Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Рис. 3.34. Области изображения на ПЗС-матрице в натуральную величину
В самых первых ТВ-камерах для получения изображения использовались электронные трубки определенного диаметра, их называли 1-дюймовый видикон или 2/3-дюймовый ньювикон. Эти размеры соответствовали действительному диаметру трубки. Область изображения — прямоугольник с отношением сторон 4:3, и диагональ этого прямоугольника меньше действительного диаметра трубки, так как она определялась размером фоточувствительной области трубки (называемой мишень). Когда электронный пучок сканирует область изображения, он не заходит на края трубки. Поэтому камера с 2/3-дюймовой трубкой имеет область изображения примерно 8.8x6.6 мм, сканируемую электронным лучом. Длина диагонали этой области равна примерно 11 мм. Это не равно 2/3 дюйма, так как 2/3 дюйма равно 17 мм. Так что не следует думать, что указанный размер ПЗС-матрицы точно соответствует ее реальному размеру, как, например, с ТВ-экранами, где размер кинескопа и есть его размер по диагонали.
Рис. 3.35. Сравнение передающей трубки и ЛЗС-матрицы
Когда мы говорим о ПЗС-матрице в 2/3 дюйма, мы в действительности имеем в виду устройство, которое имеет такой размер изображения, которое бы имела 2/3-дюймовая трубка.
В то время, когда в системах видеонаблюдения появились первые ПЗС-телекамеры, наиболее популярны были ТВ-камеры с передающей трубкой размером 2/3 дюйма. Область изображения такой трубки, как выше упоминалось, равна 8.8 х 6.6 мм, а спроектированные в то время ПЗС-матрицы имели такой же размер области изображения и они были названы 2/3-дюймовыми ПЗС-матрицами. Идея заключалась в том, чтобы использовать такие же объективы, как и в ТВ-камерах с трубками.
По мере развития технологий ПЗС-матрицы стали меньше, и новые матрицы в 1/2 дюйма стали давать область изображения только 6.4 х 4.8 мм. Совместимость с 2/3-дюймовыми объективами сохранилась (использовалось то же С-крепление), но, естественно, изменился угол обзора, то есть он стал уже по сравнению с тем углом обзора, который дает такой тип объектива на 2/3-дюймовой телекамере.
Итак, новые объективы были предназначены для 1/2" ПЗС-матриц с меньшей областью изображения, чем у 2/3" ПЗС-матриц. Другими словами, из-за уменьшения области изображения, объективы проектировались с требуемым фокусным расстоянием, но с меньшим кругом проекции изображения, то есть с диаметром круга, достаточным для покрытия 1/2" ПЗС-матрицы, но недостаточным для покрытия ПЗС-матрицы 2/3". Этот новый тип объективов стали называть 1/2" объективами. Они также имеют кольцо С-крепления, но они меньше и вследствие этого дешевле, чем их 2/3" аналоги.
То же сейчас происходит и с 1/3" ПЗС-матрицами, проектируются 1/3" объективы, дающие круг изображения с диаметром, достаточным для покрытия только 1/3" матрицы.
Очевидно, что если 1/3" объектив использовать с 1/2" матрицей, то мы столкнемся с такой проблемой: углы изображения будут отсечены (представьте себе прямоугольник и внутри него круг меньшего диаметра).
То же произойдет, если 1/2" объектив использовать с 2/3" матрицей. Однако, если больший объектив использовать с меньшей ПЗС-матрицей, проблем не будет. Так как объектив большего формата спроецирует круг изображения значительно больший, чем действительный размер ПЗС-матрицы, то никакие углы не отсекутся и не будет никаких иных деформаций.
Все же следует принять во внимание, что уменьшение области, на которую проецируется изображение, может привести к относительному уменьшению разрешения, так как будет использоваться меньшая область (см. обсуждение ФПМ и ЧКХ). Кроме того, избыточный свет вокруг матрицы (если используется объектив большего формата) может отражаться от внутренних поверхностей объектива и ПЗС-блока, и если поверхности недостаточно поглощают свет черным матовым покрытием, то это скажется на качестве изображения.
Углы обзора и как их определить
Объективы с различным фокусным расстоянием дают различные углы обзора.
Довольно часто для оценки мы используем угол обзора по горизонтали, так как, зная его, можно определить и угол обзора по вертикали — ведь видеосигнал формируется из соотношения 4:3 и это же применимо к расчету горизонтального и вертикального углов обзора.
Вот несколько основных правил, которых следует придерживаться при анализе углов обзора:
— Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора.
— Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора.
— Чем меньше ПЗС-матрица, тем меньше угол обзора (с тем же объективом).
— Если известен угол обзора по горизонтали, то легко определить угол обзора по вертикали.
Как уже упоминалось выше, угол около 30° считается стандартным углом зрения, каким бы ни был формат изображения. Напомним: угол в 30° принимается стандартным, потому что он соответствует нашему восприятию перспективы и тому, как видит человеческий глаз.
Ниже приведены форматы изображений и соответствующие стандартные объективы для 30° горизонтального угла обзора:
— 1 дюйм = 25 мм,
— 2/3 дюйма = 16 мм,
— 1/2 дюйма = 12 мм,
— 1/3 дюйма = 8 мм,
— 1/4 дюйма = 6 мм.
В видеонаблюдении самый большой угол зрения, предлагаемый производителями, составляет около 94°, что достигается на 4.8 мм для 2/3" ПЗС-камеры, 3.5 мм для 1/2" и 2.8 мм для 1/3" камер (Если специально не оговаривается, то обычно речь идет об угле обзора по горизонтали. Прим. ред.).
Есть и особые объективы, дающие угол зрения почти 180° — объективы типа «рыбий глаз», но они очень специфичны и дают только круглое (поэтому и называются «рыбий глаз») изображение на экране (внутри области изображения ПЗС-матрицы) (Существуют электронные устройства, осуществляющую оцифровку такого изображения, а затем с помощью корректирующего алгоритма воспроизводящие изображение с приемлемым качеством. Более того, некоторые подобные приборы позволяют осуществлять электронное сканирование в пределах угла обзора, представляя собой некий аналог телекамеры на поворотном устройстве, но совершенно безынерционном. Прим. ред.).
Объективы по фокусному расстоянию имеют только дискретные значения, т. е. нельзя заказать любое значение, например, 5.8 мм или 14 мм. Так что полезно знать наиболее распространенные фокусные расстояния объективов: 2.6 мм, 3.5 мм, 4.8 мм, 6 мм, 8 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 50 мм и 75 мм.
Некоторые производители выпускают объективы 3.7 мм вместо 3.5 мм, или 5.6 мм вместо 6 мм, но значения очень близки и практически нет никакой разницы в угле обзора.
Горизонтальные углы обзора, соответствующие приведенным выше значениям, отличаются друг от друга на 10°-15°. Этого вполне достаточно, чтобы охватить все практические ситуации, но если вам потребуется специальное фокусное расстояние, не перечисленное выше, поинтересуйтесь у поставщика, так как некоторые производители имеют вариообъективы с ручной установкой фокусного расстояния (как с ручной диафрагмой, так и с автоматической), причем фокусное расстояние таких объективов может меняться в пределах 6-12 мм или даже 8-16 мм. Правда, оптические качества таких объективов не столь высоки, как у объективов с постоянным фокусным расстоянием, из-за ограниченной точности и упрощенности движущихся элементов механизма объектива. Но опять же, качество во многих случаях — это вопрос цены.
Что же такое фокусное расстояние объектива на практике? Это, пожалуй, один из самых часто задаваемых вопросов при проектировании систем видеонаблюдения. Для определения углов обзора используются различные методы, и какой из них вы выберете — дело ваше, был бы доволен заказчик.
Ниже следует список практических методов.
Калькулятор-видоискатель. Это обычно калькулятор круглой формы, поставляемый производителем объектива (спросите у своего поставщика); чтобы подобрать объектив, необходимо знать три вещи: размер ПЗС-матрицы, расстояние между телекамерой и объектом и ширину объекта. Этих трех величин достаточно, чтобы калькулятор выдал фокусное расстояние в миллиметрах. Бывают калькуляторы такого же принципа в виде линейки.
Оптический видоискатель. Это устройство похоже на вариообъектив, но предназначен он не для телекамеры, а для проектировщика видеосистемы. Когда вы находитесь на месте наблюдения, вы можете вручную настраивать угол обзора в соответствии с требованиями заказчика. На шкале видоискателя указывается фокусное расстояние объектива, которое даст такой же угол обзора на конкретном типе телекамеры (2/3", 1/2" или 1/3"). Чтобы видеть так же, как «увидит» телекамера, место наблюдения должно быть выбрано как можно ближе к тому месту, где будет установлена телекамера. У этого прибора есть один недостаток: нельзя получить большой угол обзора, так как большинство оптических видоискателей обеспечивают фокусное расстояние только до 6 мм.
