Как изменить фокусное расстояние на камере видеонаблюдения

Фокусное расстояние камеры видеонаблюдения — это параметр объектива видеокамеры, который мы берем за основу при расчете зоны видеонаблюдения.  От его величины и физического размера матрицы зависит угол обзора объектива. Проведя не сложные геометрические расчеты можно довольно точно определить зону, которая будет попадать в кадр камеры видеонаблюдения.

Для ведения видеонаблюдения на обширном участке используются камеры с широким углом обзора, а при просмотре объектов «зажатых», типа длинный коридор с узким.

Параметры, влияющие на угол обзора

Как уже писалось выше, три параметра видеокамеры взаимозависимы, это:

1. Фокусное расстояние объектива;
2. Угол обзора объектива;
3. Физический размер матрицы видеокамеры.

Чем больше фокусное расстояние объектива, тем меньше угол обзора. Следовательно, можно наблюдать за объектами, которые находятся на относительно большом удалении от камер видеонаблюдения. И наоборот, чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора. Соответственно в кадр камеры попадает больше объектов.

Угол обзора, также зависит от размера чувствительного элемента –матрицы. Чем больше размер матрицы, тем меньше угол обзора камеры и наоборот.

Расчет фокусного расстояния объектива видеокамеры

Расчет фокусного расстояния камеры видеонаблюдения необходим для правильного подбора видеокамеры. Конечно, производители указывают в технических характеристиках нам физический размер матрицы, фокусное расстояние и иногда угол обзора. Но для общего понимания, посмотрим, что влияет на выбор фокусного расстояния, это:

1. На каком расстоянии находится объект наблюдения;
2. Физического размера матрицы;
3. Размера объекта.

Итак, имея заданные  технические характеристики камеры, можно рассчитать  фокусное расстояние объектива камеры видеонаблюдения по следующим формулам:

F= h*S/Н или F= v*S/V,

где h – размер матрицы по горизонту;

S – расстояние до объекта видеонаблюдения;

H – горизонтальный размер объекта;

 v – размер матрицы по вертикали;

 V – вертикальный размер объекта.

Размеры сторон матрицы камеры видеонаблюдения приведены  в таблице:

Размер матрицы	1/4”	1/3”	1/2”
По горизонтали, мм	3,2	4,8	6,4
По вертикали, мм	2,4	3,6	4,8

Пример расчета фокусного расстояния и выбор камеры

Необходимо наблюдать за въездом и проходом через ворота на территорию предприятия;

Задача наблюдения: обнаружение машин и людей при въезде входе на территорию предприятия;

Ширина прохода и ворот 6 метров;

Расстояние от камеры до прохода 7 метров;

Камера Proto AHD-1W-EH10F(?)IR, после буквы F должно указываться фокусное расстояние. Его мы рассчитаем по вышеприведенной формуле:

F=3.2*7/6=3,7 мм,

где 3,2 размер матрицы по вертикали, т.к. в камере Proto AHD-1W-EH10F(?)IR установлена матрица размером  1/4”. Так как объективы на видеокамере выполнены с фиксированными фокусными расстояниями, то выбираем ближайший меньший т.к. если выбрать ближайший больший, то часть объекта не будет попадать в кадр камеры.

Выполним ещё одну проверку камеры на пригодность. Зона контроля имеет ширину 6 метров, задача стоит обнаружение. При обнаружении человека необходимо, чтобы на один метр контроля приходилось 20-30 пиксел разрешения камеры. При несложных расчетах видно, что камере Proto AHD-1W-EH10F36IR по силам не только обнаружение, но и распознавание человека на объекте, не говоря уже о машинах. На самом деле ещё необходимо вычислить фокусное расстояние по вертикали, а также высоту и угол установки видеокамеры, но мы эти расчеты намеренно упускаем, т.к. мы не ставим перед собой задачу полного расчета, мы хотели показать на данном примере только методику расчета фокусного расстояния и выбора камеры по этому расчету.

Скачать таблицу «Зависимость углов обзора от фокусного расстояния и размера матрицы» в формате .xlsx

Для расчетов основных параметров камер видеонаблюдения можно использовать бесплатный калькулятор, с помощью которого можно не только получить численные значения показателей, но и визуально определить, как будет выглядеть группа силуэтов людей в кадре. Скачать калькулятор можно здесь.

Часто возникают ситуации, когда нет возможности четко определить зону контроля видеокамерой, или возникает необходимость менять размер этой зоны, но с небольшой периодичностью. Бывает и так, что человек хочет на месте более точно определить зону контроля. В этих случаях поможет камера с вариофокальным объективом, на которых можно менять без особых проблем фокусное расстояние вручную. Если же у вас возникает потребность приблизить или отдалить объект оперативно, то можно использовать камеру с моторизированным объективом. Существуют камеры, позволяющие не только оперативно менять фокусное расстояние (приближать, отдалять объект), но и изменять ракурс видеонаблюдения в пределах 360 градусов по горизонтали и 180 градусов по вертикали. Такие камеры называются Speed doome, о них вы можете почитать в статье «Скоростные купольные камеры»

Есть камеры с коридорным режимом видеонаблюдения. Такая камера устанавливается вертикально, а изображение поворачивается на 90 градусов. Таким образом, на мониторе отображается картинка не горизонтально, а вертикально. При этом отражается  больше «полезной» информации, чем это было бы при нормальном расположении камеры.

Статьи

1. Как выбрать камеру видеонаблюдения?
2. Настройка аналоговых видеокамер. OSD-меню.
3. Технология PoE (Power over Ethernet)
4. AHD DVR. Сравнение режимов 12fps и 25fps. (видео)
5. AHD технология: качество 720p/1080p по коаксиалу на 500 м без задержек и потерь
6. Технология Intelligent Heater

Чтобы получить больший угол обзора…

Имеется в хозяйстве вот такая IP камера:

Все бы ок, вот только угол обзора у объектива 3.6мм вообще не айс и для небольших помещений он слабо подходит.
Но, в большинстве потребительских IP камер его можно заменить.
В некоторых требуется частичная или полная разборка, в данной же камере все предельно просто — достаточно выкрутить объектив по резьбе.

За ним можно лицезреть пленочку ИК фильтра и матрицу:

Есть несколько распространенных видов резьбы, в домашних камерах чаще всего применяется резьба M12 — диаметр 12мм с шагом 0.5мм, такая же и в этой камере.
Помимо типа резьбы и фокусного расстояния, при выборе объектива стоит обращать внимание на его поддержку ночного ИК режима, а также поддержку размера матрицы в вашей камере, т.к. в противном случае можно получить обрезанное по краям изображение.
Заказанный мной объектив всему этому соответствует, матрица на моей камере 1/4″.
По опыту я решил, что под мои условия подойдет объектив 2.5mm.
Чем меньше эта цифра фокусного расстояния, тем более широким будет угол обзора, а все объекты в кадре более мелкими, все как бы отдалится. Но слишком усердствовать не стоит, т.к. края будут все более искажаться, а при 1.29мм круг сомкнется и изображение превратится в «рыбий глаз».
И наоборот, чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора, а объекты в кадре крупнее, это и есть приближение, может понадобиться, например, если нужно наблюдение за отдаленным объектом.

Полные характеристики заказанного мной объектива таковы:

Features:
2.5mm 130°  wide angle board lense for CCTV cameras 
has standard M12x0.5 thread, suitable for both
1/3" and 1/4" CCD chipsets, with an aperture of F2.0.
Standard M12x0.5 thread 
Image format for both 1/3" and 1/4" CCD

Specifications:
Angle of View: 130°
Focal Length: 2.5mm
Back Focal Length: 5.44mm
Format: 1/3", 1/4" 
F/No : 2.0 
Mount thread : 12x 0.5
Weight: 7g 

Приехал в обычном пакетике, на котором продавец сделал пометку о его фокусном расстоянии:

В комплекте только сам объектив и защитный колпачок:

Размеры: длина 17мм, диаметр лицевой части 14мм, диаметр резьбы 12мм.
Сравнение со старым:

Входит как по маслу, но есть одно но — в конструкции штатного объектива есть белая «мантия», прикрывающая створ камеры от попадания пыли, новый же таковой не обладает, вокруг него есть крупные щели:

В принципе, можно забить и использовать так, что я и делал некоторое время, тонны пыли туда не пройдут, но лучше все-таки чем-то прикрыть.
Со старой мантию не снять, она прочно приклеена, поэтому я пошел в ближайший хозмаг и прикупил пару резиновых колечек:

Пускай и не досконально плотно, но они прикрыли щели:

Сбившийся фокус настраиваю в Live View режиме, можно в браузере, можно на смартфоне — просто вращать объектив пока фокус не станет наилучшим.
Вот уже три месяца я использую этот объектив, меня все устраивает, качество видео он не испортил, искажений не добавил, хотя матрица в этой камере сама по себе не фонтан и уже устарела.
И в заключение этого мини-обзора дам сравнение картинки днем и ночью на 3.6мм и 2.5мм объективах:

На этом пока все, всем спасибо за внимание.

Среднее время чтения — 4 мин. 20 сек. Обновлено 23.12.2022.

Фокус определяет угол обзора, то есть насколько широко будет «видеть» камера. При грамотном выборе фокусного расстояния на видео отобразится охраняемый объект, иначе… готовьтесь к расходам. Придется покупать новый объектив (если он сменный!) или другую камеру.

Что такое фокусное расстояние объектива

Этот параметр указывается в характеристиках, он измеряется в миллиметрах. Технически это расстояние от объектива до оптической матрицы, на которую фокусируется картинка.

Но нам важно понять другое, а именно – как соотнести фокусное расстояние с конкретным объектом? Допустим, камера должна контролировать ворота. Ширина ворот 10 метров, от места установки камеры до ворот – 20 метров. Какой фокус выбрать для камеры видеонаблюдения?

Сознайтесь, захотелось поискать онлайн-калькулятор и быстро высчитать необходимый фокус? Спокойствие, не все так просто. В формуле используется три параметра, в то время как у нас есть только два (протяженность объекта и расстояние до него). Еще нам нужно знать размер оптической матрицы, который «привязан» к камере. Фактически эти калькуляторы полезны только при покупке объектива для конкретной видеокамеры.

Чаще всего производители используют сенсоры 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма. Для матрицы 1/2 дюйма фокусное расстояние в примере с воротами будет равно 12.8 мм, для 1/3 дюйма – 9.6 мм, для 1/4 дюйма – 6.4 мм. Если не хотите усложнять себе жизнь подсчетами и дюймами – ориентируйтесь на углы обзора. Например, IP-камера IPTRONIC IPT-IPL720DM(2,8)PA с оптическим сенсором 1/2.9 дюйма и фокусом 2.8 мм обеспечивает горизонтальный обзор 101 градус.

Виды объективов по типу фокуса

Прежде чем задаваться вопросом, какое фокусное расстояние лучше для камеры видеонаблюдения, рассмотрим популярные типы объективов.

• Фиксированные. Их фокусное расстояние не меняется, обозначается одним числом – например, 3.6 мм. Поле зрения нельзя регулировать. Конструкция является простой, стоимость – минимальной. Видеокамеры с фиксированной оптикой подходят для наблюдения за статичными объектами, как в примере с воротами.

• FishEye, или «рыбий глаз». Такая оптика представляет собой короткофокусную разновидность фиксированной. Фокусное расстояние – небольшое, обзор – панорамный. К примеру, видеокамера Hikvision DS-2CD2935FWD-I оснащена объективом с коротким фокусом 1.16 мм, но и обзор у нее соответствующий – 180 градусов. Одна такая камера контролирует большое пространство, причем во все стороны сразу.

• Вариофокальные. Фокусное расстояние и угол обзора меняются вручную, непосредственно на камере. Например, IP-камера Smartec STC-IPM3550A/1 StarLight укомплектована оптикой 3-10 мм под поле зрения 95…29 градусов. Такая оптика является универсальной, ее легко настроить под особенности объекта.

