Camera elements

Elementos de lente

Uma lente, ou um conjunto de lente, de uma câmera de rede realiza várias funções. Entre elas estão as seguintes:

  • Definir o campo de visão, ou seja, definir quanto da cena será capturado, e o nível de detalhes da captura.
  • Controlar a quantidade de luz que atinge o sensor de imagens para que uma imagem seja corretamente exposta.
  • Focalizar para ajustar qualquer um dos elementos no conjunto da lente, ou a distância entre os conjuntos de lentes e o sensor de imagens.

Campo de visão

Um fator que deve ser levado em consideração ao escolher uma câmera é o campo de visão necessário, ou seja, a área de cobertura e o nível de detalhes que será visualizado. O campo de visão é determinado pela distância focal da lente e pelo tamanho do sensor de imagem; ambos são especificados na folha de dados da câmera de rede.

A distância focal de uma lente é definida como a distância entre a lente de entrada (ou um ponto específico de um conjunto de lente complexo) e o ponto para o qual todos os raios de luz convergem (normalmente, o sensor de imagem da câmera). Quanto maior a distância focal, mais estreito será o campo de visão.

A maneira mais rápida de descobrir a lente com a distância focal necessária para o campo de visão desejado é usar uma calculadora de lentes rotativas ou uma calculadora de lentes on-line, ambas disponibilizadas pela Axis. O tamanho do sensor de imagem de uma câmera de rede, normalmente 1/4”, 1/3”, 1/2” e 2/3”, também deve ser usado no cálculo. A desvantagem de usar uma calculadora de lentes é que ela não leva em conta nenhuma possível distorção geométrica de uma lente.

O campo de visão pode ser classificado em três categorias:

  • Visão normal: Oferece o mesmo campo de visão que o olho humano.
  • Telefoto: Um campo de visão mais estreito que oferece, em geral, detalhes mais refinados do que o olho humano pode captar. Uma lente de telefoto é usada quando o objeto vigiado é pequeno ou está muito distante da câmera. Uma lente de telefoto geralmente tem menos capacidade de captura de luz que uma lente normal.
  • Grande-angular: Um campo de visão maior com menos detalhes que na visão normal. Uma lente grande-angular geralmente oferece uma boa profundidade de campo e um bom desempenho com baixa luminosidade. Às vezes, as lentes grande-angulares geram distorções geométricas, por exemplo, o efeito “olho de peixe”.

Diferentes campos de visão: Grande-angular (à esquerda); visão normal (no meio); telefoto (à direita).

Lentes de câmeras de rede com diferentes distâncias focais: grande-angular (à esquerda); normal (no meio); telefoto (à direita).

Existem três tipos principais de lentes:

  • Lente fixa: Essa lente oferece uma distância focal fixa, ou seja, apenas um campo de visão (ou normal, ou telefoto ou grande-angular). Uma distância focal comum de uma lente de câmera de rede fixa é de 4 mm.
  • Lente de foco variável: Esse tipo de lente oferece várias distâncias focais e, portanto, diferentes campos de visão. O campo de visão pode ser ajustado manualmente. Quando o campo de visão mudar, o usuário precisará refocalizar a lente manualmente. As lentes de foco variável para câmeras de rede oferecem distâncias focais que variam de 3 mm a 8 mm.
  • Lente de zoom: As lentes de zoom são como lentes de foco variável, pois permitem que o usuário selecione diferentes campos de visão. Entretanto, não será necessário refocalizar as lentes de zoom se o campo de visão mudar. O foco pode ser mantido dentro de um intervalo de distâncias focais, por exemplo, de 6 mm a 48 mm. A lente pode ser ajustada manualmente ou através de controle remoto, com um motor. Quando uma lente indica, por exemplo, a capacidade de zoom de 3x, ela se refere à proporção entre a distância focal mais longa e mais curta da lente.

Combinando lente e sensor

Se uma câmera de rede oferecer lentes intercambiáveis, será importante escolher uma lente adequada à câmera. Uma lente produzida para um sensor de imagem de ½ polegada funcionará com sensores de imagem de ½ pol., 1/3 de pol. e ¼ de pol., mas não com um sensor de imagem de 2/3 de pol.

Se uma lente tiver sido projetada para um sensor de imagem menor do que o sensor efetivamente instalado dentro da câmera, a imagem apresentará cantos pretos (consulte a ilustração à esquerda na Figura 3.2c abaixo). Se uma lente tiver sido projetada para um sensor de imagem maior do que o sensor efetivamente instalado dentro da câmera, o campo de visão será menor do que a capacidade da lente, pois parte das informações serão “perdidas” fora do sensor de imagem (consulte a ilustração à esquerda da Figura 3.2c). Essa situação cria um efeito de telefoto, pois faz com que tudo pareça aproximado.

Exemplos de lentes diferentes instaladas em um sensor de imagem de 1/3 de polegada.

Quando a lente de uma câmera megapixel for substituída, será necessária uma lente de alta qualidade, pois os pixels dos sensores megapixel são muito menores do que os de um sensor VGA (640x480 pixels). É melhor combinar a resolução da lente com a resolução da câmera para usar plenamente a capacidade da câmera.

Padrões de encaixe de lentes

Ao trocar uma lente, também é importante saber o tipo de encaixe de lente da câmera de rede. As câmeras de rede utilizam dois padrões principais: encaixe CS e encaixe C. Ambos têm uma rosca de 1 polegada, e sua aparência é idêntica. A diferença é a distância das lentes para o sensor quando elas são encaixadas na câmera:

  • Encaixe CS. A distância entre o sensor e a lente deve ser de 12,5 mm.
  • Encaixe C. A distância entre o sensor e a lente deve ser de 17,526 mm.

