Camera elements

Объективы

Линзы или объективы сетевых камер выполняют несколько функций. В их число входят:

  • Определение поля зрения; т. е. какая часть объекта, и с каким уровнем детализации будет снята.
  • Управление количеством проходящего на датчик изображения света, так, чтобы была обеспечена правильная выдержка.
  • Фокусирование при помощи корректировки расстояния или между компонентами объектива, или между объективом и датчиком изображения.

Поле зрения

При выборе камеры необходимо учитывать требуемое поле зрения; т. е. площадь покрытия и уровень детализации объекта. Поле зрения определяется фокусным расстоянием объектива и размерами датчика изображения; эти характеристики приведены в техническом описании камеры. Фокусное расстояние объектива определяется как расстояние между входной линзой (или определенной точкой объектива) и точкой, в которой все лучи собираются в одну точку (обычно датчик изображения камеры). Чем больше фокусное расстояние, тем меньше поле зрения.

Проще всего определить какое фокусное расстояние необходимо для требуемого поля зрения можно с помощью поворотного калькулятора объективов , или интерактивного калькулятора объективов. Оба средства предлагает компания Axis. При вычислениях необходимо учитывать размер матрицы (датчика изображения) сетевой камеры. Обычно он равен 1/4, 1/3, 1/2 или 2/3 дюйма. (Недостатком использования калькулятора объективов является то, что он не учитывает возможных геометрических искажений, вносимых объективом.)

Поле зрения может быть трех типов:

  • Обычный вид: обеспечивает такое же поле зрения, как и человеческий глаз.
  • Телеобъектив: поле зрения уже. Как правило, обеспечивает более четкое, чем человеческий глаз, изображение деталей. Телеобъектив применяют, если объект наблюдения мал или находится далеко от камеры. Как правило, телеобъектив обладает меньшей собирающей способностью, чем обычный.
  • Широкоугольный: увеличенное поле зрения и меньше детализация по сравнению с обычным. Как правило, широкоугольные объективы обеспечивают хорошую глубину резкости и значительную производительность при низкой освещенности. Иногда широкоугольные объективы вносят геометрические искажения, например, эффект «рыбий глаз».

Различные поля зрения: широкоугольное (слева); обычное (посредине); телеобъектива (справа).

Объективы сетевых камер с различным фокусным расстоянием: широкоугольный (слева); обычный (посредине); телеобъектив (справа)

Существуют три основных типа объективов:

  • С постоянным фокусным расстоянием: У такого объектива фокусное расстояние постоянно; т. е. имеется только одно поле зрения (обычное, теле или широкоугольное). Чаще всего значение фокусного расстояния сетевой камеры с постоянным фокусным расстоянием составляет 4 мм.
  • Объективы с переменным фокусным расстоянием: Такой тип объективов обеспечивает переменное фокусное расстояние и, следовательно, различные поля зрения. Поле зрения может быть установлено вручную. Всякий раз при изменении поля зрения необходимо сфокусировать объектив вручную. Обычно фокусное расстояние объективов для сетевых камер имеет значение от 3 мм до 8 мм.
  • Трансфокатор: Трансфокаторы похожи на объективы с переменным фокусным расстоянием тем, что также позволяют пользователю выбрать различные поля зрения. Однако в этом случае нет необходимости перефокусировать объектив при изменении поля зрения. Фокусировка сохраняется во всем диапазоне фокусного расстояния, например, от 6 до 48 мм. Перемещение объектива может осуществляться вручную или механизировано при дистанционном управлении. Если объектив обладает, например, возможностью 3-кратного увеличения, то это соответствует отношению максимального фокусного расстояния объектива к минимальному.

Согласование объективов с матрицами

Если сетевая камера обладает возможностью смены объективов, то очень важно выбрать подходящий объектив. Объектив, предназначенный для работы с датчиком изображения размером 1/2 дюйма, будет работать с датчиками размером 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма, но не с датчиком 2/3 дюйма.

Если объектив предназначен для работы с датчиком изображения меньших размеров, чем установленный в камере, то у изображения будут черные углы (см. ниже иллюстрацию слева). Если объектив предназначен для работы с датчиком изображения больших размеров, чем установленный в камере, то поле зрения будет меньше чем возможности объектива и часть информации будет «утеряна» за пределами датчика изображения (см. ниже иллюстрацию справа). Получается эффект телеобъектива, так как все выглядит увеличенным.

Примеры различных объективов, установленных на датчик изображения размером 1/3 дюйма.

При замене объектива на мегапиксельной камере необходимо использовать высококачественный объектив, так как размер пикселя мегапиксельного датчика значительно меньше, чем у VGA-датчика (640х480 пикселей). Для полного использования возможностей камеры необходимо, чтобы разрешение объектива соответствовало разрешению камеры.