• Моторизованные. Фокусное расстояние изменяется без прямого ручного вмешательства. Настройка может производиться дистанционно – по команде удаленного оператора, или автоматически. Например, когда видеокамера «сопровождает» движущийся в поле ее зрения объект. Такие объективы обеспечивают наивысшее качество изображения: с регулировкой углов обзора, масштабированием, настройкой резкости. Так, PTZ-камера RVi-1NCZX20732-I1 оснащена объективом-трансфокатором 4.9-156 мм с оптическим увеличением х33 и изменением угла обзора от 62.8 до 2.2 градуса.

Какое фокусное расстояние выбрать для камеры видеонаблюдения – фиксированное или изменяемое? Что для вас лучше – ручная настройка или моторизованное управление фокусом?

Что важно знать о фокусном расстоянии

Чем меньше фокус – тем шире поле зрения. Выбор фокусного расстояния камеры видеонаблюдения определяется тем, какой вам нужен обзор. Объективы с коротким фокусом (1-3 мм) дают панорамную картинку. К примеру, транспортная мини-камера IPTRONIC IPT-VC108-2108(2,5) имеет поле зрения 120 градусов при фокусе 2.5 мм, она хорошо справляется с контролем дорожной обстановки.

С увеличением фокусного расстояния обзор сужается, при этом детализация увеличивается. Самыми популярными являются камеры с фокусом 3-6 мм, их поле зрения приближено к человеческому глазу. Длиннофокусные объективы (6-12 мм и больше) используются для наблюдения за удаленными объектами. Также их применяют в местах, где нужно получить максимум информации – например, для контроля кассовых операций. Видеокамера устанавливается над кассовой зоной и «смотрит» непосредственно на нее. При соответствующем разрешении легко фиксируются номера купюр, другие мелкие детали.

Теперь вы знаете, как выбрать фокус камеры видеонаблюдения в зависимости от решаемых задач.

Настройка зума и фокуса в вариофокальной камере видеонаблюдения вручную

Вам нужно настроить ручной зум и фокус в вариофокальной видеокамере? Это довольно просто, но требует некоторой практики, чтобы получить правильную картинку. В этой статье мы объясним, как работают как масштабировать и фокусировать видеоизображение у камер данного типа.

Вариофокальные камеры безопасности поставляются с регулируемым объективом, который можно изменять при установке. Есть два типа вариофокальных камер:

• моторизованные, которые можно регулировать с помощью программ, установленных на видеорегистраторе,
• с ручным масштабированием.

Ручная вариофокальная камера — это камера, которую можно настраивать, увеличивая или уменьшая получаемое изображение, а также фокусировать вручную. Например, если вариофокальная камера имеет объектив 2,8–12 мм, это означает, что она может варьироваться от широкоугольной (2,8 мм) до очень узкой (12 мм).

Имейте в виду, что варифокальные камеры не являются поворотными камерами, они лишь предоставляют возможность откалибровать камеру под правильный угол обзора. Как только настройка будет завершена, изображение останется неизменным.

Вариофокальные камеры видеонаблюдения состоят из двух регулируемых частей для масштабирования и фокусировки. Вы можете увеличивать или уменьшать масштаб и фокусироваться на изображении, пока оно не станет резким и четким.

Есть несколько способов проверить видео с вариофокальной камеры, которую вы пытаетесь использовать. Вы можете подключить камеру к видеорегистратору, а затем проверить изображение на мониторе. Кроме того, вы можете подключить мобильный телефон к записывающему устройству и видеть камеры на телефоне.

При монтаже камеры достаточно с помощью мобильника проверить изображение в режиме реального времени. Другой метод — использование портативного тестового монитора, который обычно используется профессиональными монтажниками систем видеонаблюдения.

Главное помните, при монтаже не нужно применять силу к винтам масштабирования или фокусировки камеры, поскольку они могут сломаться. Если вам трудно поворачивать, скорее всего, винты уже достигли конца своего диапазона поворота. Любое повреждение аннулирует гарантию на камеру.

На рисунке ниже показано, где находятся винты регулировки зума и фокусировки.

Для настройки данных параметров найдите винты масштабирования и фокусировки, расположенные на нижней стороне камеры. При просмотре изображения в реальном времени на мониторе или мобильном телефоне медленно поверните шестигранник или обычную отвертку на шестеренке масштабирования.

В зависимости от того, в какую сторону вы поворачиваете винт, изображение будет увеличиваться или уменьшаться. При медленном увеличении изображение начнет размываться, поэтому нужно с помощью другого винта сделать изображение более четким.

Поворачивайте другой винт с надписью «Фокус», пока изображение на экране не станет резким и четким. Медленно поверните его и повторяйте, пока изображение не будет вас устраивать.

Некоторые камеры можно сфокусировать, если полностью увеличить масштаб. Это зависит от качества камеры. К сожалению большинство вариофокальных камер на рынке не могут фокусироваться, когда объектив установлен на максимальное или минимальное значение.

Если вы не можете сфокусировать камеру, немного увеличьте или уменьшите масштаб изображения и попробуйте сфокусировать камеру снова.

Регулировка фокуса очень чувствительна, вам нужно сделать поворот минимальный поворот винта, чтобы получить резкое изображение.

При ручной настройке вариофокальной камеры лучше начать с фокусировки камеры, а затем лишь увеличивать или уменьшать масштаб. Если вы увеличите масштаб слишком сильно, изображение станет слишком размытым, чтобы увидеть что-либо на экране.

Перечисленные выше правила настройки применимы практически ко всем варифокальным камерам с ручным зумом, независимо от их марки или типа.

Похожие записи

Видеокамеры безопасности с переменным фокусным расстоянием предлагают инсталляторам и интеграторам систем безопасности несколько преимуществ по сравнению с камерами безопасности с фиксированным объективом, в том числе в плане гибкости.

Частая жалоба монтажников и интеграторов систем безопасности касается установки камер с фиксированным фокусным расстоянием объектива. Зачастую это головная боль — переустановить камеру для того, чтобы изменить или настроить угол обзора.

Необходимость переустановки видеокамеры наблюдения вызывает разочарование как у заказчика, так и установщика, так как это означает дополнительный расход драгоценного времени и денег.

1. Простая настройка фокусного расстояния видеокамеры наблюдения

Варифокальные видеокамеры предлагают диапазон фокусных расстояний и обеспечивает гибкость настройки, позволяя изменить поле обзора без переустановки. Регулируемый объектив с переменным фокусным расстоянием позволяет специалисту безопасности настроить фокусное расстояние, чтобы обеспечить желаемый обзор.

Это особенно полезная функция для клиентов, которые часто меняют свое мнение. Например, клиент может требовать определенное фокусное расстояние, а затем, увидев изображение, решит, что хочет лучше вести наблюдение под другим углом.

Благодаря видеокамерам наблюдения с переменным фокусным расстоянием, специалист по настройке систем безопасности может отрегулировать и настроить фокусное расстояние камеры вручную, с помощью простой регулировки объектива. Это устраняет необходимость в переустановке камеры с целью настройки фокусного расстояния, как это было в случае использования камеры безопасности с объективом с фиксированным фокусным расстоянием.

2. Экономная установка

Несмотря на то, что видеокамеры наблюдения с фиксированным объективом, как правило, стоят дешевле, чем варифокальные камеры, на самом деле преимущество на стороне видеокамеры наблюдения с переменным фокусным расстоянием.

Для того, чтобы изменить фокусное расстояние или поле зрения видеокамеры, вам не придется тратить время на демонтаж и повторный монтаж устройства. Кроме того, некоторые видеокамеры наблюдения с фиксированным объективом не могут обеспечить желаемое фокусное расстояние даже после повторной установки.

Видеокамера наблюдения с варифокальным объективом в долгосрочной перспективе может реально сэкономить клиенту больше денег, предлагая гибкость изменения фокусного расстояния в настоящем или будущем времени, без необходимости снятия камеры со стены или потолка, латания дыр и переустановки камеры для захвата нужного фокусного расстояния.

3. Моторизированные функции варифокального объектива для легкой установки

Некоторые камеры с переменным фокусным расстоянием имеют моторизованный объектив. Моторизованный варифокальный объектив предлагает легкую регулировку фокусного расстояния камеры и упрощает монтаж, так как фокусируется автоматически.

4. Автодиафрагма для лучшего наружного видеонаблюдения

Камеры безопасности с варифокальным объективом оснащены автоматической диафрагмой, которая делает такие камеры более эффективными при изменении условий освещения.

Объективы с автоматической регулировкой диафрагмы более технологически продвинутые, чем объективы с фиксированной диафрагмой. Объективы с автоматической регулировкой диафрагмы также моторизованные, что позволяет автоматически регулировать открытие радужной оболочки, чтобы приспособиться к изменяющимся условиям освещения дня и ночи.

5. Большая гибкость

Выбор видеокамер безопасности с варифокальным объективом вместо видеокамер наблюдения с фиксированным объективом обеспечивает гораздо большую гибкость установки и свободу регулировки фокусного расстояния в случае изменения требований к видеонаблюдению.

Источник www.supercircuits.com. Перевод статьи выполнила администратор сайта Елена Пономаренко

Хотите, чтобы система видеонаблюдения выполняла свои функции на все сто? Для этого необходимо правильно рассчитать фокусное расстояние. 

Очень часто в попытке сэкономить люди самостоятельно подбирают видеокамеры, после чего сильно разочаровываются в работе построенной системы наблюдения. Причин тому может быть множество: неверная схема размещения камер, не тот тип объектива, неправильно подобранные углы обзора. Как бы там ни было, клиент получает не то, чего ожидал. Чтобы вы не попали в подобную ситуацию, рекомендуем ознакомиться с изложенным ниже материалом.

Камера — не глаз

Несмотря на все достижения технического прогресса, даже самой лучшей камере наблюдения всё ещё очень далеко до человеческого глаза. Сколь высоким бы ни было разрешение сенсора, ни одна компактная камера не может тягаться с глазом по части динамического диапазона, различимости деталей и скорости фокусировки на отдельном объекте. Мы можем смотреть вдаль вплоть до самого горизонта и в следующую секунду рассматривать линии на собственной руке. Мы можем наблюдать за объектом, находящимся справа, затем молниеносно перевести взгляд на другой объект, находящийся на 130° левее. Камера же вынуждена смотреть прямо и всегда на то расстояние и под таким углом, на которое ей позволяет фокусное расстояние объектива. Многие специалисты в сфере видеонаблюдения считают этот параметр чуть ли не более значимым, чем разрешение сенсора, ведь от него напрямую зависит, опознаем ли мы лицо злоумышленника или нет.

Влияние фокусного расстояния на угол обзора

Угол обзора видеокамеры определяется фокусным расстоянием её объектива: чем это расстояние больше, тем меньше угол. Широкий угол зрения позволяет вам держать в кадре большую площадь, но не даёт нужной детализации. В то же время узкий угол даёт прекрасную детализацию обозреваемого сектора, но вместе с тем сужает поле зрения — вы видите меньше. Широкий угол отлично подходит для наблюдения за обширной территорией, например, за участком возле контрольно-пропускного пункта или за стоянкой авто.

Узконаправленный объектив хорошо себя проявляет, когда важно наблюдать один объект с максимально возможной детализацией: это может быть касса супермаркета или рабочее место офисного сотрудника. К слову, достаточно часто покупатели совершают ошибку, полагая, что недостаток детализации при широком угле обзора удастся компенсировать высокой разрешающей способностью. К сожалению, это невозможно: аберрации оптической системы просто не дадут донести до матрицы свет без искажений. Судите сами:

В Сети содержится масса таблиц и формул, помогающих рассчитать фокусное расстояние объектива. Однако все они носят лишь приблизительный характер, а зачастую и вовсе могут ввести в заблуждение неискушённого клиента. Как правило, подобные формулы заимствованы из устаревших справочников и ГОСТов, составленных для аналоговых камер с весьма посредственной матрицей. Чтобы по-настоящему оценить возможности оборудования и понять, с какого расстояния та или иная камера сможет распознать лицо человека или номерной знак авто, нужно посмотреть отснятое ею видео.