É possível encaixar uma lente de encaixe C no corpo de uma câmera com encaixe CS, usando um espaçador de 5 mm (anel adaptador C/CS). Se não for possível focalizar a câmera, é provável que o tipo errado de lente esteja sendo usado.

Para saber mais sobre Lentes para câmeras térmicas.

Número ‘f’ e exposição

Em situações de baixa luminosidade, especialmente em ambientes internos, um fator importante que deve ser examinado em uma câmera de rede é a capacidade de captura de luz da lente. Isso pode ser determinado pelo número ‘f’ da lente, também conhecido como f-stop. Um número ‘f’ define quanta luz poderá atravessar uma lente.

O número ‘f’ é a proporção entre a distância focal da lente e o diâmetro da abertura ou da íris; ou seja, número ‘f’ = distância focal/abertura.

Quanto menor for o número ‘f’ (seja uma distância focal curta em relação à abertura, ou uma abertura grande em relação à distância focal), melhor será a capacidade de captura de luz da lente; ou seja, mais luz atravessará a lente e chegará ao sensor de imagem. Em situações de baixa luminosidade, um número f menor geralmente produz uma qualidade de imagem melhor. Entretanto, pode haver alguns sensores incapazes de aproveitar um número f mais baixo em situações de pouca luminosidade devido à maneira como foram projetados. Um número f mais elevado, por outro lado, aumenta a profundidade de campo. Normalmente, uma lente com número f mais baixo é mais cara que uma lente com número f mais alto.

Os números f são, muitas vezes, representados como F/x. A barra indica divisão. F/4 significa que o diâmetro da íris é igual à distância focal dividida por 4; assim, se uma câmera tiver uma lente de 8 mm, a luz deve atravessar uma íris cuja abertura tem 2 mm de diâmetro. Embora as lentes com íris de ajuste automático (íris DC) tenham um intervalo de números f, muitas vezes apenas a extremidade máxima de captura de luz do intervalo (o menor número f) é especificada. A capacidade de captura de luz de uma lente, ou número f, e o tempo de exposição (ou seja, o tempo pelo qual um sensor de imagem fica exposto à luz) são os dois elementos principais que definem a quantidade de luz recebida por um sensor de imagem. Um terceiro elemento (ganho) é um amplificador usado para clarear a imagem. Entretanto, o aumento do ganho também aumenta o nível de ruído (granularidade) de uma imagem. Portanto, é preferível ajustar o tempo de exposição ou a abertura da íris.

Algumas câmeras da Axis permitem definir os limites de tempo de exposição e o ganho. Quanto maior o tempo de exposição, mais luz o sensor de imagem receberá. Ambientes claros exigem um tempo de exposição menor, ao passo que condições de baixa luminosidade exigem um tempo de exposição maior. É importante saber que o aumento do tempo de exposição também possibilita que a imagem fique desfocada, ao passo que o aumento da abertura da íris tem a desvantagem de reduzir a profundidade de campo. Isso é explicado na seção a seguir.

Para decidir sobre a exposição, recomendamos um tempo menor de exposição para movimentos rápidos ou quando for necessária uma alta taxa de quadros de imagem (frame rate elevado). Um tempo de exposição maior melhora a qualidade de imagem quando as condições de iluminação não forem boas, mas pode deixar desfocadas imagens em movimento e reduzir a velocidade de captura de imagens, pois é necessário mais tempo para expor cada quadro. Em algumas câmeras de rede, um ajuste automático de exposição significa que a velocidade de captura aumenta ou diminui de acordo com a quantidade de luz disponível. Apenas com a redução do nível de luminosidade é importante considerar o uso de iluminação artificial ou a priorização de uma velocidade de captura maior ou de uma qualidade de imagem melhor.

Uma interface de usuário de câmera com opções para configurar, entre outras coisas, a exposição em condições de baixa luminosidade.

Íris manual ou automática

Em ambientes internos, onde os níveis de luz possam ser constantes, pode ser usada uma lente com íris manual. Esse tipo de lente possui ou um anel para ajustar a íris, ou a íris é fixada em um determinado número f. A última é usada pela Axis em suas câmeras de rede para interiores. Uma lente com íris automaticamente ajustável é recomendada para aplicações externas e onde a iluminação da cena mude constantemente. A abertura da íris é controlada pela câmera, sendo usada para manter o nível ideal de iluminação no sensor de imagem se não houver configurações de exposição e ganho ou se essas configurações não forem usadas na câmera de rede.

Profundidade de campo

Um critério que pode ser importante para uma aplicação de vigilância por vídeo é a profundidade de campo. Profundidade de campo é a distância na frente e atrás do ponto focal onde os objetos parecem nítidos simultaneamente. A profundidade de campo pode ser importante, por exemplo, no monitoramento de um estacionamento, onde pode ser necessário identificar placas de carros a 20, 30 e 50 metros (60, 90 e 150 pés) de distância.

A profundidade de campo é afetada por três fatores: distância focal, diâmetro da íris e distância da câmera até o objeto. Uma distância focal grande, uma abertura de íris grande ou uma distância curta entre a câmera e o objeto limitam a profundidade de campo.

Profundidade de campo: Imagine uma fila de pessoas em pé uma atrás da outra. Se o foco estiver no meio da fila e for possível identificar os rostos de todos que estiverem a mais de 15 metros (45 pés) de distância na frente e atrás do ponto médio, a profundidade de campo será adequada.

Abertura da íris e profundidade de campo. A ilustração acima é um exemplo da profundidade de campo com diferentes números f e distância focal de 2 metros (7 pés). Um número f elevado (abertura de íris menor) permite focalizar objetos a uma distância maior. Dependendo do tamanho dos pixels, aberturas de íris muito pequenas podem desfocar a imagem devido à difração.

Tipos de controle de íris