Ansys Speos | Speos Camera 传感器机器视觉示例

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概述

在当今快速发展的技术环境中，从汽车到消费电子等各个行业对高质量成像系统的需求至关重要。在关键部件中，相机传感器是现代消费电子和成像设备的重要组成部分。了解和验证相机传感器在3D场景中的性能对于优化图像质量和最佳视场覆盖至关重要。本文介绍Speos在相机图像生成中的应用，并探讨了其在现实场景中的应用。

要在Speos中模拟相机的行为，可以创建包含相机完整光学系统的模拟，或者可以使用镜头系统的降阶模型（ROM）创建相机模拟。当需要全面比较光学系统的性能时，特别是在眩光和杂散光，通常会选择完整的镜头系统，但由于考虑所有光路，通常需要更长的模拟时间。然而使用镜头ROM降阶模型的相机允许更快的进行不同光学系统性能的比较。ROM的特点是通过聚焦于光路主序列，预先计算透镜系统的光学行为来提升仿真计算效率。

本文主要基于ROM的相机传感器仿真，实现了快速准确的相机传感器仿真。通过再现关键的真实相机镜头属性，在不损害镜头制造商知识产权的前提下，根据传感器前捕获的辐照度生成光度结果。

解决方案所需的主要工具

• Speos 24R2模拟相机传感器的辐照度图。

• Zemax OpticStudio 24R1及更高版本导出镜头模型，或输出镜头系统的ROM模。

第一部分 Camera参数说明

Speos相机传感器定义

Speos中的相机传感器，使用镜头系统的ROM实现与实际相机相同的光线集成。Speos相机传感器具有两种模式：

1. Geometric几何模式，可以定义相机传感器，而无需配置每个参数，与从数据表（V1）中提取的关键光线角（CRA）数据兼容，可以灵活调整以下参数：相机的位置和方向，系统的降阶模型，传感器尺寸和分辨率。

这些参数为用户提供了在几何模式下对相机设置的简洁性，进行快速FOV验证，快速的计算模拟，而且在几何模式下，不需要光学属性，Speos使用CAD中的渲染属性。

2.Photometric/Colorimetric光度/色度模式，这种模式详细全面的对传感器的参数进行了完整的定义，包括：相机的位置和方向(根据ROM版本的不同，原点的位置不同：使用V1 ROM时，原点在入瞳位置，而使用V2和二进制ROM时，原点在成像仪的中心)，物镜系统的降阶模型，传感器尺寸和分辨率，采集信息包括积分时间和滞后时间（可选-如果在仿真中启用了时间轴功能），传感器的轨迹（可选-如果相机处于运动状态），波长范围用于指定光谱传播范围，相机传感器定义中的Layer选项允许将仿真结果按光源分层，并单独探索从每个光源生成的图像。

Speos相机传感器功能可以在3D场景中对各种相机类型（如可见光、红外或热像仪）进行精确建模，复制真实的照明条件并生成可量化的辐照度结果。通过启用时间轴模拟和指定相机积分和滞后时间，以及相机或物体在场景中的轨迹，照度或辐照度地图可以转换为曝光结果。曝光图表示传感器接收到的功率，基本上是辐照度数据乘以积分时间，单位为J/mm2，可用于运动模糊和滚动快门结果的展示。

透镜系统光学降阶模型（ROM）

为了将Zemax OpticStudio镜头设计的ROM集成到Speos相机定义中，并在更广泛的模型环境中复制相机镜头的效果，Speos使用带有*.OPTDistortion扩展项文件。这些文件封装了镜头系统的ROM。这些ROM可以从来自数据表（V1）的临界光线角（CRA）数据中导出，或者为了提高精度，直接从Zemax OpticStudio（二进制版本）设计的镜头系统中提取。

Zemax OpticStudio提供了一个专用的“Export Reduced Order Model to Speos”工具，可通过文件菜单访问，方便调整如下所述的各种参数：

