远心镜头在痕迹物证照相中的应用
[贾常明
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引用本文
贾常明. 远心镜头在痕迹物证照相中的应用[J].刑事技术, 2021,46(4):370-373
JIA Changming. Applicability of Telecentric Lens in Photographing Evidential Traces[J]. Forensic Science and Technology,2021,46(4): 370-373
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2021.0095
JIA Changming. Applicability of Telecentric Lens in Photographing Evidential Traces[J]. Forensic Science and Technology,2021,46(4): 370-373
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远心镜头在痕迹物证照相中的应用
作者简介:贾常明,男,吉林农安人,硕士,副教授,研究方向为交通事故痕迹检验。E-mail: jcm12367@126.com
摘要
目的 通过对比实验探讨远心镜头在痕迹物证照相中的应用效果。方法 在相同光环境下,用等倍率常规相机微距镜头和远心镜头拍照相同的痕迹物面,从景深、清晰度、变形、边缘效果等方面进行比较。结果 常规微距镜头大光圈景深较差,小光圈（F/16）景深较好,但有变形,清晰度下降,图像亮度不均匀;远心镜头景深和变形兼顾较好,拍摄的图像亮度均匀,锐度较高,便于现场实时观察。结论 远心镜头在痕迹物证照相中具有一定的应用价值。
关键词:
痕迹学; 刑事照相; 景深; 变形; 远心镜头
中图分类号:DF793.2
文献标志码:A
文章编号:1008-3650(2021)04-0370-04
Applicability of Telecentric Lens in Photographing Evidential Traces
Abstract
Objective To probe into the applicability of telecentric lens in photographing evidential traces by way of comparative experiments.Methods Under the identical light circumstance, the same surface was respectively photographed with a conventional magnification-constant camera equipped of lens of either macro or telecentric. The comparison was made into the items of field depth, definition, deformation, and edge fidelity of the shot images.Results The conventional macro lens rendered poor field depth when the large aperture as the choice, in contrast to utilization of small aperture (F/16) having achieved the improved field depth yet occurrence of deformation, the decreased clarity and nonuniform brightness. The telecentric lens delivered the shot image of better balancing in both the field depth and deformation together with the even brightness and high sharpness.Conclusion The telecentric lens is of certain applicability in photographing evidential traces.
Key words:
trace science; criminal photography; field depth; deformation; telecentric lens
痕迹物证照相需要完整、清晰、准确、真实、不变形地反映痕迹物证。对于体积物和无法垂直拍摄的倾斜平面, 采用常规照相机和微距镜头拍摄该类物面上痕迹形态和微小物体时, 往往因镜头透视关系和景深不够而产生变形和模糊, 影响到下一步的测量和检验工作。如在车辆痕迹物证照相中, 很多部件由于表面结构不平整, 常规拍照往往会变形和模糊, 也不易发现微小物体。远心镜头具有高分辨、高景深、低畸变、无透视等特点, 在痕迹物证拍照方面是否可以解决景深和透视关系方面的问题, 本文通过实验来探究。
1 远心镜头原理与特点
远心镜头是工业机械视觉镜头, 主要是为纠正传统工业镜头视差而设计, 它在一定的物距范围内, 得到的图像放大倍率不会变化, 用以解决精密测量问题, 具有高分辨率、高景深、低畸变、无透视误差等特点[1]。
远心镜头工作原理是在物方焦平面或像方焦平面上放置光阑, 让物点上发出的与主光轴平行的光线成像（如图1）, 使物在一定物距范围内的像高一样(等倍率)[2, 3]; 远心镜头是平行光成像, 透镜的直径大于被测物体横向尺寸, 边缘畸变率较小; 由于滤去了其他方向的光, 使图像亮度均匀, 同时也使物体边缘清晰, 减少了测量误差。
 | 图1 普通镜头成像（a）和远心镜头成像（b）光路图Fig.1 Light-path route of image formation through the ordinary (a) and telecentric lens (b) |
远心镜头主要应用于[5]:
1）当被检测物体不在同一个测量平面时;
2）当被检测物体与镜头成一定角度时;
3）当被检测物体带孔径、或是三维立体时;
4）当需要低畸变图像效果亮度几乎完全一致时。
主要工作参数:拍摄范围; CCD大小; 工作距离; 放大率、分辨率; 景深、畸变率; 接口类型等。
根据远心镜头的成像特点, 将其应用到痕迹物证照相领域, 拍摄体积物和无法垂直拍摄的倾斜平面上痕迹形态和微小物体时, 可能会有较高的应用价值。
2 实验研究
2.1 材料和方法
2.1.1 实验材料
维视光学生产的双远心镜头（F口; 光圈F/16; 景深4 mm; 放大率0.561; 孔径100 mm; CCD:全画幅; 分辨率:71 lp/mm; 远心度:0.03° ; 畸变:0.05%）, 把该镜头安装在尼康D800机身上;
