Камера

Задача объектива — сфокусировать отраженный от предметов свет на матрице. Разберем на какие параметры объектива нужно смотреть при выборе камеры видеонаблюдения.

Прежде чем начнем…

Важно сделать оговорку — прежде, чем вообще начинать выбирать место установки и тактико-технические характеристики камеры — нужно определиться с целевой задачей наблюдения и критериями её выполнения. Для этого можно обратится к стандартам BS EN 62676-4:2015 Video surveillance systems for use in security applications. Application guidelines и/или Р 78.36.008-99 «Проектирование и монтаж систем охранного телевидения и домофонов», а также руководствам по эксплуатации (РЭ) и Datasheet-ам производителей видеоаналитических модулей. Без этого выбор объектива становится бесполезным занятием — не зная цели мы не можем проверить достигли ли её, а не имея критериев достижения — проверить это расчетом.

Корпусная (box) камера на улице

Начнем с наиболее сложного варианта — требуется подобрать объектив для корпусной камеры (box или «кирпич») для эксплуатации в условиях переменной освещенности (на улице). В этом случае нам потребуется:

  • выбрать стандарт крепления объектива (по камере)
  • выбрать размер объектива под размер матрицы
  • предусмотреть наличие ИК-фильтра с функцией »день-ночь»
  • выбрать тип объектива и значение фокусного расстояния
  • выбрать разрешающую способность объектива (по матрице)
  • выбрать значение F-числа (апертура)
  • выбрать тип диафрагмы

Давайте разберем что это такое и на какие цифры нужно ориентироваться.

Выбор стандарта крепления объектива

Существуют три основных стандарта крепления объективов: S-mount, C-mount и CS-mount.

Стандарт S-mount (называемый также M12-mount) обычно используется в камерах для скрытого наблюдения и в фиксированных купольных миникамерах. Расстояние между объективом и датчиком не является фиксированным, поэтому может потребоваться фокусировка. В S-объективах управление диафрагмой отсутствует.

Крепления C-mount и CS-mount выглядят идентично и оба имеют 1-дюймовую резьбу, 32 витка на дюйм (TPI). Крепление CS-mount — это усовершенствованный стандарт крепления C-mount. Разница между этими креплениями состоит в расстоянии от объектива до датчика изображения:

Отличие C-Mount и CS-Mount

Переходное кольцо для установки объективов с резьбовым креплением C Mount на камеру с креплением CS Mount.

При использовании адаптера управление диафрагмой и фокусировкой происходит вручную на объективе, возможна фокусировка на бесконечность.

Возможны следующие комбинации для использования объективов с креплением C/CS с камерой:

  • С-кaмepa + С-объeктив;
  • СS-кaмepa + С-объeктив + СS/С-адаптер;
  • CS-кaмepa + CS-объeктив.

Правило выбора объектива будет простое — открываем характеристики выбранной box-камеры и смотрим применяемый стандарт крепления объектива. Переходное кольцо можно использовать только в случае крайней необходимости (это решение должно быть обосновано).

Выбор размера объектива под размер матрицы

Важно правильно выбрать размер объектива для матрицы камеры. Если объектив предназначен для матрицы меньшего размера, чем та, которая установлена в камере, то изображение будет затемнено по углам (см. рисунок внизу слева).

Если же объектив предназначен для матрицы большего размера, чем та, которая установлена в камере, то полученное поле обзора будет меньше того, на которое рассчитан объектив, поскольку часть изображения окажется за пределами датчика и будет потеряна (см. рисунок внизу справа). В этой ситуации возникает эффект телеобъектива, поскольку изображение кажется увеличенным, как при использовании зума.

Размер объектива и матрицы должны совпадать

ИК-фильтр с функцией »день-ночь»

Свет ближнего инфракрасного диапазона (700 — 1000 нм) невидим человеческим глазом, но светочувствительные матрицы большинства камер могут его принимать и использовать. При хорошей освещенности камера с дневным и ночным режимом включает инфракрасный режекторный фильтр, который отсекает инфракрасный свет, чтобы не нарушать передачу цветов в изображении. В ночном режиме инфракрасный режекторный фильтр камеры отключается, что увеличивает светочувствительность камеры.

