Wybór prawidłowego typu obiektywu jest tak samo ważny, jak wybór kamery. Zła jakość obiektywu może znacznie obniżyć ogólną jakość funkcjonowania systemu.

---

artykuł sponsorowany

---

Dokonując wyboru odpowiedniego obiektywu, należy rozumieć znaczenie podstawowych terminów:

Ogniskowa - odległość, w jakiej od centrum optycznego obiektywu powstaje obraz obiektu położonego w nieskończoności. Jest ona mierzona w milimetrach. Dla danego rozmiaru przetwornika i danej ogniskowej można wyliczyć kąt widzenia kamery. Zależność między ogniskową a kątem widzenia kamery jest odwrotnie proporcjonalna.

Przysłona - mechanizm regulacji otworu względnego (apertury), zmieniający ilość światła przechodzącego przez obiektyw i padającego na przetwornik obrazu kamery telewizji dozorowej. Obiektywy o stałej przysłonie są oznaczane jako „no IRIS" (bez przysłony).

 

 Rys. 1. Wygląd układu optycznego obiekt-obiektyw-przetwornik obrazowy i związane z nim parametry

 

Apertura (jasność ) obiektywu (F) - wskaźnik teoretycznej zdolności przepuszczania światła obiektywu. Jest określany skalą F. Szereg F to: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64 itd. Ze wzrostem liczby F maleje ilość światła przepuszczanego przez obiektyw. W tabeli podano ilości światła przepuszczanego przy różnych wartościach przysłony. Jeśli przysłona obiektywu pozwala na całkowite zamknięcie, to liczba F jest równa nieskończoności (może być to oznaczane terminem closed - zamknięta). Najczęściej podawane są dwie wartości liczby F. Pierwsza z nich określa maksymalne otwarcie przysłony, a druga minimalne.

 

 

Tab. 1. Teoretyczna zależność ilości przepuszczanego światła od liczby F

 

Liczba transmisyjna obiektywu (T) - wskaźnik rzeczywistej zdolności przepuszczania światła przez obiektyw. Skala ta pozwala na bezwzględną ocenę jakości obiektywu, gdyż uwzględnia wpływ np. gatunku szkła na przepuszczanie różnych częstotliwości światła.

Inne ważne parametry to: głębia ostrości, maksymalna rozdzielczość, ostrość i kontrastowość otrzymywanych obrazów, korekcja kolorów związana z aberracją chromatyczną.

Typy mocowań obiektywów - spotykane są dwa: CS oraz C. Odległość powierzchni przetwornika i płaszczyzny mocowania obiektywu wynosi 12,5 mm dla obiektywów CS i 17,526 mm dla obiektywów C. Gwint o mniejszej średnicy występuje w kamerach płytkowych.

Wielkości obiektywu, a wielkość przetwornika

Wielkość obrazu, jaki może być wytworzony przez obiektyw, podaje się w calach, podobnie jak wielkość przetwornika. Producenci podają największy format przetwornika, z jakim dany obiektyw może współpracować. Do wielkości przetwornika musi być dopasowany obiektyw, przy czym zawsze można stosować większy obiektyw do kamery z mniejszym przetwornikiem, co w niektórych sytuacjach może być korzystne, jako że pozwala na zmniejszenie zniekształceń obrazu (zniekształcenia obiektywu zwiększają się wraz z oddaleniem się od osi). Przy tym samym obiektywie mniejszy przetwornik spowoduje wyświetlenie mniejszego fragmentu obserwowanego obiektu.

Zasadnicza kwestia - odpowiedni dobór ogniskowej

Dla danego rozmiaru przetwornika i danej ogniskowej można wyliczyć kąt widzenia kamery. Zależność między ogniskową a kątem widzenia kamery jest odwrotnie proporcjonalna. Należy zauważyć, iż kąt widzenia w płaszczyźnie poziomej wynoszący 30 stopni jest podobny do kąta widzenia człowieka. Okazuje się, że taki kąt jest osiągany wtedy, gdy ogniskowa jest równa wymiarowi przetwornika.

