Camera elements

Objektivelemente

Das Objektiv einer Netzwerk-Kamera ist für verschiedene Aspekte verantwortlich. Dazu gehören folgende:

  • Definieren des Sichtfelds, d. h. definieren, welcher Teil einer Szene mit welcher Detailgenauigkeit erfasst werden soll.
  • Steuern der Lichtmenge, die durch das Objektiv auf den Bildsensor fällt, damit ein Bild korrekt belichtet wird.
  • Scharfstellen durch Verschieben der Linsen im Objektiv oder Ändern des Abstands zwischen Objektiv und Bildsensor.

Sichtfeld

Ein Faktor, der bei der Auswahl einer Kamera zu berücksichtigen ist, ist das erforderliche Sichtfeld, d. h. der Abdeckungsbereich der Kamera und die gewünschte Detailgenauigkeit. Das Sichtfeld wird durch die Brennweite des Objektivs und die Größe des Bildsensors festgelegt. Beide Angaben sind in den technischen Daten der Netzwerk-Kamera aufgeführt.

Die Brennweite eines Objektivs ist der Abstand zwischen der Eingangslinse (optischer Mittelpunkt im Objektiv) und der Stelle, an der alle Lichtstrahlen an einem Punkt zusammenlaufen (Brennpunkt). Je länger die Brennweite, desto enger ist das Sichtfeld.

Welche Brennweite für das gewünschte Sichtfeld benötigt wird, lässt sich am schnellsten mithilfe einer Objektivrechenscheibe oder eines Online-Objektivrechners ermitteln. Beide Rechner sind bei Axis erhältlich. Die Größe des Bildsensors einer Netzwerk-Kamera beträgt in der Regel 1/4“, 1/3“, 1/2“ oder 2/3“ und muss bei der Berechnung ebenfalls berücksichtigt werden. (Der Nachteil bei der Verwendung eines Objektivrechners besteht darin, dass er mögliche geometrische Verzeichnungen eines Objektivs nicht berücksichtigt und es zu kleinen Abweichungen beim Ergebnis kommen kann.)

Das Sichtfeld kann in drei Typen eingeteilt werden:

  • Normal view: entspricht dem Sichtfeld des menschlichen Auges.
  • Tele: ein kleineres Sichtfeld, das mehr Details liefert, als das menschliche Auge wahrnehmen kann. Ein Teleobjektiv wird verwendet, wenn das zu überwachende Objekt klein oder weit von der Kamera entfernt ist. Ein Teleobjektiv ist normalerweise weniger lichtstark als ein Normal objektiv.
  • Weitwinkel: ein größeres Sichtfeld mit weniger Details als bei einem normalen Sichtfeld. Ein Weitwinkelobjektiv bietet eine gute Tiefenschärfe und eine akzepTabelle Leistung bei schwachem Licht. Weitwinkelobjektive erzeugen gelegentlich geometrische Verzeichnungen, wie z. B. den „Fischaugen“-Effekt.

Verschiedene Sichtfelder: Weitwinkel (links), Normal (Mitte), Tele (rechts).

Netzwerk-Kamera-Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten: Weitwinkel (links), Normal (Mitte), Tele (rechts).

Es gibt drei Arten von Objektiven:

  • Objektiv mit Festbrennweite: Ein solches Objektiv hat eine Brennweite, die nicht veränderbar ist, d. h., es bietet nur ein Sichtfeld (normal, Tele oder Weitwinkel). Eine gängige feste Brennweite für Netzwerk-Kamera-Objektive ist 4 mm.
  • Varifokusobjektivs: Dieser Objektivtyp bietet einen Brennweitenbereich und damit auch verschiedene Sichtfelder. Das Sichtfeld kann manuell angepasst werden. Bei jeder Änderung des Sichtfelds muss das Objektiv manuell neu fokussiert werden. Varifokusobjektive für Netzwerk-Kameras bieten oftmals Brennweiten im Bereich von 3 mm bis 8 mm.
  • Zoom-Objektiv: Zoom-Objektive ähneln den Varifokusobjektiven, da bei ihnen unterschiedliche Sichtfelder eingestellt werden können. Bei Zoom-Objektiven muss das Objektiv jedoch nicht neu fokussiert werden, wenn das Sichtfeld geändert wird. Der Fokus kann in einem Brennweitenbereich von beispielsweise 6 mm bis 48 mm beibehalten werden. Objektiveinstellungen können manuell oder motorbetrieben per Fernsteuerung erfolgen. Wenn für ein Objektiv ein Zoomfaktor (z. B. 3x) angegeben ist, bezeichnet dies das Verhältnis zwischen der kürzesten und längsten Brennweite des Objektivs.