• Sensor Width and Sensor Height：定义传感器的尺寸。

• Skip System Reversal：选中此选项时，将跳过导出过程中所需的系统反转，适用于不能正确反转与自动反转的系统。

• Use Radial Symmetry：对于轴对称系统，径向对称可以进行计算，取消选中此选项将显示非对称系统（包括镜头系统和成像仪）。

• X and Y Sensor Sampling：对于非轴对称系统，指定传感器在X和Y方向上的采样数量。

• R Sensor Sampling：确定图像空间中径向采样点的个数以生成数据。根据镜头系统的畸变程度，它通常的范围从~10最小失真的镜头系统到高达50的鱼眼镜头类型，表现出显著的失真，典型值为30。

• Ray Sampling：指定用于计算传输到Speos的参数的射线采样网格，该参数定义用于计算传输到Speos的参数的射线采样网格，通常，默认值足以满足大多数场景。然而，在镜头有强烈的像差的情况下，或者当处理镜头系统包含镜头偏移和倾斜时，64x64可能是有意义。但是建议避免值超过128x128。

• Configuration：从多配置操作数的下拉菜单中选择一个配置来修改反向系统，并将所选配置导出到Speos。

注意：在Zemax OpticStudio中生成ROM时，请确保设置感兴趣的波长范围。在Zemax OpticStudio的系统资源管理器中，设置至少3个波长，从小到大排列，例如对于可见光范围设置波长范围为400nm到700nm。Zemax OpticStudio中的最小和最大波长决定了Speos中可以模拟的最大波长范围。

Speos根据Zemax OpticStudio的每个波长计算结果插入中间波长采样。为了避免偏差，在Zemax OpticStudio中使用更多的波长采样是更准确的。而OptDistortion文件与样本数量成正比，所以生成*.OPTDistortion会相应的增加时间。建议设置5 ~ 7个波长样本，以平衡精度和计算时间。Zemax OpticStudio中的波长权重不影响ROM文件的导出。

最新ROM说明

最新版本的镜头ROM在OPTDistortion文件中（二进制版本）包括更多信息，以确保准确管理视场，失真畸变，景深，分辨率，入瞳位置，渐晕，动态（滚动快门，运动模糊）和色差。

因此，使用ROM模型进行的模拟结果与直接在CAD透镜模型上进行的模拟结果没有显着差异。二进制版本ROM可以使用ZemaxOpticStudio 2024 R1和更高版本创建生成。

使用OPTDistortion文件到Speos模拟的目标是：执行相机行为的快速模拟（与模拟完整的相机系统相比）再现大多数真实镜头属性执行模拟而不暴露制造商的知识产权。

为了验证二进制ROM的性能，对不同的透镜系统类型进行了测试，包括单双圆锥透镜、库克三重透镜、双高斯透镜、均匀非球面透镜、手机透镜、望远镜透镜。通过对每个配置的MTF结果进行比较来验证。MTF代表调制传递函数，由一个描述图像细节清晰度的函数组成，被广泛应用于成像行业。

通过将ROM与Zemax Opticstudio和Speos中的全镜头系统模拟进行比较，验证透镜系统的ROM。下图所示是Speos ROM和Zemax OpticStudio全镜头模型的对比。

在另一项测试中，使用具有大光圈和低质量的镜头系统，将ROM模拟与Speos中的全镜头系统几何结构进行比较，两种模拟结果都显示出具有色差的一致图像质量。在本仿真中，一组代表视场不同方向的光源在辐照度传感器上成像：在RTX A5000 GPU内核上，带有ROM的相机仿真在6秒内完成，而在类似的GPU上，完整几何图形的仿真在30分钟内完成，使用GPU速度显著提高。

上图显示了与全镜头系统和ROM之间的辐照度图的比较。总体而言，Speos中的相机传感器提供了一套全面的工具，用于精确的相机模拟和分析，与在各种应用中使用全镜头模型的情况相比，能够确保色差和更快的图像生成。

