Объектив — устройство, предназначенное для фокусировки светового потока на матрице видеокамеры.
Объективы делятся на монофокальные (объектив с постоянным фокусным расстоянием), вариофокальные (объектив с изменяемым фокусным расстоянием вручную) и трансфокаторы (объектив с изменяемым фокусным расстояние дистанционно).
По способу управления диафрагмой объективы делятся на объективы с фиксированной диафрагмой, с управлением диафрагмой Direct Drive и с управлением диафрагмой Video Drive.
Объектив — одна из основных частей системы видеонаблюдения. Его выбор определяет угол зрения телекамеры, чувствительность и во многом — разрешение всей системы.
Очень часто объективу при проектировании системы видеонаблюдения не уделяется должного внимания, хотя его неправильный выбор может впоследствии доставить немало неприятностей.
Выбрать объектив может быть не так просто. Особенно учитывая, что видеокамеры зачастую продаются уже со встроенным объективом, а это сужает возможности пользователя.
Часто бывает, что в погоне за копеечной экономией потребитель устанавливает на высококлассную телекамеру объектив со скверными оптическими характеристиками, а в результате изображение теряет критически важные детали, которые, увы, невозможно впоследствии восстановить никакой цифровой обработкой сигнала.
Существуют 7 основных критериев выбора подходящего объектива.
1. Фокусное расстояние / угол обзора.
2. Вариофокальный или фиксированный
3. Тип диафрагмы.
4. Число диафрагмы (светосила).
5. Цвет или “день/ночь”.
6. Разрешение.
Фокусное расстояние / угол обзора
Важнейшей характеристикой объектива является фокусное расстояние. Наряду с форматом ПЗС-матрицы оно однозначно определяет угол зрения телекамеры, а также дает возможность его изменения.
Фокусное расстояние – расстояние от оптического центра объектива до поверхности матрицы. Это расстояние измеряется от центра линзы до плоскости, в которой изображение является чётко сфокусированным. С фокусным расстоянием напрямую связано такое понятие, как угол обзора объектива. Короткое фокусное расстояние дает широкий угол обзора, но сами объективы, как правило, не отличаются “дальнобойностью”. По мере увеличения фокусного расстояния угол обзора камеры сужается, зато растет предельная дальность, на которой возможна детализация рассматриваемого объекта.
Диапазон фокусных расстояний, применяемых в CCTV, очень велик — от 1,4 мм (объективы типа “рыбий глаз”) до метров (у самых дорогих длиннофокусных трансфокаторов). Угол зрения может составлять от нескольких угловых минут до почти 180 градусов по горизонтали. Если “суперширокоугольная” оптика, пусть не самого высокого качества, распространена весьма широко (вспомним простейшие видеоглазки), то объективы с метровыми фокусными расстояниями настолько дороги и требуют такого могучего крепежа, что их использование крайне ограничено.
В простейшем случае фокусное расстояние объектива является постоянной величиной. В нем отсутствует механизм перемещения линз, что позволяет сделать объектив более дешевым при высоких оптических характеристиках. Долгое время именно такая оптика устанавливалась как на миниатюрные телекамеры, так и на камеры классической компоновки.
Наиболее распространены объективы с фокусными расстояниями: 2,6; 3,6; 4; 6; 8; 12; 16; 18 мм и т.д. Существуют объективы с промежуточными значениями фокусного расстояния, но они используются довольно редко. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием очень широко применяются для миниатюрных видеокамер, но могут использоваться и для профессиональных видеокамер.
Фокусное расстояние объектива может быть фиксированным или переменным. Например, фиксированный объектив 3мм или объектив с переменным фокусным расстоянием 3-10 мм (вариофокал). Пользователи систем видеонаблюдения зачастую выбирают вариофокальные модели. Однако фиксированные объективы дешевле и комплектуются с бюджетными камерами.
Одной из важных характеристик систем видеонаблюдения является угол обзора объектива. От него напрямую зависит количество и возможные места установки камер на объекте. Угол обзора объектива определяет величину видимого объекта и масштаб изображения в кадре.
Из этой схемы видно, что на величину угла обзора напрямую влияет не только фокусное расстояние объектива, но и размеры матрицы:
Нужно заранее, еще до установки видеокамер, определить, какой должна быть зона обзоpa камеры и кaкиe объeкты должны в нee попaдaть. Всегда выбирайте фокусное расстояние объектива соответствующим размеру зоны наблюдения: если в поле зрения видеокамеры попадут посторонние хорошо освещенные предметы на близком расстоянии, то электронный затвор автоматически уменьшит время экспозиции матрицы по усредненной освещенности кадра, что будет эквивалентно уменьшению чувствительности самой видеокамеры. В этом случае предельная дальность обнаружения резко сократится.
Вaжно нe выбpaть cлишком большую зону обзоpa, поcкольку, чeм большe обзоp, тeм мeльчe отдeльныe дeтaли нa изобpaжeнии.
Для опpeдeлeния тpeбуeмого углa обзоpa: выбepитe в кaчecтвe опоpных двe кpaйниe точки пpeдполaгaeмого изобpaжeния, cоeдинитe их пpямыми c мecтом pacположeния кaмepы видeонaблюдeния и измepьтe угол мeжду этими пpямыми. Ecли кaкиe-либо пpeпятcтвия мeшaют видеонаблюдению, пepeмecтитe кaмepу нa дpугоe мecто или устраните их из поля зрения камеры. Для обзоpa комнaты (угол ADC) потpeбуeтcя объeктив c углом обзоpa по гоpизонтaли нe мeнee 104°, a для контpоля двepи (угол ABC), — нe мeнee 14°. Однако, все объективы не имеют в обозначениях такого параметра, как угол зрения. Вместо него используется параметр «Фокусное расстояние». Однако можно достаточно просто определить требуемое фокусное расстояние, исходя из выбранного угла обзора и формата светочувствительной матрицы видеокамеры.
Очень важно найти правильный компромисс между широким углом обзора видеокамеры и необходимой детализацией изображения.
Новички часто допускают ошибку, считая, что если поставить камеру с высоким разрешением, то и при широком угле обзора, можно будет на достаточном расстоянии распознать человека. Однако, это не так. Вот один полезный совет для правильного подбора фокусного расстояния:
1. Знакомого человека, в поле зрения видеокамеры можно опознать на расстоянии не больше фокусного расстояния объектива видеокамеры в метрах. Например, видеокамера с f=9мм позволит узнать человека на расстоянии до 9м.
2. Незнакомого человека, в поле зрения видеокамеры можно 100% идентифицировать на расстоянии не больше половины фокусного расстояния объектива видеокамеры в метрах. Например, видеокамера с f=9мм позволит идентифицировать человека на расстоянии до 4,5 м.
3. Обнаружить человека в поле зрения камеры: Значение фокусного расстояния объектива в миллиметрах примерно равно расстоянию до человека в метрах, помноженное на семь (f: mm*7 = метров). Например, при использовании объектива 12.0 mm, вы обнаружите человека на расстоянии до 84 метров от камеры.
Для облегчения перевода углов обзора в фокусное расстояние можно воспользоваться соответствующими таблицами.