Znając format przetwornika, odległość od obserwowanego przedmiotu oraz jego rozmiary, możemy wyliczyć, jaka będzie potrzebna ogniskowa, a także jaki będzie kąt widzenia kamery z obiektywem o takiej ogniskowej. Ze względu na prostokątny kształt przetwornika obliczenia należy wykonać zarówno w płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej.

Doboru obiektywu można dokonać, używając wzorów, kalkulatorów, wykresów oraz specjalnej lunetki zwanej view finder. W razie możliwości należy także przeprowadzić próby terenowe, podczas których można dobrać spośród wielu obiektywów te, które najlepiej spełnią swe zadanie.

Dobór ogniskowej na podstawie wykresów sprowadza się do odczytania wartości ogniskowej w zależności od szerokości i odległości od obiektu oraz od formatu przetwornika. Ich wadą jest mała dokładność, spowodowana brakiem wykresów dla każdego możliwego przypadku.

W przypadku użycia lunetki ustawia się ją w miejscu, gdzie ma być zainstalowana kamera, po czym dokonuje się regulacji pierścieniami lunetki do momentu osiągnięcia pożądanego zakresu obserwacji. Wtedy należy dokonać odczytu wartości szukanej ogniskowej.

Z kolei kalkulatory mają postać dwóch współosiowych kół z naniesionymi liczbami. Ustawiając odległość i wielkość obiektu oraz wybierając format przetwornika, można z nich odczytać wartość wymaganej ogniskowej.

Ogniskową można wyliczyć samodzielnie, korzystając ze wzorów bazujących na podstawowych i dobrze znanych zależnościach trygonometrycznych. W obliczeniach wykorzystujemy następujące wzory do wyznaczania kątów:

- kąt widzenia w płaszczyźnie pionowej Φ_h = 2arc tg(h/2f) = 2arc tg(k/2l)

- kąt widzenia w płaszczyźnie pionowej Φ_v = 2arc tg(v/2f) = 2arc tg(m/2l)

(na przykład dla przetwornika 1/4" o wymiarach 2,7 x 3,6 mm, czyli o przekątnej 4 mm, i obiektywu o ogniskowej 3,6 mm kąt widzenia pionowy i poziomy wynoszą odpowiednio:

- kąt widzenia pionowy Φ_h = 2*arc tg(2,7/7,2) = 2*arc tg(0,375) = 41 stopni

- kąt widzenia poziomy Φ_v = 2*arc tan(3,6/7,2) = 2*arc tg(0,5) = 52 stopnie)

oraz wzory do obliczania pola widzenia:

- wysokość pola widzenia k = h*l/f

- szerokość pola widzenia m = v*l/f

(na przykład dla przetwornika 1/4" i obiektywu 3,6 mm wysokość i szerokość pola widzenia kamery w odległości 10 m wynoszą:

- wysokość pola widzenia k = 2,7*10 000/3,6 = 7500 mm = 7,5 m

- szerokość pola widzenia m = 3,6*10 000/3,6 = 10000 mm = 10 m).

Wszelkie obliczenia muszą być dokonywane z użyciem jednolitych jednostek, czyli wszędzie konsekwentnie stosujemy albo metry albo milimetry i stopnie albo radiany.

 

 

Tab. 2. Wysokość obiektu widzianego na monitorze przez kamerę z przetwornikiem 1/3"

 

Fizycznie przekątna przetwornika różni się od przekątnej podawanej w katalogach, jest od niej mniejsza, a co za tym idzie, także inne wymiary są mniejsze:

- 1" - przetwornik o wymiarach 9,6 x 12,8 mm (przekątna 16 mm),

- 2/3" - przetwornik o wymiarach 6,6 x 8,8 mm (przekątna 11 mm),

- 1/2" - przetwornik o wymiarach 4,8 x 6,4 mm (przekątna 8 mm),

- 1/3" - przetwornik o wymiarach 3,6 x 4,8 mm (przekątna 6 mm),

- 1/4" - przetwornik o wymiarach 2,7 x 3,6 mm (przekątna 4 mm).