佳能微距100安装在佳能80D机身上（取放大率在0.5~0.66之间）;
检测物:体积物— — 橡皮; 平面物— — SD卡; 柱面物— — 蒲地蓝药瓶。
2.1.2 实验方法
在相同光照环境下, 针对同一客体, 分别使用双远心镜头拍照、微距镜头自动光圈（F/2.8）拍照和微距镜头小光圈（F/16）拍照, 在拍照过程中保持微距镜头放大率恒定。选择体积物— — 橡皮, 斜角拍照, 比较景深和透视关系; 选择平面物— — SD卡上的图案, 垂直平面拍照, 比较图像的清晰度问题; 选择柱面物— — 蒲地蓝药瓶柱面, 比较图像的对比度和边缘效果问题。
2.2 结果和讨论
图2、图3、图4分别为斜角拍照的橡皮图像、SD卡上的“ G” 字符局部（约1 mm × 1 mm）图案放大图像、蒲地蓝药瓶柱面图像。从图2a中可以看到测量尺寸的“ 等高性” 和一定景深; 从图2b可以看出显著虚焦模糊与透视变形效果; 从图2c可以看到透视变形和较大景深效果。从图3b和图3c的比较中可以看出, 微距镜头小光圈（F/16）的清晰度下降。从图4a中可以看出, 图像亮度较均匀, 边缘较好; 从图4b中可以看出, 图像两侧出现虚焦模糊; 从图4c中可以看出, 图像发暗, 亮度不均匀。把图4中的图像二值化后, 效果更加明显, 如图5所示, 图5a边缘黑白分明, 图5c边缘黑白模糊。
 | 图2 斜角拍照的橡皮（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.2 An eraser was photographed obliquely to deliver the image from (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
 | 图3 垂直拍照的SD卡上“ G” 字符细节（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.3 Character “ G” on one SD card was photographed vertically to give its imaging details from (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
 | 图4 垂直拍照的药瓶柱面（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.4 One medicine bottle was photographed vertically to show its imaging cylinder from (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
 | 图5 图4的二值化结果Fig.5 Presentation of Fig. 4’ s post-binarization |
远心镜头由于在焦平面上加上“ 小孔” 光阑, 根据几何光学原理, 使分辨率提高; 根据傅里叶光学原理[4], 相当于低通滤波, 使图像亮度均匀, 但由于过滤了高频分量, 使图像清晰度有所下降。
经上述实验发现, 远心镜头兼顾了景深与变形因素, 图像透视变形小、亮度均匀、边缘清晰, 适合一定场合下的痕迹物证照相工作, 实时观察效果较好, 便于发现微小物体; 微距镜头自动光圈（F/2.8）景深较小, 图像有明显的虚焦模糊和透视变形, 实焦部分清晰度较好; 微距镜头小光圈（F/16）景深较大, 但图像有透视变形、暗淡, 清晰度下降。
3 远心镜头在痕迹物证照相中的实际应用
根据上面实验结果, 远心镜头用于拍摄体积物和无法垂直拍摄的倾斜平面上痕迹形态和微小物体时具有常规镜头所不具备的景深大、变形小、图像清晰等优势。为进一步考察其在痕迹物证照相中的实际应用效果, 选择工具痕迹中钢丝钳的夹持面、枪弹痕迹中的弹壳柱面及螺丝上的微小物体, 使用远心镜头、佳能微距100自动光圈（F/2.8）和佳能微距100的小光圈（F/16）拍照, 结果见图6、图7、图8。
 | 图6 钢丝钳夹持面上的痕迹（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.6 The indicated mark was photographed from the clamping surface of one plier with (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
 | 图7 弹壳上的柱面痕迹（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.7 The indicated mark was photographed from the cylinder of one cartridge case through (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
 | 图8 螺丝杆螺纹上的痕迹（a.双远心镜头拍照; b.微距镜头自动光圈[F/2.8]拍照; c.微距镜头小光圈[F/16]拍照）Fig.8 The indicated mark was photographed from the threads of one screw via (a. bi-telecentric lens; b. macro lens with an auto aperture of F/2.8; c. macro lens with a small aperture of F/16) |
在图6a中可以看到前后平台尺寸差异, 在图6b、6c图片中, 由于透视变形, 后平台部分有所收缩, 尺寸失真。在相同光照环境下, 图7a相比图7b、7c, 亮度均匀、边缘清晰。图8a较好地反映出边缘附着的微小纤维物, 图8b、8c由于受景深和清晰度影响, 未能明显反映出该微小纤维物。工业远心镜头主要用在固定场景, 如固定的工作距离等。物方远心镜头长度相对较短, 但接口为C口, 不能接在普通相机上, 双远心镜头有F接口, 但长度相对较长, 比较笨重, 不便拿到现场工作。这样, 可根据痕迹物证拍照方面的需要, 设计有关技术参数, 开发出能接在普通相机上使用的物方远心镜头, 用于公安痕迹物证的拍照。
4 结论
在痕迹物证照相方面, 远心镜头与佳能微距镜头100自动光圈（F/2.8）和小光圈(F/16）拍摄效果相比, 对体积物和无法垂直拍摄的倾斜平面拍照时, 得到的图像透视变形小、亮度均匀、边缘清晰, 容易发现微小物体, 对痕迹物证照相具有积极意义。如能对现有远心镜头接口进行开发制作, 将更适合痕迹物证照相工作。
参考文献
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