Зависимость угла обзоров объективов от фокусного расстояния
для объективов и светочувствительных матриц формата 1/3″
|
№ п/п |
Фокусное расстояние, |
Угол обзора по |
Угол обзора по |
|
1 |
1.3 |
110 |
93 |
|
2 |
1.4 |
105 |
90 |
|
3 |
1.47 |
101 |
85 |
|
4 |
1.6 |
95 |
80 |
|
5 |
2.0 |
83 |
68 |
|
6 |
2.1 |
81 |
65 |
|
7 |
2.3 |
77 |
60 |
|
8 |
2.5 |
71 |
57 |
|
9 |
2.8 |
65 |
52 |
|
10 |
2.9 |
63 |
50 |
|
11 |
3.0 |
62 |
48 |
|
12 |
3.5 |
55 |
42 |
|
13 |
3.6 |
53 |
41 |
|
14 |
3.7 |
52 |
40 |
|
15 |
3.8 |
51 |
38 |
|
16 |
4.0 |
48 |
37 |
|
17 |
4.2 |
46 |
36 |
|
18 |
4.4 |
45 |
34 |
|
19 |
4.5 |
44 |
33 |
|
20 |
5 |
39 |
30 |
|
21 |
6 |
33 |
25 |
|
22 |
7 |
29 |
22 |
|
23 |
8 |
25 |
19 |
|
24 |
8.8 |
23 |
17.5 |
|
25 |
10 |
20.5 |
15.4 |
|
26 |
12 |
17 |
12.8 |
|
27 |
15 |
13.7 |
10.3 |
|
28 |
16 |
12.8 |
9.6 |
|
29 |
25 |
8.2 |
6.2 |
|
30 |
35 |
5.9 |
4.4 |
|
31 |
50 |
4.1 |
3.1 |
|
32 |
60 |
3.4 |
2.6 |
|
33 |
70 |
2.9 |
2.2 |
|
34 |
100 |
2.1 |
1.5 |
| расстояние, мм (матрица 1/3″) |
по вертикали, град |
по горизонтали, град |
по диагонали, град |
распознавания, м |
наилучшего качества, м (идентификации) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зависимость угла обзоров объективов от фокусного расстояния
для объективов и светочувствительных матриц формата 1/4″
|
№ п/п |
Фокусное расстояние, |
Угол обзора по |
Угол обзора по |
|
1 |
1.3 |
123 |
110 |
|
2 |
1.4 |
120 |
105 |
|
3 |
1.47 |
117 |
102 |
|
4 |
1.6 |
113 |
97 |
|
5 |
2.0 |
100 |
85 |
|
6 |
2.1 |
97 |
80 |
|
7 |
2.3 |
93 |
75 |
|
8 |
2.5 |
88 |
72 |
|
9 |
2.8 |
82 |
65 |
|
10 |
2.9 |
80 |
63 |
|
11 |
3.0 |
77 |
62 |
|
12 |
3.5 |
69 |
55 |
|
13 |
3.6 |
67 |
53 |
|
14 |
3.7 |
66 |
52 |
|
15 |
3.8 |
65 |
51 |
|
16 |
4.0 |
62 |
48 |
|
17 |
4.2 |
60 |
46 |
|
18 |
4.4 |
57 |
45 |
|
19 |
4.5 |
56 |
44 |
|
20 |
5 |
51 |
40 |
|
21 |
6 |
43 |
33 |
|
22 |
7 |
38 |
29 |
|
23 |
8 |
34 |
25 |
|
24 |
8.8 |
31 |
23 |
|
25 |
10 |
27 |
20 |
|
26 |
12 |
22.6 |
17 |
|
27 |
15 |
18.2 |
13.7 |
|
28 |
16 |
17.1 |
12.8 |
|
29 |
25 |
11.0 |
8.2 |
|
30 |
35 |
7.8 |
5.9 |
|
31 |
50 |
5.5 |
4.1 |
|
32 |
60 |
4.6 |
3.4 |
|
33 |
70 |
3.66 |
2.95 |
|
34 |
100 |
2.75 |
2.06 |
Отметим, что угол обзора видеокамеры по горизонтали существенно шире угла обзора по вертикали, что следует учитывать при анализе “мертвой зоны” под видеокамерой.
Замечания:
• для одинаковых форматов большему фокусному расстоянию соответствует меньший угол обзора,
• для видеокамер с объективами соответствующего формата и одинаковыми фокусными расстояниями большему формату соответствует больший угол обзора,
• при установке объектива большего формата на видеокамеру с матрицей меньшего формата угол обзора определяется фокусным расстоянием объектива и размером матрицы, то есть, равен углу обзора штатного объектива для данной матрицы.
Искомое фокусное расстояние может быть получено теоретически или практически. Теоретическими методами являются:
-
• аналитический (например, из пропорции: отношение фокусного расстояния f к расстоянию до объекта l равно отношению длины ПЗС-матрицы h к горизонтальному полю зрения H:
f / l = h / H
• графический — графики или номограммы, построенные на основании этого соотношения:
• табличный (пример таблиц зависимости углов обзора от фокусного расстояния приведен выше);
• использование специального кругового калькулятора:
Круговые калькуляторы рассчитывают фокусное рас стояние объектива по следующей формуле:
где Ширина матрицы и Фокусное расстояние задаются в миллиметрах, а расстояние до объекта и ширина зоны обзоры в метрах или футах.
В качестве дополнительного удобства подобные калькуляторы вместо ширины матрицы в миллиметрах позволяют задавать общепринятый размер матрицы в дюймах, который проектировщик может найти в спецификациях камер видеонаблюдения.
Дополнительно такие калькуляторы позволяют рассчитать углы обзора камеры: горизонтальный и вертикальный.
Легкость использования простых круговых калькуляторов является их единственным достоинством. Но при этом у них есть три главных недостатка.
Во-первых, подобные калькуляторы не учитывают, что, как правило, установленная камера находится выше уровня земли и смотрит под наклоном к горизонту. А значит, непосредственно под камерой находится мертвая зона, которую камера не захватывает.
Ситуацию усугубляет традиция изображения зоны обзора на плане местности в виде конуса. По такому изображению нельзя правильно оценить реальное покрытие, которое обеспечивает камера, что приводит к ситуациям, когда после установки заказчик выясняет, что камера не захватывает определенные части объекта, что снижает защищенность объекта или приводит к необходимости перестановки камер, замены объективов уже после запуска системы видеонаблюдения в работу.
Данные недостатки эффективно устраняются следующими практическими методами:
• использование специального оптического видоискателя (искомое фокусное расстояние считывается с нониусной шкалы),
• использование переносного видеомонитора, видеокамеры и набора объективов,
• компьютерные программы, в том числе бесплатные, которые приведены ниже.
CCTV Design Lens Calculator
Простой и полезный инструмент для проектирования систем видеонаблюдения. Наряду с традиционной функцией Lens Calculator — расчетом размеров поля зрения в зависимости от расстояния и фокусного расстояния объектива, CCTV Design Lens Calculator предлагает новые, более эффективные инструменты.
С помощью CCTV Design Lens Calculator Вы сможете:
Выбрать наиболее подходящие объективы, высоты и места установки видеокамер для обеспечения требуемых параметров зон обзора.
Рассчитать для нанесения на план объекта размеры проекций зон обзора камер.
Расчет проекций осуществляется в трехмерной системе координат в зависимости от параметров и высоты установки камеры, требуемых диапазона высот и максимального расстояния видеонаблюдения. Удобно использовать полученные проекции для рисования на плане объекта при проектировании видеонаблюдения в любых графических программах.
CCTV Design Lens Calculator корректно рассчитывает все возможные положения камеры, не только стандартное положение.
Выбирать оптимальное разрешение (количество пикселей) камеры для решения поставленных задач.
Рассчитать расстояния от камеры до которых выполняются заданные критерии пространственного разрешения (плотность пикселей) и размера поля зрения. Удобно отметить эти расстояния на полученных ранее проекциях при проектировании видеонаблюдения в любых графических программах. Значения критериев пространственного разрешения по умолчанию соответствуют пяти регионам согласно CCTV Operational Requirements Manual 2009: Мониторинг и контроль (Monitor and Control), Обнаружение (Detect), Наблюдение (Observe), Узнавание (Recognize), Идентификация (Identify).
Рассчитать значения пространственного разрешения и размер поля зрения на заданных расстояниях от камеры.
Визуально, по автоматически масштабируемым фотографиям, оценивать подробность изображения различных предметов на заданных расстояниях от камеры или при заданных значениях пространственного разрешения. В составе CCTV Design Lens Calculator имеются фотографии и модели людей, а также автомобиля с номерным знаком. Можно добавлять фотографии.
CCTV Design Lens Calculator позволяет моделировать изображения от мегапиксельных камер с разрешением до сотен мегапикселей с использовании технологии PiP (Picture in Picture, Картинка в Картинке.
Имеется Цифровой ZOOM для более точной оценки разрешения.
CCTV Design Lens Calculator позволяет экспортировать результаты расчета калькулятора и модели изображений в виде скриншотов в форматы *.bmp, *.jpg, *.gif, *.tiff, *.png. А также копировать результаты и изображения в буфер обмена Windows.
