Pobierz
najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Zagadnienia związane z regulacją przysłony

Printer Friendly and PDF

leadPrzysłona jako element przyrządów optycznych jest znana od ponad czterystu lat, od czasów Galileusza. Już pierwsi konstruktorzy lunet zauważyli, że użycie przysłony powoduje zmniejszenie jasności obrazu, jednak pozwala na poprawę jego ostrości i w efekcie może przynosić korzyści. Wprowadzanie stałych diafragm w prymitywnych obiektywach fotograficznych produkowanych na przełomie dziewiętnastego i dwudziestego wieku miało na celu zmniejszenie aberracji sferycznej i likwidację wewnętrznych odbić w układach optycznych. W efekcie następowała poprawa ostrości i kontrastu obrazu kosztem jego jasności. Tyle tytułem wstępu. Zastanówmy się nad wpływem przysłony na jakość obrazu uzyskiwanego we współczesnych kamerach telewizyjnych.

Jak widać, przysłona jest elementem, który nie tylko reguluje ilość światła przepuszczanego przez obiektyw, lecz także ma wpływ na jakość uzyskiwanego obrazu. W przypadku współczesnych obiektywów, w których wykorzystywane są elementy asferyczne i niskodyspersyjne, sprawa nie jest tak prosta jak w przypadku archaicznych przyrządów optycznych z minionych epok, obarczonych silną aberracją sferyczną, w których zmniejszenie średnicy źrenicy wejściowej obiektywu zawsze powodowało poprawę jakości obrazu. Na rysunku 1 przedstawiony jest szkic układu optycznego obiektywu typu Dagor, używanego w aparatach wielkoformatowych, w którym na stałe wprowadzona jest przysłona zmniejszająca aberracje i w pewnym stopniu likwidująca wewnętrzne odbicia światła.

Obecnie stosowanie tak prostych środków nie wystarcza. Każdy ze współczesnych obiektywów ma określony optymalny zakres zmian przysłony, w którym jakość uzyskiwanego obrazu jest najlepsza, jednakże w większości przypadków użytkownik nie ma wpływu na ustawienie przysłony, gdyż robi to za niego układ automatycznej regulacji ekspozycji.

Chodzi przede wszystkim o regulację ekspozycji

Dla uściślenia pojęć zdefiniujmy parametr zwany ekspozycją, umownie rozumiany jako ilość światła padającego na przetwornik. Prawidłową wartość ekspozycji można ustalić po uwzględnieniu wszystkich czynników wpływających na pracę przetwornika obrazowego, z których najważniejszymi są:

rys1

Rys. 1. Szkic układu optycznego obiektywu typu Dagor

 

  • poziom oświetlenia obserwowanej sceny,
  • czułość kamery (w tym charakterystyka spektralna),
  • aktualna, chwilowa wartość siły światła obiektywu, zależna od ustawienia przysłony,
  • aktualna, chwilowa wartość czasu otwarcia migawki elektronicznej, nazywana także czasem ekspozycji.

Umowną jednostką ekspozycji jest EV, przy czym przyjmuje się, że dla danej kamery EV=0 oznacza prawidłową ekspozycję, pozwalającą na wytworzenie czytelnego obrazu o dobrej jakości.

Ekspozycja może być zbyt mała (wtedy przyjmuje wartości ujemne, a obraz jest niedoświetlony, czyli zbyt ciemny) lub zbyt duża (wtedy przyjmuje wartości dodatnie, a obraz jest prześwietlony, czyli zbyt jasny).

Przyjmuje się, że w warunkach stałego oświetlenia zmiana ekspozycji o jedną jednostkę EV jest równoznaczna z dwukrotną zmianą czasu naświetlania lub z przestawieniem przysłony o jedną umowną pozycję. Wyjaśniają to dane liczbowe umieszczone w tabelach 1, 2 i 3.

tab1

Tab. 1. Zmiany ekspozycji na skutek zmian przysłony

 

tab2

Tab. 2. Zmiany ekspozycji na skutek zmian czasu naświetlania

 

Jak łatwo zauważyć, wartości umieszczone w tabelach tylko w przybliżeniu tworzą ciągi geometryczne, jednakże w praktyce takie niewielkie odchyłki nie mają większego znaczenia, a ze względu na wygodę przyjęło się używanie przysłon i czasów otwarcia migawki o określonych wartościach.