Стандарты узлов крепления объектива

При замене объектива важно знать какой у камеры тип узла крепления объектива. В сетевых камерах используются два основных стандарта: CS-mount и C-mount. Оба имеют 1-дюймовую резьбу и выглядят одинаково. Разница — в расстоянии от установленного в камеру объектива до датчика:

  • Узел крепления CS-mount. Расстояние между датчиком и объективом 12,5 мм.
  • Узел крепления C-mount. Расстояние между датчиком и объективом 17,526 мм.

При использовании проставки толщиной 5 мм (С/СS кольцевой адаптер) возможна установка объектива C-mount на камеру CS-mount. Если сфокусировать камеру невозможно, то, скорее всего, был использован неподходящий тип объектива.

Дополнительную информацию о Объективы для тепловизионных камер.

F-число и выдержка

В условиях низкой освещенности, особенно в помещениях, важным фактором при выборе сетевой камеры является способность объектива собирать свет. Она определяется f-числом объектива, известным также как диафрагменное число (f-stop). F-число определяет насколько много света может пройти через объектив. F-число — это отношение фокусного расстояния объектива к диаметру апертуры или диафрагмы; т. е. f-число=фокусное расстояние/апертура.

Чем меньше f-число (или малое фокусное расстояние по сравнению с апертурой, или большая апертура по сравнению с фокусным расстоянием) тем лучше способность объектива собирать свет; т. е. на датчик изображения попадает больше света. Как правило, в условиях низкой освещенности меньшие значения f-числа обеспечивают лучшее качество изображения. (Однако есть датчики, которые в силу своих конструктивных особенностей, не могут извлечь преимущества из меньших значений f-числа в условиях низкой освещенности.) Большее значение f-числа, как это объясняется в разделе глубину резкости. Обычно объективы с меньшими значениями f-числа дешевле объективов с большими значениями. F-число часто записывают в виде F/x. Косая черта означает деление. F/4 означает, что диаметр диафрагмы равен фокусному расстоянию, разделенному на 4. Поэтому, если у камеры 8 мм объектив, свет должен проходить через диафрагму, диаметр которой равен 2 мм. Если объективы с автоматически устанавливаемой диафрагмой (DC-iris) имеют диапазон значений f-числа, то обычно указывают только значение, при котором собирается максимальное количество света (наименьшее значение f-числа).

Способность объектива собирать свет или f-число и время выдержки (т. е. промежуток времени, в течение которого датчик изображения подвергается воздействию света) являются двумя важнейшими элементами, которые управляют количеством света, поступающим на датчик. Третий элемент — коэффициент усиления. Он используется для того, чтобы сделать изображение ярче. Однако увеличение усиления также увеличивает уровень шумов (зернистость) в изображении. Поэтому более предпочтительным является настройка времени выдержки или раскрытия диафрагмы.

В некоторых камерах производства Axis могут быть ограничения на величину времени выдержки и коэффициента усиления. Чем больше время выдержки, тем больше света получает датчик изображения. Для ярких сред необходимо меньшее время выдержки, а в случае недостаточности освещенности — большее. Важно понимать, что увеличение времени выдержки также приводит к размытию при движении, а увеличение раскрытия диафрагмы приводит к уменьшению глубины.

В случае быстрых перемещений или если необходима большая частота кадров рекомендуется выбирать меньшие значения времени выдержки. Большее время выдержки улучшает качество изображения при плохом освещении, но может привести к размытию при движении и снижению частоты кадров, поскольку для экспозиции каждого кадра необходимо больше времени. В некоторых сетевых камерах автоматическая выдержка означает, что частота кадров будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от количества падающего света. При низкой освещенности необходимо продумать дополнительное освещение, либо выбрать между скоростью смены кадров и качеством изображения.

Интерфейс пользователя камеры с возможностью установки, кроме прочего, выдержки при плохом освещении.

Глубина резкости

Глубина резкости может быть важным критерием в охранном видеонаблюдении. Глубина резкости означает расстояние перед фокальной точкой и за ней, в пределах которого объекты резкие. Глубина резкости может быть значимой, например, при наблюдении за парковкой. Может понадобиться определить номерные знаки автомобилей на расстоянии 20, 30 и 50 метров.

На глубину резкости влияют три фактора

 фокусное расстояние, диаметр диафрагмы и расстояние от камеры до объекта. Большое фокусное расстояние, большое раскрытие диафрагмы или малое расстояние между камерой и объектом ограничивают глубину резкости.

Глубина резкости. Представьте строй людей, стоящих друг за другом. Если фокус находится в середине строя и возможно определить лица всех, кто стоит перед фокусом и за ним на расстоянии больше 15 метров, то глубина резкости хорошая.

Раскрытие диафрагмы и глубина резкости. Вышеприведенный рисунок служит примером глубины резкости для различных f-чисел и фокусного расстояния 2 м. Большие f-числа (меньшее раскрытие диафрагмы) позволяют объектам быть в фокусе для больших расстояний. (В зависимости от размера пикселя, очень малый раскрыв диафрагмы может привести к размытию изображения из-за дифракции.)

Типы управления диафрагмой