CCTV Design Lens Calculator может работать с метрической и английской системами измерений.
Инструменты CCTV Design Lens Calculator основаны на профессиональной программе проектирования видеонаблюдения VideoCAD.
Ограничения:
CCTV Design Lens Calculator осуществляет расчет пространственного разрешения упрощенно, вдоль главной оптической оси камеры. Высота установки камеры, угол наклона камеры и высота измерения пространственного разрешения при расчете пространственного разрешения не учитываются. Эти параметры используются лишь для расчета проекций зон обзора.
При моделировании разрешения учитывается только количество пикселей. Другие факторы влияющие на подробность изображения объектов (компрессия, разрешение объектива, контраст, шумы и т.д.) не учитываются. Таким образом, модели изображений демонстрируют максимально возможную подробность изображения объекта при заданном пространственном разрешении. Реальное изображение объекта может быть менее подробным.
При моделировании пространственного разрешения по фотографиям, моделируемое пространственное разрешение не может превышать пространственного разрешения используемых фотографий.
При необходимости вы можете учесть некоторые из недостающих факторов самостоятельно, внося поправки, или использовать специализированную программу проектирования видеонаблюдения — VideoCAD.
Загрузить программу — CCTV Design Lens Calculator
ViewDesigner
Программа-калькулятор от Dallmeier Electronic для выбора телекамеры по параметрам объектива, размеру объекта наблюдения, расстоянию до него, месту установки телекамеры и др.
Удобный, быстрый и наглядный подбор фокусного расстояния объектива, высоты установки камеры и её наклона и другие параметры.
Версия программы англоязычная. Ниже приведен перевод и инструкция по применения
Для расчета оптимального фокусного расстояния:
1. Выбираем размер матрицы. (Опытным путем выяснили, что наиболее популярному размеру в наших камерах 1/3″ в этой программе соответствует 1/2″).
2. Выбираем фокусное расстояние объектива. (Какого либо полезного применения для функции «Вычисление» мы не нашли.
3. Выбираем вид «вертикальный» и здесь можно настроить:
3.1 Высоту крепления камеры
3.2 Угол наклона камеры
3.3 Требуемую высоту наблюдаемого объекта
3.4 Расстояние до наблюдаемого объекта
4. В окне «Отображение на мониторе» вы можете наглядно увидеть размер объекта на самом близком и самом дальнем из требуемых расстояний
5. Выбрав вид «горизонтальный» вы можете отрегулировать дальность до требуемых объектов и увидеть сколько метров в горизонтальной плоскости захватит камера.
6. Выбрав «Масштаб» и нажав печать, вы получите напечатанный эскиз вида в горизонтальной плоскости
Загрузить программу — ViewDesigner
CCTVLens
Программа позволяет оперативно получать значения фокусного расстояния объектива и углов обора по различным критериям для обнаружения или идентификации человека, чтение номера автомобиля. Не требует инсталляции.
Драйвер MSVBVM50.DLL необходимо вручную поместить в папку C:\WIN\SYSTEM
При работе с программой не забывайте пользоваться справкой-подсказкой из меню “справка”.
Загрузить программу — CCTVLens
IVA Lens Calculator
Наглядная программа для определения необходимого фокусного расстояния объектива от компании Bosch Security Systems.
IVA Lens Calculator – инструмент, позволяющий проектировщикам и инсталляторам подобрать оптимальное место установки камеры, подобрать объектив и оценить так называемую вероятность детектирования (POD Probability Of Detection).
Загрузить программу — IVA Lens Calculator
Размер матрицы видеокамеры
В зависимости от соотношения сторон (4:3 или 16:9), у матриц с одной и той же диагональю физические размеры различны (Таблица 1). Поэтому, например, камера на матрице 1/3’’ с соотношением сторон 4:3 дает больший угол обзора по вертикали и меньший по горизонтали, чем камера на матрице с такой же диагональю, но соотношением 16:9.
Зависимость физических размеров матрицы от соотношения сторон показана в таблице:
В целях облегчения подбора совместимой оптики и расчета углов обзора обычно заявляют ближайшее из стандартных значений для диагонали матрицы: 1’’, 1/2’’, 1/2.5’’, 1/2.7’’, 1/2.8’’, 1/3’’, 1/4’’. При этом измерять ее принято в видиконовых дюймах. Эта единица измерения, равная 2/3 обычного дюйма, была введена со времен зарождения телевидения, когда приёмным элементом в телекамере служила электронная трубка («видикон»), а размер обозначал её диаметр (в который должен был вписываться с запасом снимаемый кадр).
Помимо этого необходимо помнить, что на некоторых режимах работы камеры часть пикселей матрицы не используется. Поэтому при определении угла обзора следует говорить не столько о размере матрицы, сколько о размере активной области матрицы, которая может значительно изменяться (в некоторых случаях до 50% по вертикали). Таким образом, величина матрицы может отличаться от указанной в паспорте, а размер ее активной области — меняться в зависимости от режима работы.
При вычислении угла обзора следует учитывать не только эту особенность, но и тот факт, что аберрации реального объектива приводят к усложнению расчетов.
В большинстве объективов, используемых в CCTV, повышение качества изображения осуществляется путем усложнением оптической системы с целью уменьшения аберраций, влияющих на разрешающую способность. Это часто приводит к увеличению геометрических аберраций, таких как дисторсия, воспринимаемых как побочный эффект.
Рис. Идеальное изображение без дисторсии (а), изображение с дисторсией типа «подушка» (б), изображение с дисторсией типа «бочка» (в)
Например, положительная дисторсия сокращает угол обзора непропорционально быстро при уменьшении активной области матрицы на следующем фото.
Фото. Кадры, сделанные объективом с дисторсией (а) и объективом без дисторсии (б)
Этот эффект наблюдается как при смене режимов работы одной и той же камеры, так и при установке объектива на матрицы разных форматов. Например, видимый угол обзора у 8-мм дисторзирующего объектива на матрице может быть как у 6-мм, а на матрице 1/3 — как у 7-мм.
Таким образом, спрогнозировать, какими будут качество и масштаб видеоизображения для пары «камера-объектив» можно достаточно точно только если учитывать все влияющие на это параметры видеосистемы.
Формат объeктива
Объективы CСТV рассчитаны на применение со светочувствительными матрицами определенного размера: 1/4″, 1/3″, 1/2″, 1″ и т.д. и paзpaбaтывaютcя под конкpeтный фоpмaт ПЗC-мaтpицы кaмepы видeонaблюдeния. Однако, объeктив, пpeднaзнaчeнный для матрицы большeго фоpмaтa, можeт быть иcпользовaн для кaмepы, имeющeй матрицу мeньшего фоpмaта. Обpaтноe нeвepно, то ecть нeльзя иcпользовaть объeктив, paccчитaнный нa мaлeнький фоpмaт, cовмecтно c кaмepой видeонaблюдeния, имеющей матрицу большого фоpмaтa – это пpивeдeт к появлeнию тeмной окaнтовки изобpaжeния нa экpaнe видeомонитоpa.
Правильно определить формат объектива достаточно просто. Для этого следует учитывать, что он должен быть равным формату камеры видеонаблюдения или превосходить его.
Следует, однако, иметь в виду, что размер ПЗС-матрицы камеры видеонаблюдения влияет на угол обзора: чем меньше размер матрицы при одном и том же объективе, тем уже поле обзора камеры.
Таким образом, на камеру видеонаблюдения формата 1/3″ можно установить объектив из диапазона от 1/3″ до 1″, и при этом он будет создавать изображение, покрывающее всю поверхность ПЗС-матрицы.
Эту полезную особенность можно рассматривать как возможность выбрать наиболее подходящую оптику, поскольку, например, объектив формата 1/3″, установленный на камеру видеонаблюдения 1/3″, обеспечит тот же угол обзора, что и объектив 2/3″ с фокусным расстоянием 8 мм. Но качество изображения в этом случае будет выше, поскольку «работает» только центральная часть объектива, где оптика отшлифована более точно. Поскольку производители не практикуют превышения размеров объективов сверх требуемых условиями установки значений, следует обращать внимание на то, для какого размера матриц предназначается данный объектив.