W tabelach 2 i 3 zawarto przykładowe wyniki obliczeń dla przetworników 1/3", uzyskane na bazie powyższych zależności. Należy znać odległość od obserwowanego obiektu, jego wymiary, czyli wysokość i szerokość, oraz wielkość przetwornika.

Analizując wzory i tabele, zauważamy, iż zmniejszając format przetwornika, zmniejszamy kąt widzenia. Wizualnie objawia się to zwiększaniem liczby rozróżnianych szczegółów obrazu.

Wybór typu przysłony

Należy pamiętać, iż czułość kamer jest podawana przy danej przysłonie, np. 0,05 lx przy przysłonie F = 1.2, a zatem, jeśli stosujemy obiektyw z przysłoną F = 1.8, to czułość kamery będzie mniejsza, gdyż mniej światła dociera do jej przetwornika. W typowych warunkach wystarczają obiektywy o jasności F = 1.2-64, jednakże jeśli stosujemy kamery o dużej czułości, np. 0,01 lx, w przypadku oświetlenia silnym światłem słonecznym zamknięcie przysłony będzie niewystarczające i może dojść do prześwietlenia obrazu. W takim przypadku należy zastosować obiektyw o dużej liczbie określającej minimalną przysłonę. Innym rozwiązaniem jest stosowanie filtrów szarych, lecz ograniczają one czułość przy słabym oświetleniu. Przy naprawdę dużym nasłonecznieniu można się spotkać z sytuacją, w której nawet zastosowanie obiektywu z automatyczną przysłoną nie da zadowalających efektów - na ekranie monitora obraz nie będzie mieć jednakowej jasności. W zależności od ustawień obiektywu może zdarzyć się, że np. w środkowej części będzie prześwietlony, a z kolei w bocznych częściach niedoświetlony. Z takimi problemami można walczyć, stosując obiektywy, które dodatkowo wyposażone są w specjalny filtr - tzw. plamkowy, naniesiony na środkową część powierzchni soczewki.

 

 

 Tab. 3. Szerokość obiektu widzianego na monitorze przez kamerę z przetwornikiem 1/3"

 

Przysłona regulowana ręcznie

Jest ona stosowana w warunkach stałego oświetlenia, przeważnie wewnątrz budynków. Regulacja polega na jednorazowym ustawieniu pierścienia lub dźwigni przysłony. Oprócz przysłony ręcznej występują dwa rodzaje przysłon automatycznych.

Automatyczna przysłona (AI - Auto Iris)

Tego typu przysłona utrzymuje stałą ilość światła padającego na przetwornik, bez względu na warunki oświetlenia. Migawka elektroniczna ustawia się na 1/50 s, natomiast obiektyw z AI jest przymykany i otwierany stosownie do natężenia oświetlenia. Kamera i obiektyw z AI są w stanie pracować poprawnie w warunkach bardzo dużych zmian oświetlenia. Z reguły kamery do obserwacji zewnętrznej w dzień i w nocy wręcz wymagają takiego obiektywu. Kamera z AI jest wyposażona w specjalne wyjście sterujące obiektywem z AI. W zależności od sygnału na tym wyjściu obiektyw zamyka lub otwiera przysłonę, utrzymując ilość padającego na niego światła na stałym poziomie.