Do poprawnej pracy kamery niezbędne jest utrzymanie ekspozycji w optymalnym zakresie, który jest relatywnie wąski. Cel ten realizują układy automatycznej regulacji przysłony i automatycznej regulacji czasu otwarcia migawki elektronicznej. Należy podkreślić, że taką samą ekspozycję można uzyskać przez zastosowanie nieskończonej liczby kombinacji różnych ustawień przysłony i migawki.

Przykładowo, przy założeniu, że poziom oświetlenia obserwowanej sceny jest stały, a kamera ma określoną czułość, tę samą wartość ekspozycji możemy uzyskać, stosując następujące ustawienia przysłony i migawki elektronicznej:

tab3

Tab. 3. Stała ekspozycja pomimo zmian ustawienia przysłony i czasu naświetlania

 

Jak już wspomniałem, liczba możliwych kombinacji jest nieskończenie wielka. Dane zamieszczone w tabeli są jedynie poglądowe. Z punktu widzenia średniego poziomu jasności obrazu te ustawienia są równoważne. Czym będą różnić się naświetlone w ten sposób zdjęcia?

fot1

Fot. 1. Przysłona optymalna

 

fot2

Fot. 2. Przysłona niekorzystna

 

Podstawową, łatwo zauważalną różnicą będzie różnica w głębi ostrości. Obrazy powstałe przy całkowicie otwartym obiektywie będą odznaczać się małą głębią ostrości. Można będzie z łatwością zaobserwować, na który z planów nastawiona jest ostrość obiektywu. Obrazy powstałe przy mocno przysłoniętym obiektywie będą odznaczać się dużą głębią ostrości. Wszystkie plany będą robiły wrażenie jednakowo ostrych. Nie koncentrujmy się jednak zbytnio na zagadnieniu głębi ostrości, gdyż nie stanowi ono głównego tematu tego artykułu. Zastanówmy się nad rozdzielczością obrazu.

Należy pamiętać, że wszystkie te opisy mają charakter poglądowy i ich jedynym celem jest wyjaśnienie pewnych tendencji. W praktyce obiektywy o różnych konstrukcjach zachowają się nieco odmiennie, jednakże opisywane zjawiska fizyczne będą podobne.

Nie ma przy tym różnicy, czy mamy do czynienia z obiektywami fotograficznymi czy z obiektywami przeznaczonymi do współpracy z kamerami przemysłowymi, może za wyjątkiem problemów z dostępnością do szczegółowych danych technicznych. W przemyśle fotograficznym dokładna wartość rozdzielczości obiektywów jest jednym z istotniejszych elementów marketingowych i jest podawana w kartach katalogowych, zaś w przypadku telewizji dozorowej tego typu dane są trudno dostępne i przeważnie w ogóle nie są publikowane przez producentów.

Dokładna analiza rozdzielczości obrazów optycznych wytwarzanych przez obiektywy wykazuje, że zarówno w przypadku pełnego otwarcia przysłony, jak i w przypadku silnego przysłonięcia rozdzielczość obrazu jest gorsza niż wtedy, gdy zastosuje się pośrednie ustawienia przysłony. Czy jednak różnice są aż tak duże? Dane zaczerpnięte z kart katalogowych opisujących obiektyw fotograficzny firmy Olympus, którym zostały wykonane zaprezentowane zdjęcia testowe, są następujące:

tab4

 

Liczby zamieszczone w tabeli reprezentują umowny parametr oznaczany w literaturze mianem lph, określający rozdzielczość obiektywu wyrażoną liczbą poziomych linii, które można rozróżnić wzdłuż całej wysokości obrazu. Jak widać, w rogach obrazu rozdzielczość jest gorsza niż na jego środku i wykazuje niewielkie zmiany, zaś w centralnej części obrazu rozdzielczość jest lepsza, a różnice są wyraźniejsze, lecz nadal nie przekraczają one kilkunastu procent. Za optymalną należy uznać przysłonę F:8, przy której rozdzielczość utrzymuje się na najwyższym poziomie.