Теперь, зная необходимый угол обзора и формат ПЗС-матрицы используемой камеры видеонаблюдения, следует определить фокусное расстояние объектива. Учитывая, как обычно будут располагаться наблюдаемые объекты относительно камеры, можно предварительно определить необходимую глубину резкости изображения, а значит, выбрать оптимальное фокусное расстояние объектива.
Всегда настраивайте фокусировку объектива с использованием нейтральных светофильтров (или в темное время суток). Это позволит максимально раскрыть диафрагму и, соответственно, уменьшить глубину резкости. Очень часто из-за ошибок в фокусировке изображение автомобиля и его номерного знака, четко видимое днем, становится размытым ночью.
Вариофокальный или фиксированный
Объективы для кaмep видeонaблюдeния выпускаются c фикcиpовaнным фокуcным paccтояниeм и c пepeмeнным фокусным расстоянием.
Объективы c пepeмeнным фокуcным paccтояниeм подpaздeляютcя нa вapифокaльныe объeктивы (с ручной регулировкой фокуса) и тpaнcфокaтоpы (с дистанционным управлением фокуса).
Вариофокальные объективы
Вариофокальные объективы позволяют изменять фокусное расстояние в пределах от 6 раз до 34 и более раз, получили широкое распространение и удобнее в эксплуатации. Это вызвано их неоспоримым достоинством — один единственный объектив способен решать задачи, которые раньше решались тремя-четырьмя типами объективов с фиксированной диафрагмой. Вариофокальный объектив позволяет гибко менять ширину угла. При использовании фиксированного объектива для изменения ширины угла придется перемещать видеокамеру.
При этом на операцию перестройки фокусного расстояния (угла зрения) объектива затрачивается незначительное время и нет необходимости в физической замене одного объектива на другой с необходимым фокусным расстоянием.
Например, один вариофокальный объектив с фокусным расстоянием 3,3-8 мм решает задачи, которые раньше решали 4 типа объективов фиксированным фокусным расстоянием f = 3,6; 4; 6; 8 мм. При всем том, что вариофокальный объектив имеет не значительную разницу в цене от объектива с фиксированным фокусным расстоянием и не требует больших затрат времени на осуществление операции по изменению фокусного расстояния.
Однако изготовление высококачественного “вариофокала” — весьма сложная задача, и не каждый производитель справляется с нею. Ведь у такого объектива имеются подвижные линзы, что требует гораздо большей точности изготовления оптической системы, чем, например, при изготовлении механизма автодиафрагмы. Поэтому именно при покупке вариофокальных объективов стоит перестраховаться и приобрести несколько более дорогую, но заведомо высококачественную “брендовую” оптику, не соблазняясь на супердешевые noname-объективы.
Кратность изменения фокусных расстояний у вариофокальных объективов обычно составляет от 2 до 10.
Все вариофокальные объективы, представленные на рынке, можно разбить на следующие категории в зависимости от диапазона изменения фокусного расстояния:
-
— короткофокусные – у которых фокусное расстояние регулируется от 1,6 до 3,4 мм;
— среднефокусные – с регулировкой фокусного расстояния (3 – 8) мм и (2,8 — 10 (12)) мм;
— длиннофокусные четырехкратные –(х4) – с фокусами (10 – 40) мм,
— десятикратные (х10) — (5 – 50) мм,
— двадцатикратные (х20) – (5 – 100) мм.
Также вариофокалы по своему применению можно разделить на:
-
— светосильные для высокочувствительных черно-белых камер и цветных камер типа «День-Ночь» с величиной относительного отверстия F £ 1.0;
— высокой четкости для черно-белых и цветных камер высокого разрешения;
— для цветных и черно-белых камер стандартного разрешения и чувствительности.
Наибольшим спросом в настоящее время пользуются вариофокальные объективы с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД) и без АРД.
Если на вариофокальный объектив поставить привод для дистанционного управления, он автоматически превратится в трансфокатор — один из самых мощных инструментов CCTV . Сейчас не редкость скоростные трансфокаторы, позволяющие быстро “увеличить” требуемый объект в 20-30 раз. В таких объективах обычно дистанционно изменяется фокусное расстояние (функция ZOOM), фокусировка (FOCUS) и диафрагма (IRIS). Использование камеры с трансфокатором без поворотного устройства в большинстве случаев неразумно -”наезд” всегда будет осуществляться в одну точку, поэтому большую популярность приобрели интегрированные комплекты Speeddome, включающие в себя телекамеру, объектив-трансфокатор, скоростную поворотную платформу и купольный корпус. Большая часть производимых сейчас трансфокаторов входит в состав таких изделий.
Вapифокaльныe объeктивы и тpaнcфокaтоpы (объективы с оптическим зумом) идeaльно подходят для тeх cлучaeв, когдa необходимо cлeдить зa обшиpной зоной и в то жe вpeмя имeть возможноcть paccмaтpивaть дeтaли изобpaжeния. Подобныe объeктивы дaют кaк общую пaноpaму, тaк и дeтaльноe увeличeниe нужного фpaгмeнтa общeй кapтины.
Они могут применяться на объектах, где при видеонаблюдении требуется время от времени дистанционно изменять масштаб контролируемого изображения. Некоторые из таких объективов имеют функцию предустановки — по сигналу тревоги автоматически происходит быстрая установка заранее заданного фокусного расстояния.
Использование вариофокального объектива (с ручной или моторизованной настройкой) избавит вас от необходимости подбирать объектив с фиксированным фокусным расстоянием, и позволит более точно навестись на номерной знак автомобиля.
Вариообъективы с сервоуправлением (трансфокаторы) позволяют изменять фокусное расстояние в пределах от 6 раз до 34 раз.
Для того чтобы подобрать вариообъектив с нужным диапазоном фокусных расстояний, можно воспользоваться следующими соображениями. Типовая ширина зоны контроля для аналоговой телекамеры составляет 3-3,5 м. При оцифровке PAL-сигнала с максимальным разрешением (720×576) высота символов номерного знака в кадре составит требуемые 14-27 пикселов (ширина пластины — 120-180 пикселов).
Для предварительной оценки требуемого фокусного расстояния f объектива можно использовать следующую формулу:
где L — расстояние от видеокамеры до объекта наблюдения,
W — ширина зоны наблюдения,
w — ширина ПЗС-матрицы видеокамеры:
для 2/3″ = 8,8 мм,
для 1/2″ = 6,4 мм,
для 1/3″ = 4,8 мм,
для 1/4″ = 3,2 мм.
Например, для видеокамеры 1/3″ и расстояния до номерного знака автомобиля 10 м, получим:
f = 4,8 • (10 • 1000) / (3,5 • 1000) ≈14 мм.
Ниже приведена таблица с ориентировочными фокусными расстояниями, более точные значения определяются в зависимости от характеристик конкретного видеооборудования.
Теперь рассмотрим некоторые недостатки вариофокального объектива.
Во первых — его нужно настраивать, а иногда это не очень удобно, особенно если у вас нет при себе тестового монитора. Причем настройка эта на самом деле не простая — мало того, что нужно найти оптимальное соотношение между фокусным расстоянием и резкостью, так производить ее надо со специальными фильтрами, затемняющими картинку или же в вечернее время суток, что не всегда удобно, учитывая тот факт, что рабочий день у монтажников, как и у всех нормальных людей — в светлое время суток. А многие ли инсталляторы могут похвастаться наличием специальных фильтров для настройки объектива видеокамеры? Далеко не многие.
А пробовали ли вы настроить вариообъектив на IP видеокамере, когда изображение на мониторе довольно сильно запаздывает от реального времени?
Вторым недостатком вариофокального объектива является худшая светосила (пропускная способность) по сравнению с фиксированным объективом. Об этом параметре вообще мало кто задумывается при выборе объектива для видеокамеры. А потом любители широких диапазонов, например 5-50, удивляются — почему вдруг эта камера так плохо показывает в сумерках, хотя раньше (с другим объективом) качество изображения этой же видеокамеры было куда лучшим.
Третьим недостатком вариообъектива является его способность расфокусировки со временем от механического воздействия или температурных условий. И монтажникам через несколько месяцев опять приходится выезжать на объект для настройки “куда-то уплывшей резкости”.