如上所述，Speos相机传感器中的几何模式提供了相机传感器参数的简化版本，主要用于快速FOV研究网格生成过程中的默认渲染属性。另一方面，光度/色度模式提供了对相机传感器参数的广泛控制，包括可用于3D场景中图像质量分析的光度定义。

接下来的案例中，将更多地关注创建静态相机模拟（没有运动）和调整相机系统的位置。

第二部分 Camera案例运算

基于从Zemax OpticStudio模型生成的ROM创建了一个相机传感器，以下是本文中使用的Speos机器视觉场景以及操作步骤。

接下来，在Speos中定义相机传感器参数：

首先定义原点：

在“设计>创建”选项卡中单击原点，作为创建相机传感器轴系统的标准做法。

右键单击在结构树中创建的原点并将其重命名为Camera_origin。

定义相机传感器：选择Camera Sensor，将相机传感器重命名为Photometric_Camera。

设置相机轴系统：选择创建的Camera_origin来定义相机传感器的方向（原点、水平方向和垂直方向）。

调整光学参数：设置以下光学参数的值，这些参数决定物镜的性能。选择*.optdistortion文件，代表ROM镜头。

定义传感器和灵敏度参数：定义每个通道的整体灵敏度。这包括传感器的像素灵敏度和彩色滤波器阵列。

调整波长：在模拟中使用的光谱带宽和精度。

Speos可以在3D窗口中可视化相机：右键单击模拟树中的Photometric_Camera传感器，选择option选项以使用对象场可视化半径调整传感器的预览。这只是为了可视化的目的，与模拟无关。

在3D视图中获取相机传感器的观察视角，请单击传感器定义界面得自动取景图标，

查看该传感器在模拟期间能够捕获的场景内容。

Speos中的相机传感器专门需要与inverse逆向仿真一起工作。光线以相反的方向传播，从传感器开始进入3D场景。

在仿真树中，选择inverse simulation，点击工具指南图标包括用于选择和验证窗口中的几何图形、光源和传感器的选项，并通过绿色复选标记选择内容。

可以修改模拟停止条件，如持续时间或通过Pass次数。运行模拟，右键单击Camera模拟，选择“计算”进行CPU计算或GPU计算。模拟完成后，计算文件将出现在模拟树下，其中包括以下文件：HTML文件，XMP文件（Radiance），XMP文件（irradiance），PNG图像文件，HDR文件。

注意：如前所述，如果相机定义中使用二进制版本的ROM，若需要运行考虑色散的反向模拟，则需要启用色散，需要右键单击模拟树中的inverse模拟（例如，Camera_sim1），然后选择'Options' > ‘ inverse simulation ‘并勾选’ dispersion ’。

注意：在相机传感器定义中，以下参数会影响辐照度图：

其他参数用于创建HDR和PNG。强烈建议使用辐照度结果，因为生成PNG和HDR结果会因为适应显示而做出图像处理，并不能真是表征结果，特别是如果需要真实的镜头表征。如果对生成电子地图、原始图像或最终处理图像感兴趣，建议使用Ansys Speos Sensor System简称SSS。

关于SSS的介绍，可以查看往期文章：Ansys Speos SSS｜传感器特性与EMVA1288标准以及Lumerical传感器验证

双击*. Irradiance.XMP结果，可以清楚地看到，条形码在视图中更具可读性，照明更均匀，失真更少。也可以检查xmp结果中的伪色图（而不是真色），并在像素级探索辐照度值。

总结

Speos相机传感器允许用户快速生成相机从3D场景中捕获的光量，考虑关键相机参数。可以评估不同行业的各种传感器类型（可见光，SWIR， MWIR， LWIR）的性能。此外，用户还可以探索相机动态，包括当相机或场景中的物体移动时的滚动快门和运动模糊效果，以及由相机感知到的光源调制引起的闪烁效果。