Предлагаем вам ознакомиться с нашим роликом, в котором наглядно показана способность камер распознавать лица и номера машин в зависимости от формата (HD или Full HD) и фокусного расстояния объектива. Нами были протестированы объективы 3,6 мм, как наиболее универсальные, а также чуть более узкоспециализированные 6 мм.

Мы настоятельно рекомендуем нашим покупателям опираться на личный визуальный опыт при выборе фокусного расстояния объектива. Слишком уж много факторов, влияющих на качество изображения: начиная от разрешения и чувствительности матрицы и заканчивая банальным качеством оптики. Если же у вас нет возможности протестировать оборудование в магазине или нет времени искать ролик, демонстрирующий способности камеры к распознаванию номерных знаков и лиц, можете воспользоваться изложенным ниже советом.

Разумеется, такой расчёт носит лишь приблизительный характер. Для получения более точных данных о фокусном расстоянии рекомендуем полагаться на личный опыт или же воспользоваться математической формулой, которую мы приведём позже.

Как вы уже поняли, при выборе фокусного расстояния крайне важно найти оптимальный баланс между детальностью изображения и полем зрения. Следует также иметь в виду, что все короткофокусники (2,8 мм и меньше) грешат оптическим искажением по краям кадра, из-за чего возникает ощущение, будто смотришь в дверной глазок. Чтобы избежать этого, стоит остановить свой выбор на объективах с бóльшим фокусным расстоянием. Наиболее универсальными в данном отношении являются объективы 3.6 мм. Они дают достаточно широкий угол обзора и вместе с тем не нарушают симметрию кадра. Вместе с тем не рекомендуем зацикливаться на одном типе камер, даже если их угол обзора кажется вам оптимальным. Помните: качественные системы наблюдения всегда основываются на тщательной компоновке нескольких камер с различными углами обзора и типами объективов.

Вычисляем фокусное расстояние под определённую задачу

Чтобы правильно подобрать тип объектива и его фокусное расстояние, нужно обладать следующими данными:

1. Место, где будет смонтирована камера наблюдения.

Для отображения качественной, детализированной картинки камера наблюдения должна правильно подбирать диафрагму, то есть менять диаметр затвора в зависимости от степени освещённости сцены. Все современные уличные видеокамеры способны автоматически регулировать данный параметр, так как освещение постоянно меняется в зависимости от погоды и времени суток. Более того, топовые модели способны производить анализ освещённости на более глубоком уровне. Этому помогает технология WDR (Wide Dynamic Range), способная «вытягивать» картинку даже при ярком фронтальном освещении.

2. Дистанция до объекта и размер охватываемого периметра.

Зная эти параметры, можно вычислить приблизительное фокусное расстояние. Оно рассчитывается по формуле:

f = v • S/V,

где:
f — фокусное расстояние;
v — размер сенсорной матрицы по вертикали;
S — дистанция до наблюдаемого объекта (в метрах);
V — высота объекта (в метрах).

Размер матрицы можно определить, пользуясь данной таблицей:

Приведём пример расчёта.
Предположим, нам нужно вести наблюдение за сегментом здания высотой 18 метров с дистанции 30 метров. Для камеры наблюдения, оснащённой матрицей формата 1/3″, получаем:
f = 3,6 • 30/18 = 6 мм
Следовательно, для наших целей лучше всего подойдёт объектив с фокусным расстоянием 6 миллиметров. Однако следует иметь в виду, что такой расчёт вовсе не гарантирует распознавания лиц и номеров авто. Руководствуясь данной формулой, можно лишь понять, будет ли камера охватывать нужную территорию.;

3. Потребность в изменении угла зрения по мере использования.

Если в процессе наблюдения предстоит менять угол съёмки, следует подыскать камеру с ручным или механическим трансфокатором. В противном случае подойдёт любая камера без такового. Ручной трансфокатор настраивается с помощью отвёртки, механический позволяет регулировать приближение/удаление прямо с пульта.

СОВЕТ:
Всегда подбирайте фокусное расстояние в соответствии с размером наблюдаемого периметра и не пытайтесь заменить две камеры одной. Если перед объективом вдруг окажутся хорошо освещённые предметы или люди, частично перекрывающие обзор, электроника откорректирует экспозицию матрицы в соответствии с общей освещённостью кадра. Это равносильно понижению чувствительности камеры, в связи с чем дальность обнаружения существенно ухудшится.

Типы объективов

В сфере видеонаблюдения широко распространены шесть типов объективов.

Фиксированные

С фиксированными объективами всё предельно просто — они не позволяют менять фокусное расстояние и их конструкция предельно проста. По этой причине они стоят дёшево и пользуются широким спросом. Такие объективы обычно выбирают, когда настраивают систему наблюдения один раз и надолго.

Варифокальные

Варифокал позволяет вручную настраивать фокусное расстояние, в связи с чем имеет более широкую область применения. Варифокальные объективы предпочитают фиксированным, когда есть вероятность перемонтирования камер на другой объект или имеется необходимость настройки углов непосредственно на объекте с целью полного устранения слепых зон.

Трансфокаторы (варифокал с мотором)

Существуют камеры, оснащённые трансфокатором — моторизированным варифокальным объективом, позволяющим менять фокусное расстояние дистанционно. Их главным минусом является высокая цена. Ещё один минус заключается в полном отсутствии или очень плохой работе автофокуса. Как правило, такие камеры используются в сложных системах наблюдения, когда необходимо контролировать большое открытое пространство.

Рыбий глаз

Объективы «рыбий глаз» в какой-то мере уникальны. Они дают возможность вести панорамную съёмку всего помещения, а потом программно разбивать видеопоток на несколько виртуальных камер. Хранить материал можно в изначальном сферическом виде, а при необходимости доставать из архива и отсматривать нужный сектор с цифровым увеличением.

PTZ

Камера PTZ даёт пользователю полный удалённый контроль над выбором направления съёмки и зумом. Устройство может управляться автоматически (по заранее заданному алгоритму) или вручную. Топовые модели имеют встроенную на уровне прошивки функцию автослежения за движущимся объектом. Если камера засекает изменение пикселей в поле своей видимости, она тут же перемещает видоискатель и фокусируется на этом месте.

SpeedDome

SpeedDome — это очень скоростные поворотные купольные камеры с мощным оптическим зумом (до 35X). Они имеют широкие настройки управления и отлично подходят для наблюдения за большой открытой территорией.

Заключение

Надеемся, наша статья, основанная на опыте применения различных объективов с широким диапазоном фокусных расстояний, будет для вас полезной. Подбирайте правильное оборудование, опираясь на собственный визуальный опыт или же математические расчёты, произведённые специалистами. Только в этом случае система наблюдения будет выполнять свои охранные функции на все сто!

---

Статья размещена с согласия автора: ООО «СамараКам»

Оригинал статьи: www.samaracam.ru

Методическое пособие по системам охранного телевидения

Н.В. Будзинский, А.Г. Зайцев, А.С. Гонта, А.А. Михайлов

Объектив в CCTV – оптическая система, формирующая изображение на фоточувствительном элементе видеокамеры.

Рис. 1Схема объектива
Объектив состоит из группы передних линз, диафрагмы и группы задних линз. Разрез одного из объективов приведен на рис. 1.
Объективы бывают сферические и асферические. Каждый из этих объективов может иметь просветленную или обыкновенную оптику.
Сферические объективы получили большее распространение в связи с тем, что они изготавливаются из сферических линз, которые дешевы в изготовлении и технологичны.
Однако им присущи недостатки – так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения (разрешающую способность) и ограничивают максимально возможное отверстие диафрагмы (F-число таких объективов обычно имеет величину F1.2 – F1.4).
Асферический объектив внешне отличается от сферических объективов видом передней линзы. У таких объективов аберрационные искажения имеют незначительную величину, что позволяет им иметь F-число F0.75 – F0.8. Такое маленькое значение F-числа позволяет в среднем в три раза увеличить световой поток, проходящий на видеокамеру.
Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда недостаток освещенности зоны наблюдения не может быть восполнен никаким другим способом.
Сферические и асферические объективы могут иметь просветленную оптику. Она уменьшает светорассеяние на пути прохождения светового потока до ПЗС-матрицы. Для уменьшения светорассеяния в объективе на линзы, имеющие контакт с воздухом, наносят специальное покрытие, и такие объективы носят название «просветленный объектив».

Она предназначена для регулирования количества света, попадающего на ПЗС-матрицу видеокамеры. Диафрагма состоит из лепестков, количество которых может быть от 3 до 20. Чем больше лепестков в диафрагме, тем больше отверстие диафрагмы приближается к окружности, создавая тем самым равномерно освещенное световое пятно на ПЗС-матрице. Шкала диафрагмы стандартизована и образует следующий ряд относительных отверстий:

1:0,7;  1:1;  1:1,4;  1:2; 1:2,8;  1:4;  1:5,6;  1:8;  1:11;  1:16;  1:22;  1:32;  1:45;  1:64.
Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий, приведен на рис. 2. Знаменатели относительных отверстий (2; 2,8; 4; 5,6) называются диафрагменными числами

Рис. 2 Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий

Значение диафрагмы влияет на такие параметры, как:

– аберрация – чем меньше отверстие диафрагмы, тем ниже уровень аберраций и выше разрешение, но только до определенного предела (обычно 1:8 – 1:11), далее разрешение опять падает из-за влияния дифракции;

– глубина резкости – чем меньше отверстие, тем больше глубина резкости.

К сожалению, значение диафрагм на объективах, используемых в CCTV, определить невозможно в связи с тем, что на корпусе объектива отсутствует шкала диафрагменных чисел.

По управлению диафрагмой объективы CCTV можно разделить на группы в соответствии с рис. 3.

Рис. 3 Группы объективов по управлению диафрагмой

Объективы без диафрагмы используются только с видеокамерами, имеющими автоматический электронный затвор (Shutter).

Объективы с диафрагмой подразделяются в свою очередь на объективы с ручной диафрагмой и объективы с автоматической диафрагмой.

Объективы с ручной диафрагмой используются в местах с постоянной освещенностью (в помещениях с искусственным освещением). Такие объективы можно использовать и на улице, но с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.

Объективы с автоматической диафрагмой управляют световым потоком за счет сигналов, приходящих от видеокамеры. Такие объективы используются в условиях больших перепадов освещенности и внешне отличаются от остальных объективов наличием кабеля с разъемом, который подключен к видеокамере.

По сигналам управления, приходящим от видеокамеры, объективы с автоматической диафрагмой подразделяются на:

– управление диафрагмой в соответствии с изменяющимся видеосигналом (Video Drive);

– управление диафрагмой постоянным током (Direct Drive).

Управление диафрагмой по видеосигналу (Video Drive) означает, что анализ видеосигнала и управление мотором диафрагмы осуществляет специальное устройство, размещенное в объективе.

Управление диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) означает, что схема принятия решения о положении диафрагмы находится в видеокамере, а в объективе имеется только мотор как исполнительное устройство.

На корпусе объективов с управлением диафрагмой по видеосигналу присутствуют два регулирующих элемента. Обозначаются они как «Level» и «ALC».

Регулировка «Level» используется для настройки режима работы электронной схемы объектива по реальной освещенности. При вращении регулятора «Level» мы искусственно изменяем значение диафрагмы. На мониторе изменение положения регулятора «Level» воспринимается как изменение яркости изображения.

Регулятор «ALC» имеет две области регулирования. Это область средних значений (обозначается «А») и область пиковых значений (обозначается «Р»).

Регулятор «ALC» используется для устранения обратной засветки в высококонтрастных сюжетах.

Объективы с управлением диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) не имеют на своем корпусе никаких регулировок. Настройка таких объективов осуществляется на видеокамере, которая должна иметь уже известные нам органы настройки «Level» и «ALC».