Ну и, наконец, четвертый недостаток вариофокала — это его цена. Всем известно, что вариообъектив дороже фиксированного, но этот факт мало кого останавливает. Люди часто желая сэкономить — идут на компромисс с качеством системы видеонаблюдения, совершенно забывая, что можно хорошо сократить бюджет заменив объективы на более дешевые без ущерба, а часто даже с выигрышем в качестве при помощи соответствующих программ проектирования CCTV.
Итак, подведем итог. У вариофокального объектива 2 преимущества, которые по своей сути сводятся к одному — возможность изменять угол обзора по месту установки видеокамеры.
Но, давайте помнить, что недостатков у него в 4 раза больше. Сложность, и необходимость настройки, худшая светосила, возможность расфокусировки со временем, и сравнительно высокая цена.
Не смотря на все это, вариофокальные объективы имеют очень высокую популярность и почти забвением покрыты объективы с фиксированным углом обзора.
Не лучше ли в некоторых случаях заранее определить необходимый угол обзора (с помощью компьютерной программы или же при помощи специального оптического устройства) и заложить в проект фиксированный объектив с требуемым фокусным расстоянием?
Тип диафрагмы
Диафрагмой называется непрозрачная преграда с отверстием, расположенная на пути светового потока.
Диафрагма используется для поддержания оптимальной яркости на элементе формирования изображения, чтобы обеспечить его резкость, четкость и правильность экспонирования для достижения хорошей контрастности и разрешения. Диафрагма может применяться также для контроля глубины резкости.
Рис. 1. Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий.
Так как диафрагма — это отверстие (окно), регулирующее диаметр светового пучка, проходящего через объектив, то очевидно, чем больше диаметр такого отверстия, тем больше света попадет на ПЗС-матрицу телекамеры и тем при меньшей освещенности эта телекамера сможет нормально “показывать”, например, в уcловиях cлaбой оcвeщенноcти или ночью. Большaя вeличинa знaчeния диaфpaгмы уменьшает световой поток, попадающей на светочувствительную матрицу, пpeдотвpaщaя «оcлeплeниe» кaмepы видeонaблюдeния при высокой освещенности (например, если камера направлена на окно комнаты) и поддepживaет поcтоянный уpовeнь яркости видeоизобpaжeния.
Упpaвлeниe количecтвом пpоникaющeго чepeз объeктив cвeтa оcущecтвляeтcя путeм peгулиpовки диaфpaгмы объектива.
По способу регулировки диафрагмы объективы можно разделить на три группы: с фиксированной, с ручной и с автоматической диафрагмой.
Фиксированная диафрагма
Внутри помещений, где освещенность может быть постоянной, можно использовать объективы с фиксированной диафрагмой. В объективе с фиксированной диафрагмой ее нельзя регулировать и она устанавливается с определенным индексным числом.
Объектив с фиксированной диафрагмой является самым простым. Иногда про него говорят, что он “без диафрагмы”, что, конечно, неверно, поскольку диафрагма (апертура) есть у любого оптического прибора, но бывает такая конструкция, что отсутствует возможность ее изменения. У такого объектива обычно нет никаких регулировок, он не имеет движущихся составных частей, а значит, весьма дешев, надежен (при условии соблюдения производителем технологии) и предельно прост в установке и обслуживании. Если речь идет об оптике с установочной резьбой М12 и менее, то она в подавляющем большинстве случаев поставляется вместе с телекамерой и в настройке вообще не нуждается. В случае замены такого объектива надо просто добиться четкого изображения на мониторе, вворачивая и выворачивая его в держателе камеры.
Ручная регулировка
Рассмотрим объективы с ручной регулировкой диафрагмы. Механизм обычно состоит из нескольких лепестков, способных двигаться при вращении кольца диафрагмы на тубусе объектива.
В объективах с ручной диафрагмой ее можно регулировать путем поворота кольца на объективе для открывания или закрывания диафрагмы. Это не очень удобно в местах с меняющимися условиями освещения, как в случае охранного видеонаблюдения в помещениях.
При открытой диафрагме типовые значения F-числа 1.2,1.4,1.6. При противоположном крайнем положении регулировочного кольца у многих объективов апертура закрывается полностью, и изображение не формируется. Линзы объектива остаются при этом неподвижными. Это позволяет установить нужное значение диафрагмы при установке телекамеры непосредственно на объекте, а при необходимости изменять его в процессе эксплуатации без замены объектива и обычно даже без демонтажа камеры. Такие объективы, конечно, значительно удобнее тех, у которых диафрагма фиксированная, так как позволяют точно настроить объектив, добиваясь приемлемого компромисса между глубиной резкости (минимальная апертура) и чувствительностью телекамеры (максимальная апертура) непосредственно на месте установки камеры, при конкретных условиях. Разумеется, при изменении уровня освещенности такой объектив не может автоматически “сдвинуть или раздвинуть шторки”, поэтому основное место применения оптики с ручной диафрагмой — помещения, причем с небольшой площадью окон и расположенные желательно не с южной стороны.
Ecли кaмepa видeонaблюдeния уcтaнaвливaeтcя в помeщeнии с постоянным уровнем освещения, то можно иcпользовaть pучную peгулиpовку диaфpaгмы. В этом cлучae, для peгулиpовки диафрагмы cлeдуeт пpоcто повоpaчивaть кольцо диaфpaгмы до тeх поp, покa изобpaжeниe от кaмepы нe cтaнeт хоpошо пepeдaвaть paзличныe оттeнки.
Автоматическая диафрагма
Для наружного, уличного применения лучше всего подходят объективы с автоматической диафрагмой. Лепестки диафрагмы перемещаются в таких объективах с помощью микропривода, управляемого электронной схемой, расположенной внутри объектива или камеры. По сути, механизм автодиафрагмы представляет собой отрицательную электронно-механическую обратную связь. При этом главная задача — “удержать” уровень видеосигнала телекамеры на номинальном уровне. Типовой заявленный диапазон изменения относительного отверстия, как правило, составляет от 1/1,2 или 1/1,4 (полностью открытая диафрагма) до 1/360 (полностью закрытая диафрагма). Это дает изменение освещенности на матрице более чем в 30 000 раз. Такой диапазон изменения диафрагмы не может быть обеспечен только за счет ее уменьшения в результате дифракционных и технологических ограничений. Для обеспечения требуемого диапазона на центральную часть объектива наносится поглощающее покрытие с переменной плотностью, увеличивающейся к центру апертуры (так называемый ND-фильтр).
Ecли кaмepa будeт уcтaнaвливaтьcя нa улицe или в уcловиях чacтого измeнeния уpовня оcвeщeнноcти, нeобходимо использовать объeктивы c aвтомaтичecкой peгулиpовкой диaфpaгмы. У таких объективов есть Аuto Iris, котоpый подключается, а соответствующее гнездо камеры. Вce профессиональные кaмepы видeонaблюдeния имеют выход сигнала Auto Iris, по котоpому от кaмepы будeт поcтупaть cигнaл нa упpaвлeниe вcтpоeнным в объeктив элeктpомотоpом, управляющим вeличиной откpытия диaфpaгмы.
При ярком освещении камера с автоматической диафрагмой может испытывать эффекты дифракции и размывания изображения, когда отверстие диафрагмы слишком мало. Эта проблема в особенности актуальна для мегапиксельных и HDTV камер, поскольку размер пикселей в элементах формирования изображения в них меньше, чем в камерах со стандартным разрешением. Таким образом, качество изображения в большей степени зависит от правильного диаметра диафрагмы (апертуры). Чтобы получить оптимальное качество изображения, необходим контроль в камере за положением отверстия диафрагмы. Проблемой объектива с автоматической диафрагмой является то, что такой контроль нельзя осуществлять камерой или со стороны пользователя.
Если необходимо проверить работоспособность механизма автодиафрагмы, то это можно выполнить следующим образом. Нужно кабелем подключить объектив к заведомо исправной видеокамере, но не наворачивать объектив на видеокамеру, а смотреть сквозь него на просвет — объектив будет закрыт. Затем следует закрыть отверстие видеокамеры — если объектив исправен, то на просвет будет видно, как откроется зрачок (видеокамера “подумала”, что вокруг стало темно).