O wpływie tych parametrów na jakość obrazu można się przekonać, analizując załączone fotografie. Jedna z nich została wykonana z optymalną przysłoną F:8, druga – z niekorzystną przysłoną F:22.

Czy różnice między tymi obrazami są zauważalne? Czy gdyby nie podpisy pod zdjęciami w ogóle można byłoby zorientować się, który z nich jest który? Oczywiście w tym przypadku ocena jest bardzo subiektywna i nie może stanowić rzetelnego kryterium porównawczego, jednak daje pojęcie o skali zjawiska. Ocena przydatności obrazu dokonywana przez operatora obsługującego system monitoringu wizyjnego będzie równie subiektywna. Jedynym nasuwającym się wnioskiem jest to, że nie ma istotnych różnic w jakości tych obrazów.

Potraktujmy powyższe rozważania jako wstęp do właściwej części artykułu i przejdźmy do omówienia pewnych aspektów konstrukcji kamer przemysłowych i do sposobów regulacji ekspozycji obrazów. W przypadku starszych modeli kamer, pochodzących z lat osiemdziesiątych zeszłego stulecia, dominowała metoda regulacji przysłony o nazwie Video-Iris. Obecnie metoda ta jest rzadko stosowana. Polega ona na tym, że do obiektywu doprowadzany jest odpowiednio spreparowany sygnał wizyjny (jest to klasyczny, zespolony sygnał wizyjny, z którego usunięto impulsy synchronizujące), zaś układy elektroniczne mierzą jego amplitudę i na tej podstawie dokonują modyfikacji ustawienia przysłony. Tak zbudowany układ automatycznej regulacji przysłony działa w pętli sprzężenia zwrotnego, przez co przysłona przyjmuje zawsze optymalne ustawienie i nadąża za zmianami jaskrawości obserwowanej sceny. Chwilowa wartość liczby przysłony nie jest znana, zresztą nikomu taka wiedza nie jest potrzebna, jedynym optymalizowanym parametrem jest wartość ekspozycji. Istotne jest to, że amplituda sygnału wizyjnego na wyjściu kamery zachowuje stałą wartość w szerokim zakresie zmian poziomu oświetlenia sceny obserwowanej przez kamerę, i to jest celem nadrzędnym wynikającym z regulacji przysłony.

Typowe kamery z przetwornikami CCD produkowane w latach osiemdziesiątych zeszłego stulecia nie dysponowały elektroniczną migawką i czas ekspozycji poszczególnych obrazów telewizyjnych był stały, przeważnie równy 1/50 sekundy. Ponadto z nie do końca zrozumiałych przyczyn kamery z tamtych lat miały bardzo wysoką czułość, przez co zakres regulacji przysłony musiał być bardzo szeroki, tak by kamery mogły pracować zarówno w warunkach nocnych, jak i w pełnym świetle słonecznym. Cała odpowiedzialność za zapewnienie prawidłowej ekspozycji obrazu spadała na obiektywy. Typowe wartości liczby przysłony mieściły się w granicach od F:1,2 do F:630. Konieczność silnego przysłaniania obiektywów stwarzała problemy konstrukcyjne, gdyż fizyczne rozmiary źrenicy wejściowej były bardzo małe. Konieczność precyzyjnej regulacji średnicy tak małych otworów zmuszała do stosowania równie precyzyjnych mechanizmów, a to wiązało się z wysokimi kosztami produkcji. Jakość obrazów uzyskiwanych w przypadku użycia obiektywów o takiej konstrukcji była niska, gdyż obiektywy te nie pracowały przy optymalnych wartościach liczby przysłony, zaś przysłowiowym gwoździem do trumny w sytuacji, w której średnica otworu w przysłonie była najmniejsza, były pierścienie dyfrakcyjne powstające w warunkach silnego oświetlenia.