Принцип действия функции «день-ночь»

Функция »день-ночь» — обязательна для объективов, работающих в условиях низкой освещенности. В последнее время появилась заметная альтернатива — применение «фирменных» технологий Lightfinder / Darkfighter / Starlight / ColorVu. Эти технологии позволяют получать цветные изображения при низкой освещенности сцены (камера не переходит в режим «ночь», не «откидывает» инфракрасный режекторный фильтр). Основной механизм их работы — выбор светочувствительных крупных матриц, качественной оптики высокого разрешения и фирменных алгоритмов обработки изображения процессором камеры.

Выбор типа объектива и значение фокусного расстояния

Фокусное расстояние — один из параметров объектива, определяющий угол обзора камеры видеонаблюдения. Фокусное расстояние измеряется в миллиметрах и как правило обозначается латинской буквой f (f, мм). Формула расчета угла обзора камеры при известном фокусном расстоянии для идеального объектива:

α=2arctg(d​/2f)

α — Угол обзора объектива, (гр)
d — Размер матрицы, (мм)
f — Фокусное расстояние, (мм) ​

Фокусное расстояние объектива влияет на ширину сцены наблюдения

В зависимости от возможностей объектива изменять фокусное расстояние объективы бывают:

  • фиксированные (монофокальные) — имеют одно неизменяемое значение фокусного расстояния;
  • вариофокальные — позволяют вручную регулировать фокусное расстояние в пределах, заданных конструктивно;
  • моторизованные (трансфокаторные) — это вариофокальные объективы, оснащённые электроприводом для удаленного автоматического регулирования фокусного расстояния объектива в пределах, заданных конструктивно;

В зависимости от угла обзора объективы бывают:

  • нормальные (45—60° по диагонали кадра) — близко к восприятию пространства человеческим зрением
  • широкоугольные (60 — 90° по диагонали кадра)
  • сверхширокоугольные Fish-eye («рыбий глаз» — до 180° по диагонали кадра) — объектив с целенаправленно увеличенной дисторсией.
Чем больше значение фокусного расстояния — тем меньше угол обзора камеры

Таким образом, угол обзора тем шире, чем меньше фокусное расстояние и тем больше, чем больше размер матрицы (о матрице поговорим в отдельной статье).

Дисторсия (от лат. distorsio, distortio — искривление) — аберрация оптических систем, при которой коэффициент линейного увеличения изменяется по мере удаления отображаемых предметов от оптической оси. При этом нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением.

Это приводит к тому, что угол обзора объектива с дисторсией может отличаться от рассчитанного по формуле α=2arctg(d​/2f):

Бочкообразная (слева) и подушкообразная (справа) дисторсия искажают изображение сцены обзора

Выпуклая дисторсия (бочкообразная, barrel distortion) — когда фактический угол шире расчетного, вогнутая (подушкообразная, pincushion distortion) — когда уже расчетного. В системах видеонаблюдения чаще встречается выпуклая дисторсия — у широкоугольных и сверширокоугольных объективов.

Глубина резкости — это расстояние перед точкой фокуса и за ней, в пределах которого изображения объектов получаются резкими. Глубина резкости важна, например, при наблюдении за парковкой, где может понадобиться прочитать номерные знаки автомобилей на расстоянии 20, 30 и 50 метров.

ГРИП (глубина резко изображаемого пространства)

На глубину резкости влияют три фактора: фокусное расстояние, значение диафрагмы и расстояние от камеры до объекта съемки. Большое фокусное расстояние, большое раскрытие диафрагмы или малое расстояние между камерой и объектом ограничивают глубину резкости. 

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.

Глубина резкости ограничивает возможность длиннофокусных объективов решать целевые задачи наблюдения

Таким образом дисторсия характерна для широкоугольных объективов и fish-eye, а ГРИП, отличный от бесконечности — для телеобъективов. Наличие дисторсии и ГРИП приходится учитывать при выборе фокусного расстояния объектива для решения целевой задачи наблюдения.

Выбор разрешающей способности объектива

Объектив может ограничить общее разрешение камеры, поэтому для «мегапиксельных» камер нужно применять объективы с разрешением выше либо таким же, как и разрешение матрицы камеры.

Выбор значения F-числа (апертуры)

Светосила показывает степень того, насколько световой поток ослабевает после того, как попадает в объектив. На этот показатель влияет диаметр раскрытия диафрагмы, качество линз (прозрачность), а также ряд других характеристик оптики.

Диафрагменное или F-число — это результат деления фокусного расстояния объектива(f, мм) на диаметр действующего отверстия диафрагмы.

F-число = фокусное расстояние / диаметр диафрагмы

Светосила объектива

Чем меньше F-число, тем лучше объектив собирает свет, и, значит, тем больше света попадает на матрицу. При слабой освещенности объектив с меньшим F-числом обычно дает изображение лучшего качества, а при увеличении F-числа растет глубина резкости. Как правило, объектив с низким F-числом стоит дороже, чем объектив, у которого F-число больше.

Чем больше света способна пропустить через себя диафрагма — тем более «светосильный» объектив

Переход от одного F-числа к соседнему равносильно уменьшению или увеличению яркости ровно вдвое. Правда, некоторые современные камеры разрешают менять диафрагму с более мелким шагом, например, на пол деления диафрагмы или даже на треть.

Выбор типа диафрагмы

Диафрагма может быть фиксированной или регулируемой. В случае регулируемой диафрагмы она может устанавливаться автоматически или вручную (автоматическая диафрагма и диафрагма P-Iris).

Регулировка диафрагмы вручную осуществляется поворотом кольца на объективе, в результате чего происходит открывание или закрывание отверстия диафрагмы. Это неудобно, если освещенность меняется, как это происходит при видеонаблюдении в уличных условиях.

Автоматически управляемые диафрагмы бывают двух типов: DC-диафрагма и видеодиафрагма. В обоих типах изменение размера диафрагмы происходит автоматически, с помощью электропривода — в соответствии с изменением уровня освещенности. Для управления диафрагмой в обоих случаях используется аналоговый сигнал (часто это видеосигнал). Указанные типы различаются местом расположения схемы, преобразующей аналоговый сигнал в сигнал управления приводом. Для объектива с DC-диафрагмой эта схема находится внутри камеры, а в случае с видеодиафрагмой — внутри объектива.

При ярком свете на изображение, полученное камерой с автоматической диафрагмой, может влиять дифракция световых лучей, приводящая к размытию картинки, что наблюдается при слишком маленьком диаметре отверстия. Это может быть особенно заметно в камерах с мегапиксельным разрешением и разрешением HDTV, поскольку размер пикселей в датчике изображения меньше, чем у камер с более низким разрешением. 

P-Iris — это автоматический способ точного управления диафрагмой, разработанный компаниями Axis Communications (Швеция) и Kowa (Япония). Для управления используется объектив с диафрагмой P-Iris, оснащенный электроприводом и специальное программное обеспечение. В системе предусмотрено исправление недостатков объектива с автоматической диафрагмой путем улучшения контраста, четкости, разрешения и глубины резкости изображений.

Т.е. в итоге:

  1. диафрагма фиксированная
  2. диафрагма регулируемая, делится на:
  • автоматическая
  • — DC-диафрагма
  • — видеодиафрагма
  • P-Iris

Наиболее совершенная — P-Iris. Далее идет — видеодиафрагма. Далее —  DC-диафрагма. Ну и совсем простой объектив с фиксированной диафрагмой. Сейчас последний вариант (фиксированную) встретить довольно сложно и она применяется лишь для каких то специфических задач.

Камеры со встроенным объективом

В случае, если объектив «идет в комплекте» с камерой — задача его выбора упрощается. Нам требуется:

  • выбрать тип объектива и значение фокусного расстояния
  • выбрать значение F-числа (апертура)
  • выбрать тип диафрагмы
  • предусмотреть наличие ИК-фильтра с функцией »день-ночь» при работе камеры в условиях низкой освещенности

Камеры внутри помещения с искусственным освещением

Если камера работает в условиях постоянной освещенности, выбор объектива ещё более упрощается. Нам потребуется:

  • выбрать тип объектива и значение фокусного расстояния

Выводы

При подборе объектива приходится учитывать множество факторов. Ключевые из них влияют на:

  • совместимости объектива и камеры;
  • разрешающую способность получаемого на матрице изображения;
  • светочувствительность;
  • угол обзора;
  • наличие искажений изображения на матрице;
  • глубину резкости.

Но не все так страшно. Как правило выбор весьма простой и сводится к проверке нескольких позиций в Datasheet на камеру:

Datasheet Box-камеры
Характеристики объектива в Datasheet

Про матрицу и скорость электронного затвора (shutter speed — выдержка) мы поговорим в отдельной статье. О светочуствительности я подробно писал тут. Пишите ваши вопросы и дополнения в комментариях!

Приходите учиться! Будем разбирать ключевые моменты — выбор камер, локальной сети, серверов и софта. Подробности — по ссылке в баннере:

Баннер online-курса по проектированию видеонаблюдения
Мой online-курс для начинающих «Проектирование видеонаблюдения»

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.