Управление диафрагмой. VD- и DD-объективы
Если электронная “начинка” размещается в корпусе объектива, то с телекамеры на объектив подается напряжение питания и видеосигнал без синхросмеси. Когда уровень видеосигнала падает ниже номинального, формируется управляющее напряжение для открытия лепестков диафрагмы. Если видеосигнал увеличивается, диафрагма “закрывается”.
Регулятор LEVEL позволяет менять открытие диафрагмы при номинальном уровне, то есть фактически устанавливает яркость изображения. Регулятор ALC на объективе позволяет изменить или установить среднее значение освещенности, при которой обеспечивается номинальный уровень видеосигнала. Такая схема работы автодиафрагмы является наиболее гибкой и эффективной, она получила название Video Drive (VD). Если электронная схема управления диафрагмы располагается внутри телекамеры, на объектив подается непосредственно ток, управляющий приводом. Этот тип объективов называется Direct Drive (DD), или DC (управляемый постоянным током). Очевидно, что принцип действия автодиафрагмы в обоих случаях одинаков.
Большинство современных телекамер имеют переключатель, дающий возможность управления как VD-, так и DD-объективами. Учитывая то, что стоимость объективов DD несколько ниже, для бюджетных решений часто используют именно их. Однако электронная схема управления диафрагмой в телекамере обычно несколько упрощена по сравнению со схемой в VD-объективе: например, часто отсутствует регулятор ALC. Такая регулировка позволяет установить полезный в некоторых случаях режим, когда диафрагма не будет “закрываться” при попадании в поле зрения ярких точечных объектов (фонарей, автомобильных фар, бликов), допуская потерю части информации вблизи них из-за блюминга (”заливания белым”), сохраняя достаточно различимыми темные зоны “картинки”. У многих универсальных VD/DD-телекамер такого регулятора нет, поэтому в ответственных и сложных случаях для максимально точной настройки системы “камера-объектив” можно порекомендовать “умные” объективы с управлением диафрагмой видеосигналом (тип VD).
Многие объективы с автодиафрагмой имеют возможность дистанционного управления диафрагмой. Оператор управляет диафрагмой вручную с пульта и может оптимально настроить камеру для работы при разной освещенности. В настоящее время этот режим используется редко.
Автоматическая диафрагма, безусловно очень полезная на улице, не всегда обязательна, а иногда и вредна в помещении. Дело в том, что при регулировке диафрагмы у камеры изменяется глубина резкости, что в некоторых случаях может быть чревато потерей критически важной информации. Поэтому при стабильном и достаточно хорошем освещении лучше использовать оптику с ручной диафрагмой и режим электронного затвора на камере.
Глубина резкости — зона перед и за фокусируемой областью, в пределах которой все предметы остаются сфокусированными. Глубина резкости тем больше, чем больше значение относительного отверстия. Короткофокусные объективы имеют большую глубину резкости. С увеличением расстояния до объекта увеличивается глубина резкости. Протяженность зоны резкости за сфокусированным объектом больше, чем перед ним.
Надо сказать, что диафрагма весьма существенно влияет на глубину резкости (мы прищуриваемся, когда хотим что-то рассмотреть) — чем больше значение относительного отверстия, тем больше глубина резкости.
Необходимо учитывать, что настройку резкости объектива с автодиафрагмой следует проводить:
— при полностью открытой диафрагме,
— при минимальной освещённости (густые сумерки, ночь)
— или же используя нейтральные светофильтры для уменьшения общей интенсивности потока.
Это, в частности, является причиной типичной ошибки установщика — настраивать объектив с автодиафрагмой в солнечную погоду — диафрагма автоматически прикрывает объектив, глубина резкости большая (почти, как ни крути кольцо фокусировки, все резко). Зато вечером, когда солнышко сядет, зрачок объектива откроется, и вот тогда станет ясно, хорошо настроен объектив или нет. Реальную помощь в этой операции может оказать специальный нейтрально-серый фильтр (neutral density filter) — им при настройке прикрывают объектив с автодиафрагмой, имитируя сумерки.
Следует отметить, что фокус при обычном освещении и при инфракрасной подсветке отличаются, поэтому при использовании ИК-прожекторов следует устанавливать компромиссную фокусировку или использовать специальные объективы. К слову сказать, в последнее время появились объективы с встроенными по периметру диодами ИК-подсветки, что в ряде случаев может оказаться весьма удобным при эксплуатации.
Настройка объективов с автодиафрагмой — Перейти на страницу
Число диафрагмы
Число диафрагмы напрямую связано со светосилой объектива и качеством изображения при недостаточной освещенности. При указании характеристик объектива используется параметр F — число, характеризующее яркость изображения сформированного объективом.
Чем выше число F, тем меньше света попадает на матрицу, тем хуже будет картинка при тусклом освещении. Оно равно отношению фокусного расстояния к максимальному диаметру апертуры (диафрагмы). Например, объектив F1.4 в 4 раза более светосильный, чем объектив F2.8.
Число диафрагмы объектива требует большого внимания, особенно при сравнении камер различного форм-фактора или ценового диапазона.
Понятно, что при сравнимом размере апертуры светосила и относительное отверстие длиннофокусных объективов всегда меньше (а F-число соответственно больше), чем у короткофокусных.
Как правило, на объективе этот параметр указывается в виде F/1.4 или 1:1.4. Чем меньше параметр F, тем больше отверстие диафрагмы и тем больше света проходит через объектив, поэтому чувствительность видеокамер (0.05 lux F /1.2) указывается при определенном числе F. Такое обозначение указывает, что видеокамера реализует чувствительность 0.05 lux при использовании объектива с числом F равным 1.2, а во всех остальных случаях чувствительность видеокамеры будет отличаться от указанной в паспорте, как правило, в худшую сторону. Параметр F указывается на объективах с ручной и автоматической диафрагмой.
В случае использования вариофокального объектива, число F указывается в виде диапазона с двумя значениями (F 1.4-F 360), которые означают, что в условиях с плохой освещенностью относительное отверстие объектива может быть равно 1:1.4, а при очень высоком уровне освещенности оно составляет 1: 360. Благодаря этому, объектив позволяет удерживать освещенность ПЗС матрицы в определенном диапазоне, позволяющем получать постоянное, усредненное значения яркости изображения не зависимо от уровня освещенности на объекте.
Резкость, глубина резкости и четкость изображения
Резкость изображения
Резкость изображения объекта, удаленного от видеокамеры на какое-то расстояние достигается с помощью органов настройки, расположенных на объективе.
Основным органом, является движок расстояний или, как его часто называют, движок фокусировки. Изменяя положения этого движка, настраивается резкость изображения на экране монитора. Но, к сожалению, добиться резкого изображения таким способом не всегда удается.
Инсталляторы хорошо знают, что в дневное время суток при использовании широкоугольных объективов настроить их на резкость не представляется возможным. В этом случае во всем диапазоне регулировок движка расстояний изображение всегда резкое. Зато при снижении освещенности резкость изображения в зоне наблюдения может пропасть, а резкими окажутся объекты, не представляющие для службы безопасности ни какого интереса.
Так как же в таких случаях осуществить настройку объектива на резкость?
Существуют всего два способа, позволяющих обеспечить гарантированную резкость изображения объекта, удаленного от камеры.
Прежде всего, это настройка объектива на «бесконечность». При использовании этого способа движок расстояний нужно установить в положение «бесконечность». В этом случаи резкими будут все объекты, находящиеся от камеры, на расстоянии начиная с гиперфокального и до бесконечности.
Для получения еще большего диапазона расстояний, где объекты отображаются резкими существует другой способ. Он связан с тем, что объектив нужно сфокусировать непосредственно на гиперфокальное расстояние. При этом ближняя граница резкости смещается к видеокамере и будет равна половине гиперфокального расстояния, а дальняя граница равна бесконечности.
Параметр объектива — гиперфокальное расстояние легко вычисляется по формуле:
Где: f – фокусное расстояние объектива
k – кружок рассеяния
z – F-число объектива
H – гиперфокальное расстояние
Значения кружков рассеяния приведены в таблицы 1.