Objektiv und Bildsensor aufeinander abstimmen

Wenn eine Netzwerk-Kamera ein Wechselobjektiv hat, muss darauf geachtet werden, dass für die Kamera geeignete Objektive verwendet werden. Das Objektiv muss vom Durchmesser her mindestens so groß sein wie die Diagonale des Bildsensors, kann aber auch größer sein. Ein Objektiv für einen 1/2“-Bildsensor eignet sich für 1/2“-, 1/3“- und 1/4“-Bildsensoren, aber nicht für 2/3“-Bildsensoren.

Wenn ein Objektiv zu klein ist, weisen die erzeugten Bilder schwarze Ecken auf (siehe linke Darstellung unten). Wenn ein Objektiv für einen größeren Bildsensor als den der Kamera konzipiert ist, ist das Sichtfeld kleiner als das theoretisch mit dem Objektiv erzielbare Sichtfeld, da ein Teil der Informationen außerhalb des Bildsensors „verloren geht“r (siehe rechte Darstellung unten). Hierdurch wird ein Tele-Effekt erzeugt, da alles vergrößert erscheint.

Beispiele für verschiedene Objektive in Kombination mit einem 1/3“-Bildsensor.

Beim Wechseln eines Objektivs an einer Megapixelkamera ist gegenüber Kameras mit VGA-Bildsensoren ein höherwertiges Objektiv erforderlich, dass ein entsprechendes Auflösvermögen bietet. Nur wenn das Objektivauflösevermögen den Anforderungen entspricht, können die Funktionen der Megapixelkameras vollständig genutzt werden.

Standards bei den Objektivanschlüssen

Beim Wechseln eines Objektivs ist es wichtig, die Art des Objektivanschlusses der Netzwerk-Kamera zu kennen. Es gibt zwei Hauptstandards für Objektivanschlüsse von Netzwerk-Kameras: CS-Anschluss und C-Anschluss. Beide haben ein 1“-Gewinde und lassen sich auf den ersten Blick nicht voneinander unterscheiden. Der Unterschied besteht in dem jeweiligen Abstand des Objektivs zum Bildsensor, wenn das Objektiv an der Kamera montiert ist:

  • CS-Anschluss. Der Abstand zwischen Bildsensor und Objektiv muss 12.5 mm betragen.
  • C-Anschluss. Der Abstand zwischen Bildsensor und Objektiv muss 17.526 mm betragen.

Es ist möglich, ein Objektiv mit C-Anschluss an eine Kamera mit CS-Anschluss zu montieren. Hierzu muss ein 5-mm-Abstandsring (C/CS-Adapterring) verwendet werden. Wenn eine Kamera nicht fokussiert werden kann, wird sehr wahrscheinlich ein falsches Objektiv verwendet.

Weitere Informationen zu Objektive für thermische Kameras.

Öffnungsverhältnis und Belichtung

Bei schwachem Licht, vor allem in Innenräumen, ist die Lichtstärke des Objektivs einer Netzwerk-Kamera ein wichtiger Faktor. Diese wird vom so genannten Öffnungsverhältnis des Objektivs bestimmt. Dieses gibt an, wie viel Licht ein Objektiv passieren kann. Das Öffnungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Brennweite und dem Durchmesser der Eintrittspupille bzw. der Blendenöffnung, d. h. Öffnungsverhältnis = Brennweite/Blendenöffnung.

Je kleiner das Öffnungsverhältnis ist (entweder kurze Brennweite relativ zur Blendenöffnung oder große Blendenöffnung relativ zur Brennweite), desto höher ist die Lichtstärke des Objektivs, d. h., es gelangt mehr Licht durch das Objektiv zum Bildsensor. Bei schwachem Licht wird mit einem kleineren Öffnungsverhältnis in der Regel eine bessere Bildqualität erzielt. (Es gibt jedoch Sensoren, die aufgrund ihres Designs bei schwachem Licht nicht in der Lage sind, von einem kleineren Öffnungsverhältnis zu profitieren.) Ein größeres Öffnungsverhältnis erhöht indes die Schärfentiefe, die in Abschnitt 3.2.6 erläutert wird. Ein Objektiv mit einem kleineren Öffnungsverhältnis ist normalerweise teurer als ein Objektiv mit einem größeren Öffnungsverhältnis.

Das Öffnungsverhältnis wird meist im Format „f/x“ angegeben. Der Schrägstrich steht für die Division. Die Angabe „f/4“ bedeutet, dass der Blendendurchmesser dem Quotienten aus Brennweite und 4 entspricht. Wenn also die Kamera ein 8-mm-Objektiv hat, beträgt der Durchmesser der Blendenöffnung, durch die das Licht einfallen kann, nur 2 mm.