Przełomem w konstrukcji kamer przemysłowych było wprowadzenie elektronicznej migawki, która stała się drugim (poza przysłoną) czynnikiem mającym wpływ na wartość ekspozycji. Powstały więc dwie pętle regulacyjne, których działanie nakładało się na siebie. W pewnych warunkach powodowało to niestabilność pracy kamer objawiającą się cyklicznym migotaniem obrazu. Zjawisko to zostało wyeliminowane przez wprowadzenie regulacji przysłony prądem stałym, określanej mianem DC-Iris. W tym przypadku decyzja co do optymalnego ustawienia przysłony zapada w kamerze, a nie w obiektywie, jak w przypadku metody Video-Iris. Ten sposób regulacji nie wykorzystuje zwykłej, prostej pętli sprzężenia zwrotnego, lecz stanowi rodzaj złożonego algorytmu regulującego jednocześnie dwa parametry.

Należy zwrócić uwagę na istotną cechę układu automatycznej regulacji ekspozycji metodą DC-Iris. W przypadku metody DC-Iris układy elektroniczne umieszczone w obiektywie pełnią rolę jedynie wykonawczą, a nie decyzyjną, dlatego zachodzi jednoznaczna zależność między chwilową wartością liczby przysłony a napięciem sterującym wytwarzanym w kamerze i doprowadzanym do obiektywu. Tak więc w systemie istnieje informacja na temat aktualnego ustawienia przysłony obiektywu. W tym sensie metoda DC-Iris niczym nie różni się od najnowszej, cyfrowej metody regulacji przysłony – P-Iris. Obie te metody różnią się jedynie sposobem, w jaki informacje z kamery są przekazywane do obiektywu, zaś pod względem funkcjonalnym są równoważne. Zaletą metody P-Iris jest jednoznaczność ustawienia przysłony, typowa dla wszystkich systemów sterowania cyfrowego. Wadą jest konieczność przystosowania kamer do praktycznej realizacji metody P-Iris, czyli obsługi obiektywów wykorzystujących taką metodę regulacji. Jak dotychczas żaden z wiodących producentów kamer nie podjął starań z tym związanych, tymczasem metoda P-Iris jest znana od 2009 roku i nic nie wskazuje na wzrost jej popularności. Za to wszystkie dostępne na współczesnym rynku kamery przemysłowe, zarówno analogowe jak i sieciowe, są przystosowane do regulacji przysłony obiektywów metodą DC-Iris.

Wśród argumentów mających świadczyć o dużej przydatności metody P-Iris wymieniana jest możliwość poprawy jakości obrazu przez wykorzystanie optymalnego zakresu przysłon obiektywu, jednakże metoda DC-Iris również umożliwia zrealizowanie takiej funkcji. Nie zależy to od sposobu transmisji danych sterujących z kamery do obiektywu, lecz od modyfikacji algorytmów dokonujących automatycznej regulacji ekspozycji obrazu. To, że uzyskiwany efekt jest niemal niezauważalny, sprawia jednak, że żaden z liczących się producentów kamer nawet nie wspomina o takiej możliwości. Tymczasem z materiałów marketingowych dotyczących metody P-Iris wynika, że jest to przełom na skalę światową, rewolucja w całej branży, dominujący trend i coś tam jeszcze.

Należy zwrócić uwagę na zmiany w konstrukcji kamer przemysłowych przeczące takiej argumentacji. Stosowanie elektronicznej migawki stało się zjawiskiem powszechnym, zaś dynamika tej regulacji na tyle wzrosła, że w prostszych modelach kamer w ogóle nie stosuje się regulacji przysłony. Pozwala to na bardzo znaczne zmniejszenie kosztów produkcji obiektywów. Zauważmy, że w większości współczesnych kamer możliwe jest skrócenie czasu ekspozycji do 1/100000 sekundy, czyli dynamika tej regulacji jest bardzo duża.

Tam, gdzie regulacja przysłony jest jednak konieczna, stosowane są obiektywy, których zakres regulacji jest znacznie zawężony w stosunku do rozwiązań sprzed kilkunastu lat. Chodzi o maksymalną wartość liczby przysłony, która we współczesnych konstrukcjach rzadko przekracza F:100. Tak więc niektóre aberracje wynikające z bardzo silnego przysłonięcia obiektywu w ogóle nie występują, zaś pogorszenie jakości obrazu wynikające z wpływu przysłony też jest nieznaczne.