Таблица 1
Формат кристалла матрицы, дюйм 1/4 1/3 1/2 2/3
Диаметр кружка рассеяния, мкм 5 7,1 9,5 13
Достоинства выше описанных способов заключается в том, что инсталлятору не приходится «искать» положение органов настройки объектива, при котором изображение на экране монитора становится резким. Установив движок расстояний в положение «бесконечность» или на гиперфокальное расстояние изображение становится гарантированно резким за счет специфических свойств оптических систем.
Для длиннофокусных объективов настройку целесообразно проводить непосредственно на объект наблюдения или на расстояние, обеспечивающее максимальную глубину резкости.
Типы линз
По типу используемых линз объективы делятся на сферические и асферические.
В первом случае объектив состоит из недорогих линз сферического типа, а во втором — используются линзы более сложной формы. К основным преимуществам асферической оптики относится большая светосила (число F обычно не превышает единицы), а также отсутствие так называемых “сферических аберраций” (искажений), что позволяет отказаться от линз, исправляющих эти искажения, и, как следствие, увеличить пропускание, уменьшить массу и габариты объектива.
Ночью при использовании инфракрасной подсветки происходит некоторая расфокусировка изображения вследствие изменения длины волны. Существуют объективы, свободные от этого недостатка. Они позволяют получать сфокусированное изображение без перенастройки системы при освещении сцены излучением с длиной волны вплоть до 950 нм. Вслед за телекамерами некоторые объективы обзавелись механически удаляемым светофильтром, который “отрезает” ИК-излучение при ярком свете и пропускает его в темноте.
Цветные или “день/ночь”
Обычным объективам при установке их на чувствительные черно-белые камеры свойственна некоторая расфокусировка изображения при наблюдении с ИК подсветкой.
Инфракрасная коррекция (объективы с индексом «IR») — технология применения специальных оптических материалов, позволяющая значительно снизить дисперсию света в объективе, а следовательно свести к минимуму уход и «расползание» плоскости наилучшего изображения во всем диапазоне длин волн света, включая инфракрасную область. При этом улучшается разрешающая способность, контраст получаемого изображения и, как следствие, передача мелких деталей наблюдаемого объекта.
В обозначении этих объективов присутствует индекс «IR». Такие объективы еще называют «День-Ночь», т.к. они позволяют вести круглосуточное видеонаблюдение без дополнительной перефокусировки.
При использовании камер “день/ночь” с механическим ИК-фильтром следует отдавать предпочтение объективам с ИК-коррекцией (объективы “день/ночь”). В противном случае изображение будет смазываться в ночное время.
Объективы с ИК-коррекцией распространены на рынке, и их стоимость не очень велика.
Разрешение
Разрешающая способность — максимальное количество телевизионных линий (ТВЛ), различаемых в выходном сигнале камеры при минимально допустимой глубине модуляции 10%. Разрешение по горизонтали определяет максимальное количество градаций от черного к белому или обратно, которые могут быть получены от камеры в центральной области экрана. На краях экрана допускается некоторое ухудшение качества изображения. Чем выше разрешение камеры, тем более мелкие детали можно различить на изображении. Обычным разрешением считается 380-420 линий для черно-белых и 300-320 линий для цветных камер. В системах высокого класса используются, как правило, камеры с повышенным разрешением (500-600 линий для черно-белых и 375-450 линий для цветных камер).
Разрешение в оптике оценивается с помощью штриховых тестовых мир, представляющих собой мишень, как правило, на основе стеклянной пластины с нанесенными на ней штрихами. Количество таких штрихов, приходящихся на единицу длины, при условии их визуального распознавания и является мерой оценки оптического разрешения. Если при проецировании такой миры на фотоприемник на получаемом изображении визуально можно различить штрихи, значит объектив разрешает данную пространственную частоту. Основную информацию о разрешении объектива несет указание в его технических характеристиках минимального размера пикселя, или количества линий на миллиметр, не только в центре, но и на краю (например, Resolution (Center, Corner) – 100 lp/mm, 60 lp/mm, то есть разрешение в центре – 100, на краю – 60 линий на мм). Для аналоговых камер нормальным считалось разрешение в 30–60 линий на мм, у мегапиксельных это значение – от 150 и выше.
Разрешение объектива измеряется в линиях на миллиметр и определяется отношением максимально возможного количества белых полос, чередующихся с черными, которое данный объектив может спроецировать на рабочую зону ПЗС-матрицы с контрастом 20% к ширине этой зоны. Разрешение большинства объективов для охранного телевидения составляет от 50 до 150 линий/мм. Для мегапиксельных IP-камер выпускаются объективы с большим разрешением. Однако разрешение дешевых мини-объективов может быть и значительно меньше 50 линий/мм. При использовании оптики такого рода общее разрешение системы, скорее всего, будет ограничиваться именно объективом, что в большинстве случаев неприемлемо. Разрешение объектива неравномерно по полю. Максимальное и заявленное значение обеспечивается по центру апертуры. По краям для объективов хорошего качества разрешение снижается на 15-20%.
Видеокамеры обычно различаются разрешением в пикселях (1, 2, 3 Мпкс и т.д.), для объективов нет такого деления. Это бессмысленно, ведь объективы не имеют пикселей. Пиксель — составляющая матрицы.
Однако для удобства пользователей производители объективов иногда указывают разрешение для своих продуктов, например 1,3 Мпкс или FullHD. Технически более точно разрешение объектива измеряют в парах линий на миллиметр (lp/mm), то есть сколько линий объектив может показать на определенном участке изображения — чем больше, тем лучше.
Оптическое разрешение объективов, предназначенных для общих задач охранного видеонаблюдения, составляет около 30-60 линий на мм, а у лучших образцов оно доходит до 70-80 линий на мм.
Проблема в том, что производители объективов редко указывают это значение для своих продуктов, и сравнивать таким образом объективы невозможно.
Лучше всего использовать объективы, рекомендованные производителями камер. Дешевые объективы не позволят сильно сэкономить, зато создадут массу проблем.
Мегапиксели и супермегапиксели
В связи с распространением IP-камер и новых форматов сжатия получили распространения мегапиксельные объективы.
Чем же они лучше обычных? Основное отличие — в разрешающей способности.
Такие объективы обеспечивают полное разрешение мегапиксельных камер, высокий контраст. Это достигается в первую очередь качеством всех элементов объективов. В изделиях ведущих производителей, как правило, используются только стеклянные линзы, причем самой тонкой шлифовки. Скрупулезный подбор, сочетание линз со сферическими и асферическими поверхностями, тщательный расчет и точность механической конструкции – все это сводит к минимуму возможные геометрические и хроматические аберрации.
На следующем рисунке приведен известный график, отражающий разницу между объективами стандартного и мегапиксельного разрешения.
Рис. 1. Разрешение стандартных и мегапиксельных объективов
Из графика понятно, что немегапиксельный объектив хоть и будет формировать изображение на камере высокого разрешения, но он будет «загрублять» ее реальное разрешение.
И для хорошей детализации (в центре и особенно — по углам изображения) необходимо использовать мегапиксельные объективы.
Еще одним важным параметром мегапиксельных объективов является наличие ИК-коррекции. Так как цветных камер в чистом виде практически не осталось и большинство камер сейчас типа «день/ночь» (с механическим ИК-фильтром), то наличие ИК-коррекции становится важным требованием к объективу. ИК-коррекция предотвращает расфокусировку изображения при переключении камеры в ночной режим. На рис. 2 поясняется, для чего необходима ИК-коррекция в объективах.
Рис. 2. Смещение плоскости изображения при переходе в ИК-режим с использованием объектива без ИК-коррекции
В связи с тем что предложений мегапиксельных объективов с каждым днем становится все больше, у заказчика возникает вопрос: «Как же выбрать объектив? На какие параметры необходимо обратить внимание при выборе и как их проверить?»
Грамотный выбор
Первый параметр — это формат матрицы, на использование с которой рассчитан объектив. Форматы матриц, наиболее часто используемых в видеонаблюдении: 1/3″, 1/2,8″, 1/2,7″, 1/2,5″, 1/2″. Соответственно, объектив должен быть рассчитан на необходимый или больший формат матрицы. Иначе, если выбрать объектив под меньший формат, по углам изображения (особенно при минимальном фокусном расстоянии) вы увидите черные углы (рис. 3).