Während Objektive mit Automatikblende (DC-Blende) über mehrere Öffnungsverhältnisse verfügen, wird oftmals nur die maximale Lichtstärke (kleinstes Öffnungsverhältnis) angegeben. Die Lichtstärke oder das Öffnungsverhältnis und die Belichtungszeit sind die zwei Hauptfaktoren, die beeinflussen, wie viel Licht ein Bildsensor empfängt. Ein dritter Faktor, ist die Verstärkung, sie dient dazu, das Bild heller zu machen. Mit zunehmender Verstärkung wird jedoch auch das Rauschen („Körnigkeit“) eines Bildes verstärkt. Deshalb ist es in Regel vorteilhaft, die Belichtungszeit oder die Blende an die Lichtsituation anzupassen.

Bei den meisten Axis-Kameras können Grenzwerte für die Belichtungszeit und die Verstärkung festgelegt werden. Je länger die Belichtungszeit ist, desto mehr Licht empfängt ein Bildsensor. In hellen Umgebungen ist eine kürzere Belichtungszeit erforderlich, während schwach ausgeleuchtete Szenen eine längere Belichtungszeit erfordern. Es ist wichtig zu wissen, dass bei längeren Belichtungszeiten auch die Bewegungsunschärfe zunimmt, während die Vergrößerung der Blendenöffnung den Nachteil einer verringerten Tiefenschärfe hat. Dies wird in Abschnitt näher erläutert.

Eine kürzere Belichtungszeit wird empfohlen, wenn schnell bewegte Objekte aufgenommen werden sollen oder wenn eine hohe Bildrate erforderlich ist. Eine längere Belichtungszeit verbessert die Bildqualität bei schwachem Licht, verstärkt jedoch auch die Bewegungsunschärfe und senkt die Gesamtbildrate, da zur Belichtung jedes Einzelbilds mehr Zeit benötigt wird. Bei einigen Netzwerk-Kameras bewirkt eine automatische Belichtungseinstellung, dass die Bildrate je nach verfügbarem Licht erhöht oder reduziert wird. Faktoren wie Kunstlicht, Bildrate oder Bildqualität spielen nur bei mangelnder Helligkeit eine Rolle.

Eine Kamerabenutzeroberfläche mit Optionen zum Einstellen der Belichtung bei schwachem Licht sowie anderen Einstellungen.

Manuelle oder automatische Blende

In Innenräumen, in denen von einer konstanten Beleuchtung ausgegangen wird, kann ein Objektiv mit manueller Blende verwendet werden. Diese Art von Objektiv verfügt entweder über einen Ring zum Einstellen der Blende oder die Blende ist fest auf ein bestimmtes Öffnungsverhältnis eingestellt. Die Innenraum-Netzwerk-Kameras von Axis verwenden feste Öffnungsverhältnisse.

Tiefenschärfe

Ein Kriterium, das bei der Videoüberwachung möglicherweise eine wichtige Rolle spielt, ist die Tiefenschärfe. Diese bezeichnet den Bereich vor und hinter dem Schärfepunkt, in dem die Objekte scharf dargestellt werden. Die Tiefenschärfe kann beispielsweise bei der Überwachung von Parkplätzen wichtig sein, bei der Nummernschilder in 20, 30 und 50 Metern Entfernung noch lesbar sein müssen.

Die Tiefenschärfe wird von vier Faktoren beeinflusst: Brennweite, Blendenöffnung, Abstand zwischen Kamera und Objekt und der Pixelgröße auf dem Bildsensor. Eine große Brennweite, eine große Blendenöffnung oder ein kurzer Abstand zwischen Kamera und Objekt haben eine geringere Tiefenschärfe zur Folge. Des Weiteren gilt, dass bei den Megapixelkameras Bildsensoren mit kleineren Pixeln verwendet werden, welche ebenfalls eine geringere Tiefenschärfe zur Folge haben.

Tiefenschärfe: Stellen Sie sich mehrere Personen vor, die in einer Reihe hintereinander stehen. Wenn der Schärfepunkt auf der Mitte der Reihe liegt und es möglich ist, die Gesichter der Personen zu erkennen, die mehr als 15 Meter vom Mittelpunkt entfernt sind, ist die Tiefenschärfe gut.

Blendenöffnung und Tiefenschärfe. Das Diagramm oben ist ein Beispiel für die Tiefenschärfe bei verschiedenen Öffnungsverhältnissen und einem Abstand von 2 Metern. Bei einem großen Öffnungsverhältnis (kleinere Blendenöffnung) werden Objekte über eine größere Entfernung scharf abgebildet. (Je nach Pixelgröße können sehr kleine Blendenöffnungen zu Beugungsunschärfe führen.)

Möglichkeiten der Blendensteuerung