 Принцип работы автоматической диафрагмы

Автоматическая диафрагма в объективах обеспечивает возможность видеокамере иметь на ПЗС-матрице постоянный уровень освещенности, независимо от ее изменения на объекте. Для решения такой задачи автоматическая диафрагма должна иметь в своем составе устройство управления диафрагмой и блок анализа уровня освещенности на ПЗС-матрице. В качестве элемента управления диафрагмой используется миниатюрный электромотор, а освещенность на ПЗС оценивается по видеосигналу, формируемому видеокамерой. Чтобы привязать уровень освещенности на объекте к допустимому уровню освещенности на ПЗС-матрице, на объективе есть регулировка «Level». Если эта регулировка выставлена неправильно, то изображение на мониторе может быть или очень темным, или настолько ярким, что некоторые места изображения будут пересвеченными. Поэтому правильным положением регулятора «Level» можно считать такое, при котором при вращении регулятора изображение из пересвеченного становится нормальным. После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой (подробно см. в разделе «Настройка и регулировка объектива»).

а                                                                                 b                                                         c

Рис. 4 Принцип работы автоматической диафрагмы

Рассмотрим, как работает автодиафрагма. Установим перед видеокамерой тест-таблицу (рис. 4а), состоящую из полос разной яркости. К видеокамере подключим монитор, и наша тест-таблица будет отображаться на экране в виде шести градаций яркости (рис. 4b). Ко второму выходу монитора подключим осциллограф и настроим его на отображение одной строки. На экране осциллографа изображение тест-таблицы будет выводиться в виде шести равномерно расположенных ступенек (рис. 4с). Нижняя ступенька соответствует черной полосе на тест-таблице, а самая верхняя – белой полосе. Ступеньки, находящиеся между ними, передают промежуточные градации яркости. Для наглядности справа от осциллограммы изображена вертикальная полоска с яркостями соответствующих ступенек.

А теперь представим себе, что по каким-то причинам уровень яркости белой полосы на нашей тест-таблице значительно возрос. Такое увеличение яркости на входе видеокамеры будет присутствовать и в ее выходном сигнале (рис. 5а) в виде существенно увеличенной амплитуды белой полосы относительно «уровня белого». Поэтому автодиафрагма сразу же начнет уменьшать отверстие диафрагмы, тем самым, уменьшая и амплитуду выходного сигнала до такого значения, когда амплитуда белой полосы вернется к «уровню белого» видеосигнала (рис. 5b).

а                                                                                 b                                                         с

Рис. 5 Яркостные уровни белой и черной полосы

Но с уменьшением амплитуды белой полосы пропорционально уменьшаются уровни и всех остальных градаций яркости. В результате вместо шести градаций с равномерным изменением яркости на экране мы получаем три градации, причем большая часть экрана становится черной (рис. 5с). Такой случай характерен при работе камеры в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения, находящийся на переднем плане, представляет темное пятно, а фон – это ярко освещенный задний план.

Частично исправить такую ситуацию может регулятор «ALC». Вращая его, мы заставляем автоматическую диафрагму объектива «не обращать внимания» на яркий участок в кадре и даже допустить пересвечивание экрана в этом месте. Зато, манипулируя регуляторами «Level» и «ALC», нам удастся сохранить большую часть исходных градаций яркости 

Когда освещенность на объекте изменяется одинаково для всех градаций яркости, то автоматическая диафрагма отрабатывает их, и мы на мониторе не замечаем никаких изменений.

Однако стоит отметить, что отверстие диафрагмы начинает изменять свое значение в зависимости от того, как настроен регулятор ALC. Если регулятор установлен в положение «А», то диафрагма начнет изменять свое значение только в том случаи, когда освещенность изменится  на большей части кадра (обычно половина кадра).

Если регулятор ALС установлен в положении «Р», то диафрагма отслеживает изменение освещенности вплоть до пиксела.

Разрешающая способность

Разрешающая способность объектива – это основной параметр, характеризующий способность оптической системы давать раздельные изображения очень мелких, близко расположенных деталей изображаемых предметов. Разрешающая способность количественно равна максимальному числу штрихов (линий), приходящихся на 1 мм оптического изображения и видимого в этом изображении раздельно. Разрешающая способность объектива измеряется в линиях на 1 мм (lpm) или в паре линий на 1 мм (lp/mm), она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Падение разрешения на краях изображения вызывается наличием у объектива аберраций, значение которых на краях всегда больше, чем в центре. Аберрация (сферическая и хроматическая) – это недостаток объектива, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие через объектив, не собираются в одну точку (фокус), а создают крупный расплывшийся (нерезкий) кружок (рис. 6).

Рис. 6 Влияние аберраций на разрешающую способность

Причина, вызывающая такой эффект, заключается в том, что лучи света с разной длиной волны (разный цвет) преломляются в линзах объектива под разными углами. В результате, вместо того чтобы собраться в единственной точке (фокус), каждый из них проходит через свою точку фокуса, тем самым, создавая на ПЗС нерезкий, расплывчатый кружок. Но даже если убрать все виды аберрации, разрешающая способность все равно не сможет достичь своего максимального значения. Причиной этого будет дифракция. Дифракция в объективе происходит при малых отверстиях диафрагмы, начиная с относительного отверстия 1:8, 1:11. В этом случае лучи света проходят близко к ребрам диафрагмы, огибают их, создавая дифракционные кольца или полосы. Это вызывает уменьшение контрастности и разрешающей способности изображения. Дифракция на самом деле зависит не только от диаметра отверстия диафрагмы, но и от других факторов, на которых мы не будем заострять наше внимание.

Объектив, являясь первым элементом в системе охранного телевидения, будет определять разрешающую способность всего видеотракта. Поэтому, выбирая видеокамеру, целесообразно определить, какое разрешение должен иметь объектив и имеется ли возможность его приобретения.

Требуемое разрешение объектива можно ориентировочно определить по следующей формуле:

Q = N / (1,5 * L),

где: Q – разрешающая способность объектива (lp/mm),

N – разрешающая способность видеокамеры (твл),

L – ширина ПЗС-матрицы (мм).

На основании этой формулы построен график (рис. 7), который поможет определить минимально допустимое разрешение объектива для любого формата ПЗС-матрицы видеокамеры с известным разрешением в твл.

Рис. 7 График, определяющий допустимое разрешение объектива для любого формата ПЗС-матрицы видеокамеры с известным разрешением в твл

Контраст и функция передачи модуляции

Контраст (от французского contraste – противоположность) – отношение разности яркостей объекта и фона, нормированного к максимальному значению. Величина контраста изменяется в диапазоне от ноля до единицы.

Почему контраст является основным критерием при тестировании видеооборудования и объективов? Прежде всего, потому, что изображение на мониторе должно соответствовать оригиналу, то есть объекту наблюдения. Это значит, что все полутона объекта от белого цвета до черного должны передаваться на устройства отображения без искажений. Но в реальной действительности этого не происходит.

Каждый элемент в видеотракте искажает полутона, что приводит к снижению контраста. Степень вносимых искажений в полутона в большой степени зависит от пространственных размеров элементов изображения. Чем меньше пространственные размеры, тем сильней проявляются искажения полутонов. В конечном итоге контраст снижается до такой степени, что различить два рядом расположенных цвета становится невозможно. Отсюда следует, что чем больше оборудование сохраняет исходный контраст объекта, тем большим количеством полутонов «прорисовывается» изображение на мониторе.

При тестировании объектива на предмет того, как он ухудшает контраст, определяют коэффициент передачи модуляции. Для этой цели используют специальную миру (рис. 8), состоящую из чередующихся белых и черных полос. Количество линий на 1 мм может быть разным. Миры могут быть в виде тестовых таблиц на бумажных носителях или в виде светового изображения, создаваемого специальными приборами.

Рис. 8 Определение коэффициента передачи модуляции

Традиционно миры для испытания объективов имеют 10, 20 и 40 lp/mm при модуляции, равной единице. В объективах модуляцию оценивают в виде ее уменьшения от центра объектива к периферии.

Напомню, что в оптике одна линия состоит из двух линий (черной и белой) и обозначается lp/mm. Если приведено обозначение lpm, то в этом случае черная и белая линии считаются как две.

При тестировании миры могут размещаться перед испытуемым устройством по-разному (рис. 9). Если мира размещена вдоль радиуса-вектора (1), то такое расположение миры называется тангенциальным, или меридианным. Если мира размещена перпендикулярно (2), то расположение называется радиальным, или сагиттальным.

Рис. 9 Тестирование миры

На сегодняшний день наиболее информативно оценить и сравнить оптическое качество объективов можно при помощи MTF-характеристики (Modular Transfer Function). В России она называется функцией передачи модуляции (ФПМ). ФПМ для оценки изображения в нашей стране начала применяться более 40 лет назад. Этот термин часто используется и в настоящее время. Сам термин ФПМ был впервые принят в СССР и законодательно утвержден в ГОСТ 2653–80.

Пожалуй, лучше всего объяснить значение ФПМ на примере обыкновенного усилителя низкой частоты, предназначенного для усиления музыкальных произведений.

Любой усилитель низкой частоты имеет в качестве характеристики АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), которая на высоких частотах имеет естественных завал. Что это для меломанов значит? А значит следующее: если на вход усилителя пришла высокочастотная составляющая спектра, с каким то уровнем, то меломан хочет слышать эту частотную составляющую в таком же соотношении уровней к другим составляющим спектра, которые поданы на вход усилителя.

Но тракт усилителя этот уровень высокочастотной составляющей исказил в смысле того, что значительно уменьшил уровень сигнала на этой частоте.

Какой результат: меломан слушает не ту гармонию звуков, которая является первородной. Он слышит гармонию звуков с уровнями, которые создал усилитель в строгом соответствии со своей АЧХ.

В результате АЧХ это характеристика усилителя и она не имеет ни какого отношения, к тому, что происходит с сигналом до того момента, когда он попал на вход усилителя.

Функция передачи модуляции это то же самое, что и АЧХ. Она может быть для всего видеотракта или для любого элемента в нем.

Но, так же как и АЧХ ФПМ показывает, как ухудшает видеотракт исходный контраст сюжета, который попадает в поле зрения объектива (поскольку он первый элемент видеотракта).

На высоких разрешениях или когда элементы изображения в сюжете маленькие видеотракт в соответствии со своей ФПМ ухудшает их контраст. Точно также как и АЧХ.

То есть если в сюжете полоски на белой рубашке черные, то на мониторе они будут светло серые. А если рубашка не белая, то полосок на мониторе мы можем и не увидеть. (Если не видим полосок, то описывая объект мы даем не достоверную информацию об элементах его одежды.)

Отсюда следует очень неприятный для CCTV вывод: Поскольку объекты в сюжете перед видеокамерой имеют широкий диапазон полутонов или градаций яркости, то при завале ФПМ на высоких пространственных частотах мы на мониторах теряем очень много информации о деталях объектов и вообще о сюжете.

Примечание автора. К сожалению, до настоящего времени в CCTV модуляциею часто путают с контрастом. Поэтому в литературе по CCTV можно встретить самые разные варианты записи контраста: например, такие как 700 или 700:1. Другие авторы приводят контраст в виде 10%, утверждая, что это слабое различие между двумя градациями яркости. Можно встретить и запись в виде 0,01 и утверждение, что это очень высокий контраст. Во всем этом многообразии правильных и неправильных вариантов самым неприятным является то, что невозможно сравнить результаты разных авторов, которые рассматривают одно и то же устройство. Единственный путь исключения такой неоднозначности заключается в том, чтобы параметр «контраст» или «модуляция» были величиной не абсолютной, а относительной, нормируемой к максимальному уровню. В своих работах контраст и модуляцию мы определяем как:

Эти формулы контраста и модуляции приведены во всех классических изданиях по оптике и смежным с ней наукам.

В чем же отличие модуляции от контраста, а следовательно и ФПМ от ЧКХ? (ФПМ – функция передачи модуляции. ЧКХ – частотно-контрастная характеристика)

ФПМ и ЧКХ это абсолютно разные вещи с точки зрения физического смысла. ФПМ это модуляция, а это значит изменение параметра (контраста) относительно среднего значения. Для примера: стоит человек на фоне стены дома. Казалось бы, что нас интересует, как контрастирует человек на фоне стены, а ФПМ нам покажет, как контрастирует человек не на фоне стены, а на среднем значении яркостей между стеной и человеком. В системах видеонаблюдения нас интересует контраст объекта относительно фона. Поэтому в CCTV нужно использовать характеристику, показывающую зависимость контраста, а не модуляции. Такой характеристикой является ЧКХ.

Но между контрастом и модуляцией существует строгая взаимосвязь, которая позволяет находить один параметр через другой.

       

В дальнейшем, при изложении материала мы будем использовать ФПМ, как наиболее известный читателям параметр.

Смысл тестирования оптики при измерении ФПМ заключается в определении степени падения модуляции изображения, создаваемого объективом, в сравнении с оригиналом (тест таблицей). Если объектив очень хороший, то изображение мало чем отличается от оригинала и по четкости, и по контрасту, а значит, значение ФПМ такого объектива всегда будет близким к 1 (или к 100%, что одно и то же). При снижении модуляции изображение будет выглядеть более размытым, то есть потеряет резкость. На графиках ФПМ отображается зависимость уменьшение модуляции изображения на разном удалении от центра объектива при максимально открытой диафрагме. В оптике принято классифицировать объективы по их ФПМ следующим образом:

1) ФПМ укладывается в диапазон от 70% до 100% – хороший объектив;

2) ФПМ падает до 30% – удовлетворительный объектив;

3) ФПМ ниже 30% – плохой объектив.

Рассмотрим ФПМ (рис. 10) двух объективов [4]. Первый объектив (кривая 1) имеет хорошее значение модуляции в центральной части объектива. Но к краям качество изображения (модуляция) довольно сильно падает.

Рис. 10 ФПМ двух объектов

Второй объектив (кривая 2) уступает первому в центре. Разница в модуляции составляет до 15%. Но зато изображение, формируемое этим объективом, одинаково по всей площади объектива. Кривая ФПМ в данном случае несколько неравномерна, однако неравномерность невелика.

Какой же объектив лучше? Однозначного ответа нет. Наверно, все зависит от поставленной этому объективу задачи, но одно ясно, что дальность обнаружения объекта для объектива с номером 2 на периферийной части кадра значительно выше, так как контраст объекта относительно фона больше.

Если основная задача камеры с этим объективом обеспечить наилучшие возможности оператору или цифровой системе видеонаблюдения по обнаружению объекта, то второй объектив предпочтительнее.

Такие графики сегодня рассчитываются для всех разрабатываемых объективов, но далеко не все производители считают нужным показать их потенциальному покупателю.

Рассмотрим ФПМ характеристики объектива, который фирма «Schneider» выставляет на своем сайте. Кому интересно более подробно ознакомиться, какая информация должна предоставляться пользователю, может зайти на сайт http://www.schneideroptics.com/photography/digital_photography/digitar/47/page5.php. Подборку ФПМ для фотографических объективов разных фирм можно найти на сайте http://www.riddle.ru/?page=articles/lens.

На рис. 11 представлена ФПМ характеристика объектива с диафрагмой 5,6 и пространственной частотой линий 10, 20 и 40 lp/mm. Какую информацию владелец такого объектива может вынести из этих графиков?

Рис. 11 ФПМ объектива

1. Модуляция изображения даже в центральной части объектива не доходит до 100%, а при увеличении пространственной частоты линий до 40 lp/mm опускается до 70%.

2. Модуляция изображения на периферийной части объектива значительно ухудшается, и в большей степени – при работе объектива с мелкими элементами объекта.

Чем ближе изображение к периферийной области объектива, тем искажения становятся все более значительными. А в случаях, когда речь идет о реальном изображении, контраст которого значительно меньше, чем на мире, то на периферии объектива они сольются в один тон, а это значит, что будет потеряна очень важная информация о деталях объекта.

К сожалению, все эти характеристики можно найти только для фотографических объективов. Для объективов, используемых в CCTV, найти такие характеристики, может быть, и можно, но мне не удалось. Я имею в виду характеристики объективов для CCTV от их производителей.

В фотографии у фотокамеры, кроме объектива и фотопленки, нет никаких элементов, снижающих качество изображения. И размерность разрешения в линиях на миллиметр, как объектива, так и фотопленки устраивает фотографов. В CCTV объектив не единственный элемент, который влияет на разрешающую способность всего видеотракта. Видеокамера, устройства обработки видеосигнала, монитор, да и радиочастотный кабель, так же как и объектив, имеют свою разрешающую способность. Но разрешающая способность видеооборудования в основном оценивается в телевизионных линиях (твл). Объектив в этом смысле выпадает из устоявшейся в телевидении размерности оценивать разрешающую способность оборудования в твл. Такое положение создает существенные трудности при проектировании видеотрактов. Поэтому мы в своей работе разрешение объектива определяем традиционно в телевизионных линиях. Придерживаясь такого подхода, графики ФПМ объективов, которые будем рассматривать ниже, построены как зависимость модуляции от количества телевизионных линий.

Для построения таких ФПМ используют миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос (рис. 12).

Рис. 12 Миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос

На рис. 13  представлены ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм.

Рис. 13 ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм

Исходя из классификации объективов, приведенных выше, ФПМ на уровне 30% является предельным значением, когда объектив целесообразно использовать. Для объективов, характеристики которых представлены на рис. 13, уровень 30% ФПМ соответствует предельному разрешению видеокамер 420–470 твл, то есть работа таких камер с этими объективами возможна.

Для камер с большим разрешением это плохие объективы, и использовать их нежелательно.

Но обратите внимание, что один объектив передает модуляцию на низких значениях твл чуть более 60%, в то время как у второго она близка к 100%. Поэтому объектив с ФПМ, близкой к 100%, значительно лучше будет прорисовывать изображение с максимальным количеством градаций яркости, полутонов.

Для того чтобы сравнить объективы, не прибегая к анализу их ФПМ, используют параметр «четкость» или реальная разрешающая способность. Четкость объектива соответствует количеству телевизионных линий на уровне ФПМ = 0,5 и записывается следующим образом:

ФПМ(0,5) = 180 твл – верхний график,

ФПМ(0,5) = 360 твл – нижний график.

Имея характеристику «четкость» объектива, не составит труда сравнить объективы и выбрать тот, характеристики которого лучше.

Чем выше значение «четкость», тем лучше объектив.

Снижение модуляции до уровней  0,07–0,1, соответствует предельной разрешающей способности объектива. Для верхнего графика предельное разрешение составляет 660 твл, а для нижнего – всего 480 твл. И, несмотря на то, что предельное разрешение у второго объектива меньше, чем у первого, для камер с разрешением 420–470 твл этот объектив значительно лучше. И его достоинство заключается только в том, что модуляция объектива близка к 1, в отличие от первого, где она чуть больше 0,6 и четкость на уровне ФПМ(0,5) = 360 твл. Этот момент очень важен, потому что высокая предельная разрешающая способность не всегда соответствует такому же высокому качеству формируемого изображения.

Теперь немного о том, как интерпретировать графики ФПМ.

1. Если значения ФПМ близки к 100%, то изображение будет исключительно резким и контрастным.

2. Качества объективов, имеющих ФПМ на уровне 70–80% и выше, вполне достаточно для профессионального уровня. Ну а объектив, чей график ФПМ опускается ниже 30%-ной отметки, лучше не приобретать.

3. Высокие значения ФПМ, полученные на участке миры с частым следованием полос (высокие значения твл), говорят о том, что даже при выводе изображения на мониторы с большей диагональю оно будет резким, с хорошей проработкой мелких деталей.

4. Близкие к 100% показатели ФПМ для миры с редким следованием полос (до 100 твл) свидетельствуют о высокой контрастности объектива, а следовательно, и получаемого с помощью его изображения.

5. Если при хороших показателях ФПМ с редким следованием полос график с частым следованием полос лежит в области низких значений твл, то исследуемый объектив при хорошем контрасте имеет проблемы с  резкостью изображения, что будет особенно заметно при больших диагоналях мониторов.

6. Если высокие значения ФПМ объектив показывает не только в центре изображения, но и на периферии, то резкость такого объектива будет хороша на значительной площади кадра и при больших диагоналях мониторов.

7. Чем ближе друг от друга проходят графики ФПМ для сагиттальной и тангенциальной ориентаций миры, тем лучше у этого объектива исправлен астигматизм, а следовательно, более естественным и «мягким» будет размытие изображения в зоне нерезкости.

8. Ну и, наконец, сравнивая графики ФПМ объектива при максимальном относительном отверстии и задиафрагмированного до f/8 – f/11, можно сделать вывод о том, насколько уменьшение отверстия диафрагмы повышает разрешающую способность.

Падение контраста в объективе при его эксплуатации может быть и по причине боковой засветки передней линзы объектива.

Чтобы использовать возможности объектива на все 100 процентов, необходимо создать такие условия его работы, при которых он в состоянии реализовать свои лучшие характеристики. Для этого надо выбирать диапазон работы диафрагмы, где аберрация и дифракция проявляются не так явно. Следить за тем, чтобы лучи света, идущие с боков, не засвечивали поверхность передней линзы, а если видеокамера установлена в помещении с большим количеством осветительных приборов, применять козырек гермобокса или бленды. Ну и, конечно, использовать режим автоматического затвора с продуманной подсветкой сектора наблюдения в вечернее и ночное время.

В ходе изложения материала этого параграфа употреблялись термины: резкость, четкость и размытость. Для однозначного понимания того, что под этим подразумевается, приведу формулировки этих понятий.

Резкость – характеристика изображения, определяющая ширину переходной области, при яркостном перепаде от черного к белому. Чем эта область шире, тем резкость хуже. Резкость определяют по переходной характеристике или иногда ее называют пограничной кривой. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

Четкость:

Характеристика, используемая для сравнения оборудования по реальной разрешающей способности.

Размытость – характеристика изображения, определяющая яркостной переход как широкую расплывчатую зону с не оформленными границами. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

 Фокусное расстояние

Объективы по фокусному расстоянию подразделяются на:

– объективы с постоянным фокусным расстоянием;

– объективы с фокусным расстоянием, изменяемым вручную, – «вариообъектив»;

– объективы с фокусным расстоянием, изменяемым дистанционно с помощью пульта управления, – «трансфокатор».

Фокусное расстояние в охранном телевидении является основным параметром, с помощью которого пользователь может выбирать необходимые участки сцены для вывода изображения на монитор. Фокусное расстояние имеет прямую связь с углом зрения объектива. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем уже угол его зрения, и наоборот, чем короче фокусное расстояние, тем больше угол зрения.

В практической деятельности объективы по углу зрения делят на следующие группы в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 Угол зрения объективов

Определить углы зрения камер и расстояния, на которых оператор может обнаружить, различить и идентифицировать человека, приведены в таблицах Приложения.

Обращаю внимание читателей на то, что расстояния, приведенные в этих таблицах, соответствуют контрасту объекта наблюдения относительно фона (7–8%). Чем выше контраст, тем с более дальних расстояний оператор способен обнаружить объект. При низком контрасте объект может быть непосредственно перед камерой, но в связи с тем, что он слился с фоном, обнаружить его очень трудно. Предельный контраст, при котором оператор уже не в состоянии отличить объект от фона, составляет величину около 2% . Контраст выше 15% для оператора не вызывает никаких проблем в обнаружении и идентификации объекта.

Понятия «обнаружить», «различить» и «идентифицировать» объект приведены в Р 78.36.008–99 и означают следующее:

обнаружить – выделение объекта контроля из фона либо раздельное восприятие двух объектов контроля, расположенных на расстоянии друг от друга, соизмеримом с их размерами;

различить – раздельное восприятие двух объектов контроля, расположенных рядом, либо выделение деталей объекта контроля;

идентифицировать – выделение и классификация существенных признаков объекта контроля либо установление соответствия изображения объекта контроля, хранящегося в базе данных.

Но в практической деятельности необходимо знать расстояния, на которых оператор или техническое устройство способно обнаружить, различить и идентифицировать объект.

В интерпретации автора расстояния обнаружения, различимости и идентификации для объекта наблюдения – человек, означают следующее.

Расстояние обнаружения – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор способен обнаружить появившийся объект среди других элементов изображения.

Расстояние различимости – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор может идентифицировать:

– элементы одежды объекта;

– комплекцию объекта;

– походку;

– наличие предметов в руках.

Расстояние идентификации – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор способен описать черты лица незнакомого человека, а распечатанная фотография позволит сотрудникам ОРД организовать его поиск.

F-число объектива

F-число объектива указано на корпусе любого объектива в виде F1.3. Этот параметр не что иное, как диафрагменное число. (Диафрагменные числа характеризуют величину отверстия диафрагмы.)

F-число – это значение диафрагменного числа, при котором диафрагма полностью открыта. Отметим, что чем больше диафрагменное число, тем меньше света попадает на ПЗС-матрицу. Часто объективы с низким F-числом называют светосильными объективами или быстрыми объективами (faster lens). Это связано с тем, что на заре фотографии сократить время экспозиции пленки пытались путем увеличения количества света (низкое F-число), проходящего через объектив.

Шкала диафрагменных чисел разработана таким образом, чтобы освещенность при переходе к соседним значениям изменялась в два раза. Эту разницу между соседними делениями шкалы диафрагмы называют ступенями или F-stop.

Какой же объектив лучше выбрать: с F1.3 или F1.4, – если остальные параметры одинаковы? Однозначного ответа, наверно, не существует.

Поскольку разница между объективами при таком сравнении проявляется при слабой освещенности, то посмотрим на поведение объективов в этих условиях.

1. Аберрация у F1.4 меньше; значит, при слабой освещенности разрешение будет больше.

2. Если освещенность совсем низкая, то и F1.3 не поможет – нужна искусственная подсветка.

3. При плохой освещенности контраст интересующих службу безопасности объектов относительно темного фона будет очень маленький, следовательно, нужен объектив с лучшим разрешением, а это F1.4.

Исходя из вышеизложенного, я бы выбрал объектив с F1.4.

Значение, обратное F-числу, называется относительным отверстием.

Относительное отверстие

Относительное отверстие это отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию.

Иногда вместо F-числа на объективах указывается величина относительного отверстия, которое записывается как 1 : 1.3.

Относительное отверстие объектива уменьшают ирисовой диафрагмой, позволяющей плавно менять её величину. На оправу объективов (в основном, фотографических) нанесена шкала из знаменателей относительных отверстий (диафрагменные числа), соответствующих различному значению отверстия диафрагмы. Перевод ирисовой диафрагмы на одно деление изменяет относительное отверстие в 1,4 раза, что дает увеличение или уменьшение освещенности оптического изображения в два раза, за исключением первых двух чисел ирисовой диафрагмы, у которых такого изменения может и не быть [6].

По величине относительного отверстия объективы делятся на:

сверхсветосильные от 1 : 0,7 до 1 : 2;

светосильные           от 1 : 2,8 до 1 : 4,5;

малосветосильные   от 1 : 5,6 до 1 : 16.

 Крепление объектива

Вид крепления объектива (Lens Mount) – «C» или «CS» – определяет конструктивную совместимость видеокамеры и объектива.

Дело в том, что существует два варианта исполнения видеокамер, которые отличаются расстоянием от места расположения ПЗС-матрицы до задней линзы объектива. Варианты «C» и «CS» отличаются по этому расстоянию на 5 мм. В соответствии с этим выпускаются и объективы с «C» и «CS» креплением. Чтобы изображение было четко сфокусировано на ПЗС-матрице, необходимо, чтобы с видеокамерой «C» эксплуатировался объектив «C», а с видеокамерой «CS» – объектив «CS». Возможен единственный вариант смешанного соединения, который приведен на рис. 14, когда с видеокамерой «CS» может использоваться объектив «C», но при условии, что между объективом и видеокамерой установлено специальное переходное кольцо С/CS (C/CS adapter) рис. 15.

Рис. 14 Вариант смешанного соединения (видеокамера «CS» используется с объективом «C»)

При установке объектива с «CS»-креплением на видеокамеру, рассчитанную на «C»-крепление, изображение оказывается сфокусированным перед плоскостью ПЗС-матрицы, а на самой ПЗС-матрице изображение будет расфокусировано (рис. 14), что, естественно, недопустимо, и исправить такую ситуацию невозможно.

При использовании объектива с «C»-креплением и видеокамеры с «CS»-креплением изображение оказывается сфокусированным за плоскостью ПЗС-матрицы, что также недопустимо. Однако при установке C/CS-кольца (рис. 15) между объективом и видеокамерой изображение оказывается сфокусированным как раз в плоскости ПЗС-матрицы.

Рис. 15 C/CS-кольцо между объективом и видеокамерой

Некоторые видеокамеры имеют встроенное резьбовое кольцо с большим ходом, что позволяет отказаться от использования CS-кольца и гарантирует хорошую фокусировку при настройке обратного фокуса.

 Настройки и регулировки объектива

Настройки объектива можно разделить на две группы: первая относится к настройкам, обеспечивающим нормальную работу объектива в заданных условиях освещенности, а другая группа настроек определяет степень деталировки и глубину резкости передаваемого изображения.

К настройкам объектива первой группы можно отнести:

1) настройку обратного фокуса,

2) настройку «ALC» и «Level».

К настройкам объектива второй группы относятся:

1) выбор глубины резко изображаемого пространства,

2) выбор расстояния наводки на резкость.

Настройка обратного фокуса

Настройку обратного фокуса необходимо проводить в любом случае, производится ли замена объектива на видеокамере или устанавливается новый объектив. Причем алгоритмы настроек у объективов с постоянным фокусным расстоянием и объективов с переменным фокусным расстоянием (трансфокаторов) значительно отличаются.

На практике неправильная установка объектива выражается в том, что в дневное время суток изображение от камер не вызывает нареканий, а с наступлением темноты изображение может стать нерезким или пропасть совсем. Этот эффект называется неправильной установкой «обратного фокуса» и возникает в связи с тем, что глубина резкости объектива, которую мы обычно воспринимаем при рассматривании объекта перед камерой, распространяется и на область за объективом, в которой ПЗС-кристалл выпадает из области резкого изображения [14]. Настройка этого параметра определяет положение задней линзы объектива относительно ПЗС-матрицы камеры.

Для настройки «обратного фокуса» объективов с постоянным фокусным расстоянием необходимо проделать следующее.

1. Установить объектив в посадочное место видеокамеры.

2. Полностью открыть диафрагму объектива (установить нейтральный светофильтр нужной плотности).

3. Установить движок расстояний на объективе в положение «бесконечность».

4. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере.

5. Используя график рис. 16, определить расстояние от камеры до объекта фокусировки. Например, если у нас объектив 4 мм, то это расстояние равно 12 м.

Рис. 16 График, для настройки «обратного фокуса».

6. На удалении 12 м от видеокамеры найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.

7. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта.

8. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.

Для трансфокаторов настройка обратного фокуса значительно сложнее. Вся сложность регулировки таких объективов заключается в том, что необходимо добиться резкого изображения во всем диапазоне изменения фокусного расстояния.

Для настройки «обратного фокуса» трансфокаторов необходимо проделать следующее.

1. Установить объектив в посадочное место видеокамеры.

2. Полностью открыть диафрагму объектива (установить нейтральный светофильтр нужной плотности).

3. Установить движок расстояний на объективе в положение «бесконечность».

4. Установить максимальное значение фокусного расстояния (допустим, 50 мм).

5. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере.

6. Используя график рис. 16, определить расстояние фокусировки объектива (170 м).

7. На удалении фокусировки объектива (170 м) найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.

8. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта.

9. Установить минимальное значение фокусного расстояния (5 мм).

10. Используя график рис. 16, определить расстояние фокусировки объектива (17 м).

11. На удалении фокусировки объектива (17 м) найти объект, по которому будет производиться оценка резкости объекта.

12. Если резкость объекта вас устраивает, то настройка закончена, если нет, то читайте дальше.

13. Установите снова максимальное значение фокусного расстояния.

14. Вернитесь к пункту 8. Поскольку положение объектива, когда объект резкий, это целый сектор, а не одно положение, то выберите положение «резко» рядом с предыдущим значением.

15. Вернитесь к пункту 9 и следуйте далее, пока не добьетесь резкого изображения на максимальном и минимальном фокусном расстоянии.

16. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.

Отдельно остановлюсь на способах настройки для объективов, которые работают с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.

– У объективов с ручной диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор и полностью открыть диафрагму.

– У объективов с автоматической диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор, а диафрагму открыть подачей напряжения на соответствующие контакты автоириса.

Никакие нейтральные светофильтры в этих случаях не нужны.

 Настройка ALC

Регуляторы «ALC» и «Level» предназначены для получения нормального изображения в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения находится на переднем плане, а задний план сильно освещен. Объект наблюдения в этом случае будет представлять собой темный силуэт (рис. 17).

Рис. 17 Высококонтрастные сюжеты при использовании регуляторов «ALC» и «Level»

Попробуем «объяснить» объективу, что в кадре рис. 17 является важной информацией (человек), а что второстепенной. Для этого выполним последовательность следующих действий.

1. Установим регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.

2. Регулятором «Level» увеличим яркость объекта на переднем плане.

3. Регулятор «ALC» будем вращать в направлении положения «А» (средних значений) до момента, когда яркость пересвеченного заднего плана уменьшится.

4. Повторяем пункты 2–3 до тех пор, пока изображение на переднем плане не будет передавать максимальное количество градаций яркости.

Существует еще одна ситуация, в которой регулировки «ALC» и «Level» могут нам помочь. Это защита объектива от мощных точечных источников света (фары автомобилей). Вот некоторые рекомендации по такой настройке, приведенные в [11].

1. Установите регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.

2. Введите в поле зрения ТВ-камеры светящийся объект (лампочку, фонарик, светодиод и пр.) и, перемещая его вдоль оси поля зрения камеры, добейтесь размеров объекта на мониторе (3–5)% от высоты растра (абсолютно не важно, если объект при этом окажется не в фокусе). Медленно поворачивая потенциометр «ALC» в направлении «A», остановитесь на моменте начала ограничения по «белому» видеосигнала от светящегося объекта. При такой регулировке преднамеренное направление света от точечного источника в ТВ-камеру не приведет ее к ослеплению, а на объектах больших по размерам будут просматриваться детали, что весьма важно в процессах обнаружения и различимости.

3. Уберите светящийся объект из поля зрения камеры и при выбранном положении потенциометра «ALC» окончательно выставьте уровень видеосигнала 1 вольт; не забудьте при этом, что выход видеосигнала ТВ-камеры должен иметь нагрузку 75 ом.

Примечание автора. К сожалению, некоторые недобросовестные поставщики предлагают объективы, у которых регулировки «Level» и «ALC» не работают при нормально функционирующей автоматической диафрагме, отрегулированной в заводских условиях.

 Настройка «Level»

Настройка регулятора «Level» в основном не требуется, так как заводская установка, как правило, удовлетворяет пользователей. Но, несмотря на это, в практической деятельности иногда приходится проводить такую регулировку. Порядок настройки следующий.

1. Вращая регулятор «Level», проверьте, что яркость картинки на мониторе изменяется.

2. Установите регулятор в такое положение, при котором картинка станет пересвеченной.

3. Вращая регулятор в направлении уменьшения яркости экрана, найдите такое положение, при котором картинка из пересвеченной станет нормальной.

4. Относительно этого положения поверните регулятор в том же направлении на 1/4–1/5 оборота.

После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой.

 Глубина резкости

Термин «глубина резкости» хорошо известен всем, кто хоть раз сталкивался с фотографией или посещал выставки профессиональных фотографов. Умело, используя глубину резкости, фотографы создают высокохудожественные снимки, выделяя главный сюжет и сглаживая все, что находится на втором плане. Такие возможности открылись перед фотографами с появлением на корпусе объектива шкалы с нанесенными на ней расстояниями глубины резкости. Для создания такой шкалы была создана методика расчета, использующая в качестве переменных расстояние наводки на резкость, диафрагменное число,  фокусное расстояние объектива, а так же диаметр допустимого кружка рассеяния. Из перечисленных параметров только диаметр допустимого кружка рассеяния для нас является новым, но о нем немного позже.

В отличие от фотографических объективов, объективы, используемые в системах видеонаблюдения, не имеют шкалы глубины резкости. Объясняется это тем, что для объективов, имеющих автоматическую диафрагму, не существует постоянного значения глубины резкости. В таких объективах она меняется в зависимости от значения диафрагмы, которая определяется реальной освещенностью на объекте. Для объективов с ручной диафрагмой отсутствие шкалы глубины резкости можно объяснить, скорее всего, невостребованностью этого параметра потребителями систем охранного телевидения.

Глубиной резкости называется свойство объектива изображать в одной плоскости и практически с одинаковой резкостью предметы, удаленные от объектива на различные расстояния.

Рассмотрим, что такое глубина резкости при формирования изображения на ПЗС матрице видеокамеры. Назовем пространство перед объективом – «Предметное пространство», а пространство между объективом и видеокамерой – «Пространство изображений». Пусть у нас имеется три точечных источника изображения «B», «C» и «D» (рис. 18), находящихся на разном удалении от видеокамеры.

Рис. 18 Определение глубины резкости

Наведем резкость объектива на точку «В». Объектив сфокусирует ее в точке «В’» на ПЗС матрице. Монитор, подключенный к видеокамере, сформирует резкое изображение точечного источника. Точки «С» и «D», лежащие в других плоскостях так же сфокусируются в точках «С’» и «D’», а на ПЗС матрице создадут не точки, а кружки диаметром . Монитор тоже отобразит их на экране. В зависимости от того, на сколько точки «D» и «C» отстоят от точки наводки на резкость «B», кружки будут иметь разный диаметр. Из этих построений следует, что оптическая система, формируя изображение, не имеет ни какой глубины резкости. Резкими будут только те точки, которые лежат в плоскости наводки на резкость. Это подтверждает и основное уравнение линзы.

Но из практики мы хорошо знаем, что глубина резкости существует и более того ею можно управлять, выбирая нужный диапазон в зависимости от поставленных задач. Так чем же определяется глубина резкости и от чего она зависит? На самом деле глубина резкости это следствие ограниченных возможностей человеческого зрения. Если напечатать на листе бумаги кружки с разным диаметром но меньше 0,1мм и рассматривать их невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения (25см), то нам будет казаться, что все они одного размера. Другими словами человеческий глаз не в состоянии различить ни размеры кружка, ни тем более их содержание, если диаметр кружка равен или меньше 0,1мм.

Допустим, что отображаемый на мониторе кружок  (рис.2.18), который передает изображение точек «C» или «D», имеет на мониторе такой размер, что глаз не в состоянии отличить его от точки «B». Тогда точки D’ и B’ сфокусированные рядом с ПЗС матрицей, на мониторе будут тоже резкими, потому, что мы видим их не как кружек, а как точку. Следовательно, и в предметном пространстве точки D, B и все предметы между ними будут резкими, а расстояние между плоскостями D и C будет называется глубиной резкости. Параметр «» в профессиональной терминологии называется кружком рассеяния. Наша задача состоит в том, чтобы связать размер кружка рассеяния с характеристиками человеческого зрения в зависимости от диагоналей мониторов и расстояний, с которых оператор анализирует изображение. В дальнейшем размер этого кружка будет использоваться для расчета глубины резкости и гиперфокального расстояния, а сам кружек будет называться допустимым кружком рассеяния.

Используя фотографическую методологию в обосновании диаметров допустимых кружков рассеяния, выберем размеры допустимых кружков рассеяния и для систем охранного телевидения.

Рис. 19 Определение минимального угла зрения

Из чего исходили классики в фотографии? Прежде всего, они выбрали критерий и, руководствуясь им, проводили все расчеты. Критерий самый банальный — это разрешающая способность человеческого глаза или свойство человеческого зрения видеть мелкие предметы на изображении. И действительно, человеческое зрение имеет конечные возможности, которые определяются минимальным углом α (рис. 19), под которым глаз способен различать мелкие детали на изображении. В зависимости от удаления предмета рассматривания, линейные размеры нечувствительности глаза увеличиваются. Для средне статистического человека глаз в состоянии различать мелкие детали с углом зрения не менее 0,017 градусов, что соответствует диаметру кружка рассеяния 0,074 мм на расстоянии рассматривания 25см. В то же время на расстоянии в один метр диаметр кружка будет уже 0,3 мм. Зная предельный угол зрения глаза и, задавшись расстоянием просмотра можно построить таблицу минимальных кружков рассеяния.

В фотографии [15] размеры кружков рассеяния были определены как раз таким способом (Таблица 3).

Таблица 3 Размеры кружков рассеяния

Однако предельный угол зрения человек не  всегда способен или хочет реализовать, тем более что у каждого человека зрение абсолютно индивидуально. Наверно поэтому, а может быть и из многолетнего опыта работы, размеры кружков рассеяния в фотографии приняли в 1,33 раза больше чем теоретически обоснованные. Такой размер кружков соответствует углу зрения глаза 0,023 градуса. В таблице 3 это столбец «Практический».

Нетрудно заметить, что самый маленький кружок рассеяния относится к негативу при минимальном расстоянии просмотра. И это вполне естественно, так как при увеличении негатива до размеров даже среднего формата фотографии, кружок рассеяния так же увеличится пропорционально выбранному масштабу и может превысить свое допустимое значение. В результате чего расчетная глубина резкости не будет соответствовать ее действительному значению. Хочется обратить внимание читателей, что в фотографии при обосновании параметра допустимого кружка рассеяния ни какие технические характеристики объективов, фотопленок или фотокамер не использовались.

Если подходить к выбору кружка рассеяния, для охранного телевидения используя опыт фотографии, то правильней было бы пересчитать размер кружка рассеяния на мониторе к его размеру на ПЗС матрице. Кружок рассеяния на мониторе можно выбрать, руководствуясь предельным разрешением человеческого зрения в зависимости от удаления оператора от монитора. Но однозначно определить с какого расстояния оператор будет смотреть на монитор, а тем более значение диагонали монитора предвидеть достаточно трудно. Тем не менее, удаление оператора от монитора, при проектировании рабочего места регламентируется медицинскими ограничениями (Таблица 4), которые составляют величину порядка 4-х диагоналей экрана.

Таблица 4 Медицинские ограничения удаления оператора от монитора при проектировании рабочего места.

Для детального изучения изображения оператор обычно смотреть на монитор с минимальных расстояний и использует для этих целей специальные просмотровые мониторы, имеющие увеличенную диагональ экрана. Но смотреть на монитор 21” с очень близкого расстояния не имеет смысла, так как оператор в этом случае видит не картинку, а структуру кинескопа. Поэтому для просмотровых мониторов существуют расстояния наилучшего просмотра картинки. Эти расстояния получены на основе свойства человеческого зрения, видеть изображение с высоким разрешением при минимальном зрительном напряжении. Это возможно только с расстояний, при которых угол зрения глаза находится в пределах 20 градусов. В таблице 4 эти расстояния сведены в столбец «Наилучший просмотр». На основании этих рассуждений получены значения кружков рассеяния (Таблица 4) для расстояний наилучшего просмотра (верхняя строка) и расстояний, нормируемых медицинскими ограничениями (нижняя строка). В расчетах использовался угол зрения глаза равный 0,017 градусов.

В качестве допустимых кружков рассеяния для различных форматов ПЗС матриц (Таблица 5) можно использовать усредненные значения по наилучшему просмотру.

Таблица 5 Кружки рассеяния для различных форматов ПЗС матриц

Диагональ монитора (дюйм)	Расстояние просматривания, (м)	Диаметр кружка рассеяния на ПЗС матрице, мкм
Формат кристалла матрицы
1/4	1/3	1/2	2/3
9	0,5	2,8	3,9	5,2	7,1
0,91	5,0	7,1	9,4	12,0
12	0,7	2,9	4,1	5,4	7,5
1,22	5,0	4,0	9,2	13,0
14	0,8	2,8	4,0	5,3	7,3
1,42	5,0	7,1	9,5	13,0
17	1	2,9	4,1	5,5	7,6
1,73	5,0	7,0	9,5	13,0
21	1,2	2,8	4,0	5,3	7,0
2,13	5,0	7,0	9,5	13,0
Усредненные значения по:                                         наилучшему просмотру	2,8	4,0	5,3	7,3
медицинским ограничениям	5,0	6,4	9,4	12,8

В связи с тем, что это расчетные значения, а практика, как правило, вносит свои коррективы, то вполне возможно, что кружки рассеяния могут быть большего размера, хотя бы как в фотографии в 1,33 раза.

Определив допустимые размеры кружков рассеяния можно попробовать рассчитать глубину резкости и гиперфокальные расстояния.

Найдем глубину резкости для видеокамеры с форматом матрицы 1/3”, диафрагменным числом 1,3 и фокусными расстояниями в диапазоне от 2,8 до 16мм. Сфокусируем объектив на условный предмет, расположенный на удалении от камеры 10 м.

Таблица 6 Зависимость фокусного расстояния объектива от глубины резкости

Глубина резкости	Фокусные расстояния, мм
2,8	4	6	8	12	16
Минимальное расстояние (м)	1,3	2,3	4,0	5,4	7,3	8,3
Максимальное расстояние (м)	∞	∞	∞	61,0	16,0	13,0

Резкость наводилась на объект, удаленный на 10м

Из результатов расчетов (таблица 6) видно как с увеличением фокусного расстояния объектива глубина резкости уменьшается, сходясь на расстоянии наводки на резкость 10м. Поскольку в нашем примере диафрагма полностью открыта, то эти данные справедливы для вечернего времени, когда освещенность мала или днем, но в том случае, когда используются видеокамеры с автоматическим затвором и бездиафрагменным объективом.

Таблица 7 Значения глубины резкости в зависимости от значения диафрагменного числа

Глубина резкости	Фокусные расстояния, мм
2,8	4	6	8	12	16
Минимальное расстояние (м)	0,23	0,46	0,98	1,6	3,0	4,4
Максимальное расстояние (м)	∞	∞	∞	∞	∞	∞

В дневное время, когда диафрагма закрывается, глубина резкости значительно увеличивается. В таблице 7, для этих условий приведены значения глубины резкости при диафрагменном числе 8.

Объясним увеличение глубины резкости в зависимости от значения диафрагменного числа (Рис. 20).

Рис. 20 Зависимость глубины резкости от значения диафрагменного числа

Если диафрагма полностью открыта (Рис. 20а), то все лучи сходятся в фокусе на ПЗС матрице. Зная диаметр допустимого кружка рассеяния  можно определить глубину резкости относительно плоскости ПЗС матрицы. Если мы закроем объектив диафрагмой (Рис. 20б), то лучи сойдутся в той же точке фокуса, но допустимый кружок рассеяния будет отстоять от плоскости ПЗС матрицы значительно дальше и как следствие глубина резкости будет больше.

Рис. 21 Зависимость глубины резкости в дневное и вечернее время от расстояния наводки на резкость объектива с автоматической диафрагмой

Рассмотрим пример, как изменится глубина резкости в дневное и вечернее время в зависимости от расстояния наводки на резкость объектива с автоматической диафрагмой. На рис. 21 изображена видеокамера, установленная на высоте 4м с форматом кристалла 1/3” и фокусным расстоянием объектива 8мм. Сектор, который способна видеть видеокамера простирается от 7,6м до 96м при угле ее наклона относительно горизонта 15 градусов. Предположим, что сектор наблюдения, интересующий службу безопасности, расположен от 8м до 50м. Наведем резкость объектива на расстояние 8 метров.

В вечернее время, когда диафрагма полностью открыта (диафрагменное число 1,3) резко изображаемое пространство на мониторе будет составлять величину от 4,8 до 24 метров.

Рис. 22 Зависимость глубины резкости в дневное и вечернее время от расстояния наводки на резкость с 8 метров на 20 метров

Это значит, что территория с 24 метров и до 50 в вечернее время суток будет выводиться на монитор нерезкой. С увеличением освещенности на объекте глубина резкости значительно увеличивается и, будет иметь значения от 2,0м и до бесконечности. Попробуем изменить расстояние наводки на резкость с 8 метров на 20 метров (Рис. 22). Глубина резкости в вечернее время существенно изменилась. Если разместить видеокамеру на удалении от объектов, которые должны быть под постоянным контролем, не ближе 7,5 метров мы получим результат, при котором и днем и вечером все охраняемое пространство будет резким.

Этот пример хорошо показывает насколько важно правильно выбрать расстояние наводки на резкость.

Оперативно проводить такую оценку можно, имея под рукой специализированный программный продукт или калькулятор с аналогичными возможностями. В настоящее время такие задачи может решать «Проектировщик CCTV», который доступен для приобретения на сайте http://www.lonacomputerservices.com/CCTV/CCTVrus.html

Хочу обратить внимание читателей, что все расстояния, о которых шла речь в этой статье, будут соответствовать действительности только при условии правильной настройке «обратного фокуса» объектива.

Знать значения допустимых кружков рассеяния необходимо для того, чтобы самому рассчитать глубину резкости или гиперфокальное расстояние объектива.

Значения диаметров допустимых кружков рассеяния в микронах приведены в таблице 8.

Таблица 8 Значения диаметров допустимых кружков рассеяния в микронах

Глубину резкости можно изменять, варьируя следующими параметрами:

– значение диафрагмы – чем больше диафрагменное число, тем больше глубина резкости;

– фокусное расстояние – чем больше фокусное расстояние вашего объектива, тем меньше глубина резкости при фиксированном расстоянии до объекта и значении диафрагмы. При увеличении фокусного расстояния область резкости уменьшается из-за увеличения масштаба изображения, что становится особенно заметно в случае с мощными телеобъективами;

– расстояние от камеры до точки фокусировки – чем ближе вы находитесь к объекту, тем меньше глубина резкости при одной и той же диафрагме и неизменном фокусном расстоянии объектива.

 Выбор расстояний наводки на резкость

К настоящему времени существует всего три способа наводки на резкость, это фокусировка непосредственно на объект, фокусировка на «бесконечность» (режим гиперфокального расстояния) и фокусировка на гиперфокальное расстояние. Отличаются они не только диапазоном глубины резкости, но и тем, на каких расстояниях деталировка изображения будет максимальной или размытость – минимальной. Рассмотрим каждый способ отдельно.

Режим гиперфокального расстояния объектива

Для работы объектива в режиме гиперфокального расстояния регулятор расстояний нужно установить в положение «бесконечность».

Глубина резкости, которая получается при наводке объектива на «бесконечность», начинается от значения гиперфокального расстояния и простирается до бесконечности.

Гиперфокальные расстояния для разных фокусных расстояний объективов и формата ПЗС-матрицы 1/3″ приведены в таблице 9. Чтобы понять, как планировать глубину резкости при использовании объективов с автоматической и ручной диафрагмой, приведем два примера.

Таблица 9 Гиперфокальные расстояния для разных фокусных расстояний объективов

1. Камера оснащена объективом с ручной диафрагмой и фокусным расстоянием 6 мм установлена в помещении с постоянным освещением. При установке движка расстояний на бесконечность, а диафрагмы на такое значение, при котором изображение на мониторе будет передавать все градации яркости рассматриваемых объектов (допустим, диафрагменное число 5,6), глубина резкости будет составлять величину от 1 метра и до бесконечности (рис. 23).

Рис. 23 Определение глубины резкости при режиме гиперфокального расстояния объектива

2. Камера установлена на улице, объектив с автоматической диафрагмой, F-число 1,3, фокусное расстояние 6 мм. При установке движка расстояний на бесконечность в вечернее время, когда значение диафрагменного числа равно 1,3, глубина резкости будет от 4 м до бесконечности, а в дневное время при диафрагменных числах 8–16 – менее 1 м и до бесконечности.

С точки зрения глубины резкости при настройке объектива на «бесконечность» мы разобрались.

Теперь оценим, на сколько хорошо проработаны мелкие детали изображении или другими словами, на сколько хорошо объектив передает деталировку изображения. Резкие изображения зачастую не передают структуру мелких деталей. Переходы между ними как будто размыты, что говорит о слабой деталировке изображения. Недостаточная деталировка приводит к неприятному ощущению дефокусировки, размытости изображения. Отображаемые на мониторе мелким и средним планом лица становятся неузнаваемыми, неразборчивыми.

Вот устранением этой размытости мы сейчас и займемся.

Деталировка изображения определяется диаметром кружка нерезкости (не путать с кружком рассеяния), которым объектив, как «световым пером», «рисует» изображение на ПЗС-матрице. Чем тоньше диаметр «светового пера», тем лучше мелкие детали изображения будут проработаны и тем выше деталировка изображения. Приведем график (рис. 24), на котором показано, как изменяется диаметр кружка нерезкости от расстояния при фокусировке объектива с фокусным расстоянием 6 мм на «бесконечность».

Рис. 24 График зависимости диаметра кружка нерезкости от расстояния при фокусировке объектива с фокусным расстоянием 6 мм на «бесконечность»

На графике видно, что чем дальше от камеры находится объект, тем более тонким лучом объектив прорисовывает изображение. В нашем случае, когда объектив настроен в режиме гиперфокального расстояния, ближняя граница зоны резкости совпадает с гиперфокальным расстоянием и составляет величину 4,33 метра. Чем дальше от видеокамеры расположен объект, тем меньше диаметр кружка нерезкости (лучше проработка мелких деталей). В системах охранного видеонаблюдения наиболее массово используются объективы с фокусными расстояниями до 6 мм. Для таких объективов гиперфокальные расстояния еще меньше, и ближняя граница зоны резкости еще сильнее приближается к видеокамере. Поэтому для таких объективов настройка их на режим гиперфокального расстояния очень удобна и вот почему:

1) отпадает необходимость проводить фокусировку объектива на объекте;

2) сокращается время на монтаж и настройку видеокамеры, а значит, сокращаются и сроки сдачи объекта заказчику.

В каких же случаях необходимо использовать настройку объектива на «бесконечность»?

1. Для объективов с фокусным расстоянием меньше 6 мм.

2. При нахождении объекта наблюдения далее двух гиперфокальных расстояний.

Фокусировка объектива на гиперфокальное расстояние. Для фокусировки объектива на гиперфокальное расстояние, прежде всего надо знать, чему оно равно. В таблице 8 приведены гиперфокальные расстояния для видеокамер с форматом ПЗС-матрицы 1/3″. В нашем примере, рассмотренном выше, гиперфокальное расстояние для 6 мм объектива с F-числом 1,3 равно 4,33 м, при диаметре кружка рассеяния 6,4 микрона.

Если мы наведем резкость на гиперфокальное расстояние 4,33 м, то глубина резкости будет простираться от половины гиперфокального расстояния 2,17 м и до бесконечности (рис. 25).

Рис. 25 График фокусировки объектива на гиперфокальное расстояние

При такой фокусировке максимальная деталировка будет на гиперфокальном расстоянии. Очень быстро деталировка будет падать при приближении к передней границе глубины резкости, а при удалении от гиперфокального расстояния деталировка немного ухудшается, но, тем не менее, остается на достаточно хорошем уровне. Причем минимальное расстояние, на котором изображение будет еще резкое, равно половине гиперфокального расстояния.

Использовать такую настройку объектива нужно при необходимости:

– получить максимальную деталировку изображения, если объект наблюдения находится в пределах гиперфокального расстояния;

– получить максимальную глубину резкости для объективов с любым значением фокусных расстояний;

– при нахождении объекта наблюдения на удалении меньшем двух гиперфокальных расстояний.

Настройка непосредственно на объект наблюдения (рис. 26)

Такая ситуация в системах видеонаблюдения возникает достаточно редко. Связано это с тем, что объекты наблюдения в CCTV – это люди, машины и другие элементы изображения, которые находятся в постоянном движении. Или территории, которые должна контролировать видеокамера. Во всех этих случаях глубина резкости должна быть максимальной.

Рис. 26 график настройки непосредственно на объект наблюдения

Тем не менее нам известны случаи, когда объект наблюдения статичен. Это может быть слепок с печатями, которые контролирует видеокамера, пульт управления технологическим процессом, с которого камера считывает данные и т. д. и т. п. Фокусировка непосредственно на таких статических объектах наблюдения дает хорошие результаты. Кроме того, хочу обратить ваше внимание на три момента.

– Фокусировка объектива на объект наблюдения при ярком освещении практически невозможна. Резкость будет присутствовать во всем диапазоне расстояний.

– Использование нейтральных светофильтров не всегда возможно по самым разным причинам.

– Фокусировка объектива, уже смонтированного на объекте, отнимает достаточно много времени и требует определенных навыков от монтажников.

Примечание: Графики на рис. 2.24 – 2.26 построены для идеальных объективов, в которых отсутствуют искажения. В реальной действительности минимльный диаметр кружка нерезкости будет ограничиваться значениями аберационных и дифракционных искажений.

 Термины и определения

Таблица 10Термины и определения

Термины	Размерность	Определения
Аберрация		Аберрация (сферическая и хроматическая) – недостаток оптической системы, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие через оптическую систему, не собираются в одну точку (фокус), а создают крупный расплывшийся (нерезкий) кружок.
Асферический объектив		Объектив, у которого значительно снижены аберрационные искажения. Разрешающая способность таких объективов выше.
Вариообъектив	кратность	Объектив, позволяющий изменять значение фокусного расстояния вручную.
Гиперфокальное расстояние	метр	Минимальное расстояние от объектива, начиная с которого и до бесконечности все предметы резкие.
Глубина резкости	метр	Диапазон расстояний, в пределах которого изображение будет резким.
Диафрагма		Непрозрачная преграда с отверстием, расположенная на пути светового потока.
Просветленная оптика		Объектив, у которого на линзы, соприкасающиеся с воздухом, нанесено специальное покрытие, уменьшающее отражение падающего света. Чем меньше отражение, тем больше света проходит через объектив.
Объектив		Оптическая система, предназначенная для формирования изображения на ПЗС-матрице.
Диафрагменное число		Определяет размер отверстия диафрагмы. Каждый объектив имеет целый ряд диафрагменных чисел.
Дифракция		Отклонение световых волн от прямолинейного распространения. В результате получается интерференционная картина – чередование светлых и темных полос. Этот эффект не позволяет различать близко расположенные элементы изображения.
Кружок рассеяния		Основополагающий критерий для определения глубины резкости.
Обратный фокус		Положение объектива относительно ПЗС-матрицы, при котором в самых худших условиях освещенности изображение резкое.
Относительное отверстие		Отношение диаметра зрачка к фокусному расстоянию.
Освещенность	люкс	Величина светового потока, приходящего на единицу площади
Разрешающая способность	лин/мм	Способность объектива давать раздельное изображение мелких деталей, приходящихся на 1 мм изображения.
Световой поток	лм	Мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз.
Сервоуправление		Изменение значения диафрагмы дистанционно (с пульта управления).
Сила света	кд	Световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадиану.
Телеобъектив		Объектив с углом зрения меньше 30 градусов.
Трансфокатор	кратность	Объектив, позволяющий изменять значение фокусного расстояния дистанционно с пульта управления
Фокусировка объектива		Получение требуемой резкости оптического рисунка на ПЗС-матрице.
Широкоугольный объектив		Объектив с углом зрения больше 60 градусов.
Цветовая температура	Кельвин	Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет.
Яркость	кд/кв. м	Единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно. Она не зависит от расстояния рассматривания.
Direct Drive		Автоматическое управление диафрагмой сигналами постоянного тока, поступающими из видеокамеры.
Video Drive		Автоматическое управление диафрагмой по видеосигналу, поступающему из видеокамеры.