Рис. 3. Использование объектива формата 1/3″ с камерой, использующей матрицу формата 1/2,5″
Второй параметр это разрешение. Как правило, производители объективов указывают разрешение объектива в виде соответствия разрешению камеры, с которой данный объектив можно использовать: 1-мегапиксельный объектив или 3-мегапиксельный объектив. Однако тут нужно понимать, что разрешение объективов не измеряется в мегапикселях. Оно измеряется в параметре «линии/мм», о котором открыто мало кто заявляет. Откуда же берется разрешение объектива в мегапикселях? Лучше будет пояснить па примере. Разрешение 3-мегапиксельной матрицы по горизонтали составляет 2048 пкс. Размер каждого пикселя 2,5 мкм. Отсюда ширина рабочей зоны матрицы — 5,12 мм, которым должны соответствовать 2048 икс или 400 икс (линий) на мм. Но так как нас вес же интересует не количество пикселей, передающих сигнал, а пространственная частота (или по-другому — перепады яркости), то полученное значение делим пополам и получаем значение 200 пар линий/мм — объектив именно с таким разрешением можно назвать 3-мегапиксельным.
Третий параметр — это разрешение по краям изображения. Оптическое разрешение объективов уменьшается от центра к краям объектива — это связано с особенностями изготовления линз объективов. Поэтому важно выбирать оптику, позволяющую формировать высокое разрешение не только в центре, но и по краям изображения.
Четвертый важный параметр объективов для систем видеонаблюдения -это ИК-коррекция. ИК-коррекция объектива предотвращает расфокусировку изображсния при переходе камеры с механическим ИК-фильтром в ночной режим.
И пятый параметр — материал корпуса и линз. Пластиковые линзы имеют свойство мутнеть по прошествии времени, что сказывается на качестве изображения, формируемого объективом.
Важная особенность мегапиксельных объективов – их прочные корпуса, использование которых позволяет значительно снизить чувствительность изделий к вибрации, ударам, а также колебаниям температуры окружающей среды. Также с осторожностью нужно относиться к объективам с пластиковым корпусом. Корпус как таковой никак не влияет на разрешение объектива, однако при механическом воздействии на такой объектив (удар или даже закручивание объектива до упора в камеру), могут перекоситься линзы внутри, и изображение будет хуже (может снизиться разрешение, изменятся углы обзора или возникнут геометрические искажения).
Как же проверить параметры, выбирая объектив? Тем более что мало кто из производителей указывает реальное разрешение объектива. Самый лучший способ — это все увидеть своими глазами (при этом по возможности создайте обстановку без света видимого диапазона, но с ИК-излучеиием — например, в помещении без окон и с ИК-прожектором), чтобы проверить наличие ИК-коррекции объектива.
Не следует использовать объектив стандартного разрешения с мегапиксельной видеокамерой. В большинстве случаев это приведет к существенному ухудшению изображения.
Для камер 3 Мпкс и менее на рынке представлен большой спектр качественных объективов. Следует убедиться, что на упаковке или в инструкции указано — объектив предназначен для использования с мегапиксельными камерами. Сложнее с камерами, имеющими разрешение более 3 Мпкс. Во-первых, существует не так много вариофокальных объективов. Во-вторых, объективы довольно дорого стоят.
Широкая апертура мегапиксельных объективов позволяет получать четкие изображения при низкой освещенности. Кроме того, эти объективы обеспечивают высокую точность распознавания изображений, что достигается путем уменьшения уровня искажений и улучшением показателя равномерности освещения, передаваемого на ПЗС-сенсор. В линейках мегапиксельных объективов ведущих производителей, как правило, присутствуют изделия с разным фокусным расстоянием.
Для правильного выбора объектива необходимо также ответить на несколько простых вопросов.
1. С какой камерой будет использоваться объектив?
Cовмecтимоcть объeктивa и кaмepы видeонaблюдeния, нa котоpую он будeт уcтaновлeн, опpeдeляeтcя нe только фоpмaтом и типом регулировки диафрагмы, но и типом кpeплeния объeктивa. Видеокамеры могут иметь различные крепления объективов, но все они стандартизированы.
По диаметру посадочного отверстия (установочной резьбы) объективы можно разделить на три большие группы: C/CS-mount, с установочной резьбой М12 и с другими размерами резьбы.
Миниатюрные видеокамеры имеют крепление M12 с резьбой 12х0,5 мм. Полноразмерные профессиональные видеокамеры обычно имeют СS-тип кpeплeния, однaко, cущecтвуют и модeли c тaк нaзывaeмым C-кpeплeниeм. C кaмepaми СS-типa возможно иcпользовaть обa типa объeктивов, однaко для объeктивов C-типa (для получeния peзкого изобpaжeния) тpeбуeтcя уcтaновкa пepeходного кольцa толщиной 5 мм мeжду кaмepой и объeктивом. Иcпользовaть объeктивы СS-типa c кaмepaми C-типa нeльзя, поcкольку в этом cлучae нeвозможно уcтaновить объeктив доcтaточно близко к ПЗC-мaтpицe для получeния peзкого изобpaжeния.
2. Уровень освещенности на объекте – постоянный или изменяется
От этого зависит, какой тип диафрагмы надо использовать.
Если освещение на объекте постоянно и неизменно и заранее известно, то можно использовать объектив с фиксированной диафрагмой, как самый недорогой.
Если уровень освещения постоянный, но заранее неизвестен или иногда меняется, то можно использовать объектив с диафрагмой, управляемой вручную.
Если освещение меняется (камера установлена на улице или там, где есть только естественное освещение, или требуется работа системы видеонаблюдения ночью), то нужно использовать объектив с автоматической регулировкой диафрагмы. Они делятся по способу управления на прямой DD (Direct Drive) и по видеосигналу VD (Video Drive).
Какой способ управления автодиафрагмой лучше — прямой или по видеосигналу? В принципе, это одно и то же, но все- таки во втором случае сбалансированы все связи в одном приборе, изготовленном на одном предприятии, что позволяет более точно подстроить его параметры в экстремальных случаях (например, при попадании прямого солнечного света).
Существуют также объективы с дистанционным управление диафрагмой. Как правило, они устанавливаются в видеокамеры с оптическим зумом (вариообъективы с сервоуправлением).
3. Насколько яркое освещение на объекте
От этого зависит выбор светосилы объектива.
Яркость изображения на светочувствительной матрице камеры, и, соответственно, величина светового потока, пропорциональны квадрату относительного отверстия объектива. Следовательно, объектив с относительным отверстием 1:5,6 даёт в 16 раз более темную картинку, чем с относительным отверстием 1:1,4.
Особое внимание следует обратить на значение относительного отверстия, до которого закрывается диафрагма. Встречаются значения относительного отверстия до 1:300 и больше. Большие значения минимального относительного отверстия обеспечивают больший динамический диапазон освещенностей, при которых отсутствует эффект засветки. Это особенно важно, если применяются высокочувствительные камеры.
4. Какой угол обзора должен обеспечивать объектив
Нужно заранее, еще до установки видеокамер, определить, какой должна быть зона обзоpa камеры и кaкиe объeкты должны в нee попaдaть. Вaжно нe выбpaть cлишком большую зону обзоpa, поcкольку, чeм большe обзоp, тeм мeльчe отдeльныe дeтaли нa изобpaжeнии.
Для опpeдeлeния тpeбуeмого углa обзоpa: выбepитe в кaчecтвe опоpных двe кpaйниe точки пpeдполaгaeмого изобpaжeния, cоeдинитe их пpямыми c мecтом pacположeния кaмepы видeонaблюдeния и измepьтe угол мeжду этими пpямыми. Ecли кaкиe-либо пpeпятcтвия мeшaют видеонаблюдению, пepeмecтитe кaмepу нa дpугоe мecто или устраните их из поля зрения камеры. Для обзоpa комнaты (угол ADC) потpeбуeтcя объeктив c углом обзоpa по гоpизонтaли нe мeнee 104°, a для контpоля двepи (угол ABC), — нe мeнee 14°.
