制，包括可用于3D場景中圖像質量分析的光度定義。

接下來的案例中，將更多地關注創(chuàng)建靜態(tài)相機模擬（沒有運動）和調整相機系統(tǒng)的位置。

第二部分 Camera案例運算

基于從Zemax OpticStudio模型生成的ROM創(chuàng)建了一個相機傳感器，以下是本文中使用的Speos機器視覺場景以及操作步驟。

接下來，在Speos中定義相機傳感器參數：

首先定義原點：

在“設計>創(chuàng)建”選項卡中單擊原點，作為創(chuàng)建相機傳感器軸系統(tǒng)的標準做法。

右鍵單擊在結構樹中創(chuàng)建的原點并將其重命名為Camera_origin。

定義相機傳感器：選擇Camera Sensor，將相機傳感器重命名為Photometric_Camera。

設置相機軸系統(tǒng)：選擇創(chuàng)建的Camera_origin來定義相機傳感器的方向（原點、水平方向和垂直方向）。

調整光學參數：設置以下光學參數的值，這些參數決定物鏡的性能。選擇*.optdistortion文件，代表ROM鏡頭。

定義傳感器和靈敏度參數：定義每個通道的整體靈敏度。這包括傳感器的像素靈敏度和彩色濾波器陣列。

調整波長：在模擬中使用的光譜帶寬和精度。

Speos可以在3D窗口中可視化相機：右鍵單擊模擬樹中的Photometric_Camera傳感器，選擇option選項以使用對象場可視化半徑調整傳感器的預覽。這只是為了可視化的目的，與模擬無關。

在3D視圖中獲取相機傳感器的觀察視角，請單擊傳感器定義界面得自動取景圖標，查看該傳感器在模擬期間能夠捕獲的場景內容。

Speos中的相機傳感器專門需要與inverse逆向仿真一起工作。光線以相反的方向傳播，從傳感器開始進入3D場景。

在仿真樹中，選擇inverse simulation，點擊工具指南圖標包括用于選擇和驗證窗口中的幾何圖形、光源和傳感器的選項，并通過綠色復選標記選擇內容。

可以修改模擬停止條件，如持續(xù)時間或通過Pass次數。運行模擬，右鍵單擊Camera模擬，選擇“計算”進行CPU計算或GPU計算。模擬完成后，計算文件將出現在模擬樹下，其中包括以下文件：HTML文件，XMP文件（Radiance），XMP文件（irradiance），PNG圖像文件，HDR文件。

注意：如前所述，如果相機定義中使用二進制版本的ROM，若需要運行考慮色散的反向模擬，則需要啟用色散，需要右鍵單擊模擬樹中的inverse模擬（例如，Camera_sim1），然后選擇'Options' > ‘ inverse simulation ‘并勾選’ dispersion ’。

注意：在相機傳感器定義中，以下參數會影響輻照度圖：

其他參數用于創(chuàng)建HDR和PNG。強烈建議使用輻照度結果，因為生成PNG和HDR結果會因為適應顯示而做出圖像處理，并不能真是表征結果，特別是如果需要真實的鏡頭表征。如果對生成電子地圖、原始圖像或最終處理圖像感興趣，建議使用Ansys Speos Sensor System簡稱SSS。

關于SSS的介紹，可以查看往期文章：Ansys Speos SSS｜傳感器特性與EMVA1288標準以及Lumerical傳感器驗證

雙擊*. Irradiance.XMP結果，可以清楚地看到，條形碼在視圖中更具可讀性，照明更均勻，失真更少。也可以檢查xmp結果中的偽色圖（而不是真色），并在像素級探索輻照度值。

總結

Speos相機傳感器允許用戶快速生成相機從3D場景中捕獲的光量，考慮關鍵相機參數?？梢栽u估不同行業(yè)的各種傳感器類型（可見光，SWIR， MWIR， LWIR）的性能。此外，用戶還可以探索相機動態(tài)，包括當相機或場景中的物體移動時的滾動快門和運動模糊效果，以及由相機感知到的光源調制引起的閃爍效果。