Innym argumentem wymienianym przez entuzjastów metody P-Iris jest możliwość świadomej regulacji głębi ostrości obrazu przez operatora systemu, dzięki której można uzyskać obraz o wyższej rozróżnialności szczegółów. Taka argumentacja budzi bardzo poważne wątpliwości. Po pierwsze, większość współczesnych kamer jest zbudowana w oparciu o przetworniki CMOS o rozmiarach 1/3", 1/4" lub nawet mniejsze, w związku z czym standardowe obiektywy stanowiące wyposażenie takich kamer mają relatywnie krótkie ogniskowe, dzięki czemu zakres głębi ostrości jest bardzo duży i nie wymaga modyfikacji. W kamerach szybkoobrotowych, wykorzystujących obiektywy zmiennoogniskowe o relatywnie długiej ogniskowej powszechnie stosuje się automatyczną regulację ostrości zwaną autofocusem. Wąski zakres głębi ostrości może występować tylko przy najdłuższych ogniskowych, jednak wtedy operator systemu koncentruje swoją uwagę na powiększonym fragmencie sceny, która nie ma dużej rozpiętości – przeważnie widać jedną osobę lub jakiś przedmiot. We wszystkich tych przypadkach z pomocą przychodzi funkcja autofocus i nie występują żadne problemy z rozróżnialnością szczegółów.

Po drugie, czy istnieją takie platformy programowe obsługujące systemy monitoringu wizyjnego, które dysponują funkcją regulacji głębi ostrości? W zasadzie do czego ma służyć taka regulacja? Do zwiększania czy do zmniejszania zakresu głębi ostrości? Jaki jest cel takiego działania?

No i po trzecie, czy operator systemu dysponuje wiedzą i umiejętnościami pozwalającymi czerpać korzyści ze świadomego doboru zakresu głębi ostrości? Z pewnością nie. To jest umiejętność wykorzystywana w fotografii portretowej w celu stworzenia pewnego klimatu zdjęcia, a także w kinematografii, jako element narracji w sztuce filmowej (tak zwane prowadzenie ostrości mające koncentrować uwagę widza na określonych szczegółach), jednak jest to przysłowiowa wyższa szkoła jazdy dostępna wyłącznie dla osób biegłych sztuce, my tymczasem nie jesteśmy ani w studiu fotograficznym, ani na planie filmowym, tylko w pomieszczeniu ochrony i odpowiadamy za bezpieczeństwo obiektu. System monitoringu wizyjnego ma służyć za narzędzie pozwalające ocenić poziom zagrożenia w niebezpiecznych sytuacjach. W takich warunkach nikt nie będzie zastanawiał się nad głębią ostrości obrazów z kamer.

Zakładając, że taka świadoma regulacja głębi ostrości ma jednak jakiś sens, zastanówmy się nad możliwością praktycznej realizacji takiej funkcji. Jak już wyjaśniłem w pierwszej części artykułu, ekspozycja obrazu w danych warunkach obserwacyjnych musi być stała, tak więc aby zwiększyć lub zmniejszyć głębię ostrości, należy zmienić jednocześnie dwa parametry – średnicę przysłony i czas otwarcia migawki elektronicznej. Nie zawsze taka możliwość istnieje. Na przykład, w warunkach bardzo słabego oświetlenia, gdy przysłona obiektywu jest już całkowicie otwarta, a czas otwarcia migawki elektronicznej już dawno został wydłużony do 1/15 sekundy, zwiększenie zakresu głębi ostrości zmusi do dalszego przedłużenia czasu ekspozycji, co negatywnie odbije się na rozpoznawalności obiektów ruchomych. W przypadku pracy kamer w dobrych warunkach oświetleniowych zakres głębi ostrości jest szeroki z natury rzeczy, więc taka regulacja nie ma żadnego sensu.

Kończąc, należy podkreślić, że kamery i obiektywy umożliwiające praktyczną implementację metody P-Iris są dostępne jedynie u dwóch producentów sprzętu i nic nie wskazuje na to, że ta sytuacja ulegnie zmianie, tymczasem w przetargach pojawia się wymóg stosowania tej a nie innej metody regulacji przysłony, co eliminuje 95% konkurencji. Czy do tego ma służyć ta modyfikacja?

Andrzej Walczyk

Zabezpieczenia 4/2011

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony