镜头光圈应用技巧

光圈

人眼系统中有虹膜和瞳孔，瞳孔是允许光线通过的开口。相机镜头类似人眼系统，只是这个“虹膜”由金属片制成，这些金属片汇聚形成“瞳孔”，即光圈，其会影响相机拍摄的最终图像。

光圈越小，光线就越集中，景深（景深）就会越大，这与到达传感器的光量成反比。因此，在尝试获得明亮且聚焦的图像时，光圈起着重要作用。

镜头的光圈是光线到达相机的开口。调整光圈意味着使镜头内由金属刀片或叶片组成的开口更大或更小。光圈叶片数可能会有很大差异，如下图所示。

光圈开口大的镜头称为大光圈镜头。反之，则称为小光圈镜头，如下图所示。

系数

光圈开口越大，用来表示其大小的数字就越小。光圈通常使用f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16等进行标记，与f/16相比，f/2代表的光圈更大，也将获得更多的光线进入。

景深

增大相机的镜头光圈后，将允许更多光线到达传感器，因此相机会拍摄出非常明亮的图像。但是，如果光圈开口过大，则会导致景深（DOF）显著降低，这种现象通常被称为窄景深。景深是图像中保持聚焦的最近和最远目标之间的距离

景深和通过镜头的光量成反比。因此，要使图像充分聚焦，同时又要有足够的光线，并不是一件很容易的事情。但是，增加到达传感器的光线并不意味着必须使用较小的景深以增大光圈，使用额外的照明（无论是添加设备还是确保阳光充足）也可以达到预期的效果。如下图所示，左侧图像使用的光圈为f/25，而右侧图像使用的光圈为f/5。

增益

为了获得更大的景深并使大部分图像聚焦，可能需要调高增益值。调高增益值后，相机灵敏度会提升，产生更明亮的图像，但是也会引入更多的图像噪点，如下图所示，上图为调高增益值前的原始图像，下图为调高增益值后的图像，对比它们右侧的二值化图像可以明显看到下图由于增益过高导致的图像噪点增加、传感器像素阱饱和问题。

延长曝光时间，而不是调高增益值，可以使噪声更少。但如果目标处于移动状态，可能会导致图像变模糊，这种图像模糊问题更难解决。

增益、快门速度和光圈之间达到适当平衡的状态有助于提高图像亮度，而不会引入过多的噪声，同时保持目标聚焦。

快门

正如上面所说，除了调节相机增益或镜头光圈之外，还可以调整快门速度。快门速度越快，通过的光线就越少，从而减少传感器的曝光时间。反之，使用较慢的快门则我们常见的延时摄影。让相机使用更长的曝光时间拍摄，目标会更明亮。但是，这种状态下即使目标静止不动，也可能导致图像发生动态模糊。因此，诸如车辆之类的移动目标需要更快的快门速度，并结合更大的光圈和更高的增益来确保照明充足。

应用

光线不足时，使用大光圈将是一个优点。对于机器视觉检测甚至低空航空成像等高帧率应用，亮度提升有助于确保图像具有清晰的图像数据。在进行机器视觉检测时，如果拍摄目标数量增加，那么对帧率的需求也会增加。同时，光圈也需要按比例增加，以确保高帧率录制可以在充足的光线条件下成像。

然而，如前所述，光圈增加会导致景深变浅，致使目标与镜头之间的距离容差变小。不过，这种浅景深类型的应用在传送带系统中得到了非常好的效果。在传送带系统中，产品不断以固定距离高速通过相机，但图像仍聚焦、明亮。此外，使用大光圈后，相机可以清晰分离拍摄目标和可能存在于图像背景中的任何其它干扰物体。

光圈较小也对需要较长景深的应用场景有所帮助，搭配更长的曝光或更高的增益，相机仍然可以拍摄出明亮的图像，同时保持更多内容聚焦。对智能交通系统（ITS）等成像应用而言，这种配置很实用，这些应用面临的典型问题是确保相机能够对不同距离的车辆进行清晰成像。

P-Iris

PrecisionIris（精确光圈），也称P-Iris，是一种无需事先配置镜头即可调整光圈的软件解决方案。P-Iris能够可靠保持并返回至特定的光圈值，同时还能够在增益和快门速度处于预定极限的艰难条件下调节光圈（点击链接参考前文《自动光圈的驱动方式》）。

结论

相机光圈通常在部署前配置，有时需要根据系统或操作条件的变化不断手动调整。解决这个问题需要利用可以快速调整到相机的准确光圈值的软件解决方案，而无需物理靠近。

大多数成像系统一直以来都面临着是否能够拍摄光线充足且聚焦清晰的图像的问题。然而，许多成像系统的实际情况是，在不受控环境（例如户外应用）中，光线可能并不充足或变化较大。通过了解光圈的光学影响及其与快门速度和增益的关系，可以进行精确调整，以优化成像系统，确保即使在最具挑战性的条件下也能够捕获到最佳图像。