Ustawienie parametrów pracy automatycznej przysłony

Głównym celem dobierania parametrów ekspozycji jest osiągnięcie optymalnej jasności zarówno dla oświetlenia w dzień, jak i w nocy. Fabryczny obiektyw wyposażony w Auto Iris jest wyregulowany fabrycznie i zazwyczaj regulacja przez użytkownika jest zbędna. Zdarza się jednak, że taką regulację trzeba przeprowadzić. Polega ona na ustawieniu regulatorów Level i AGC w położeniu środkowym, a następnie ustawieniu za pomocą tego pierwszego pożądanego poziomu jasności obrazu. Kolejnym krokiem jest ustawienie regulatora ALC, w zależności od sposobu reakcji na oświetlenie, a potem założenie filtru szarego i wyregulowanie ostrości.

Sytuacje szczególne

Problem braku ostrości w kamerach

Ostrość obrazu to możliwość rozróżnienia szczegółów limitowana rozdzielczością przetwornika lub monitora. Regulacja ostrości jest w rzeczywistości zmianą położenia centrum optycznego obiektywu w odniesieniu do przetwornika. Brak ostrości to jeden z najczęściej spotykanych problemów podczas instalacji i regulacji kamer i obiektywów. Dotyczy on zarówno obiektywów o stałej, jak i o zmiennej ogniskowej. Zdarza się, że dokonując regulacji ostrości w obiektywie, nie można uzyskać ostrego obrazu. Najczęściej występuje to w skrajnych położeniach regulacji ostrości obiektywu. W takim przypadku należy poluzować kluczem imbusowym (jest na wyposażeniu prawie każdej kamery) śrubę mocującą pierścień, w który wkręcamy obiektyw, a następnie ustawić możliwie najlepszą ostrość obrazu. Regulacja powinna być przeprowadzona przy najkrótszej ogniskowej i ostrości ustawionej na nieskończoność. Regulacji ostrości należy dokonywać przy maksymalnym otwarciu przysłony, stosując np. filtr szary. Należy zauważyć, iż tej regulacji dokonuje się jedynie w razie konieczności. Praktycznie rzadko się zdarza, by pierścień kamery wymagał regulacji.

Eliminacja odblasków w zakresie światła widzialnego

Nawet właściwy dobór ogniskowej i przysłony nie zawsze pozwala osiągnąć dobry obraz. Zazwyczaj głównym problemem są różnego rodzaju odblaski od ścian, podłóg, szyb, mebli, a także od szyb, przez które prowadzimy obserwację. W zasadzie jedynym sposobem wyeliminowania odblasków jest stosowanie filtrów polaryzacyjnych montowanych przed obiektywem. Filtr polaryzacyjny przepuszcza fale świetlne tylko jednej polaryzacji. Obracając filtr wokół jego osi, zmieniamy także polaryzację fali, która przez niego przechodzi. Można wtedy znaleźć takie położenie, w którym dominująca polaryzacja światła odbitego zostanie maksymalnie wytłumiona, a tym samym odblask zostanie zminimalizowany.

Kompromis pomiędzy liczbą kamer a dokładnością obserwacji

Poszerzenie pola widzenia kamer oznacza, iż do obserwacji tego samego terenu potrzeba będzie mniej kamer. Trzeba jednakże pamiętać, że poszerzając pole widzenia kamery, czyli zmniejszając ogniskową, równocześnie zmniejszamy rozróżnialność szczegółów. Dlatego obiektywy o krótkiej ogniskowej należy stosować rozważnie, gdyż może się zdarzyć, iż w razie potrzeby nie będzie można na zapisanym obrazie dostrzec ważnych szczegółów.

Powyżej podano podstawowe informacje, umożliwiające wybór odpowiedniego obiektywu do danej aplikacji. Niniejszym rozpoczęliśmy cykl artykułów mających służyć jako pomoc i źródło wiedzy o obiektywach stosowanych w systemach telewizji dozorowej. Zachęcamy do kierowania pytań i propozycji kolejnych edycji poradnika na adres email: Ten adres email jest ukrywany przed spamerami, włącz obsługę JavaScript w przeglądarce, by go zobaczyć

 

CBC (Poland)

Zabezpieczenia 2/2008