Объектив, или на профессиональном жаргоне оптика, является непременной составной частью камеры наблюдения. Именно объектив обеспечивает построение изображения сцены наблюдения на светочувствительном сенсоре камеры. Именно от его характеристик зависит качество получаемого изображения (естественно, наряду с характеристиками самого сенсора), угол зрения камеры, обеспечение высокой резкости изображения по всей глубине сцены наблюдения (протяженности зоны наблюдения).
Ее чувствительность, то есть способность камеры обеспечить удовлетворительное изображение при малой освещенности сцены наблюдения, во многом также зависит от оптики.
Светосила как параметр качества объектива
Во всех сферах применениях оптики, и в частности объективов, термин "светосильная" является синонимом определению "высококачественная" и говорит прежде всего о максимальной способности объектива собирать и пропускать свет на оптический приемник, в качестве которого может выступать и глаз человека. Светосилой объектива является максимальное значение его относительного отверстия. Естественно, при отсутствии ручной или автоматической диафрагмы светосилой является непосредственно относительное отверстие этого объектива. Относительное отверстие определяется отношением его апертуры, то есть диаметра светового входного отверстия, к фокусному расстоянию объектива. Яркость изображения, обеспечиваемая объективом, пропорциональна квадрату светосилы. Именно поэтому числовой ряд фиксированных значений диафрагмы представляет собой ряд произведений корня квадратного из двух (1,2; 1,4; 2,0; 2,8; 4,0; 5,6 и т.д.). В этом случае каждое следующее значение диафрагмы уменьшает апертуру в 1,41 раза, а площадь отверстия объектива и, соответственно, количество света – в два раза.
Яркость объектива выражается как число F, которое представляет собой величину, обратную светосиле (F/D). Более того, объективы для видеокамер чаще всего нормируют именно по числу F.
Объективы для видеонаблюдения с типовой светосилой
Объективы для камер наблюдения, как и встроенные объективы в самих камерах, как правило, имеют типовые значения светосилы в диапазоне от 1:1,2 до 1:2,0 (F1,2–F2.0). Причем большие значения относятся к сменным или встроенным объективам с автодиафрагмой, а также с ручным или моторизованным механизмом изменения фокусного расстояния (вариофокальные объективы). На рис. 1 представлены некоторые образцы сменных объективов с автодиафрагмой и механизмом перестройки фокусного расстояния.
На рис. 2 представлены некоторые подобные модели для встраивания в камеры наблюдения.
Соответственно, меньшие значения светосилы более характерны для встроенных монофокальных (с неизменяемым фокусным расстоянием) миниатюрных объективов с фиксированной светосилой (фиксированная диафрагма). Примечательно, что для всего достаточно широкого диапазона фокусных расстояний, от 1,4 до 16, а иногда и 25 мм F-число редко отличается от 2.0. На рис. 3, в свою очередь, показаны упомянутые выше монофокальные объективы.
Светосильные объективы
Достижение светосилы более 1:1,2 для сферической оптики, даже для многолинзовых моделей, практически невозможно. Использование асферических поверхностей в элементах объектива принципиально позволяет достичь значений светосилы в 1,0 и более. Однако расчет и изготовление подобных конструкций всегда были сопряжены с большими трудностями и высокой стоимостью. Совершенствование технологии и материалов позволило в последние годы перейти на массовое производство асферических объективов. Изделия, изготовленные с использованием такой технологии, маркируются аббревиатурой ASP. Чаще всего это вполне бюджетные пластиковые объективы. Любопытно, что широкое применение асферики не привело к массовому же увеличению светосилы объективов.
Возможно, этому помешало почти повсеместное расширение спектрального рабочего диапазона объективов для камер наблюдения в область инфракрасного (ИК) спектра. Это было сделано для увеличения чувствительности камер и для эффективной их работы с ИК-подсветкой. Обычно любое расширение спектра принимаемого излучения требует дополнительных "жертв". Кроме того, переход к практически сплошному мегапиксельному наблюдению потребовал дополнительного роста разрешения проецируемого на сенсор изображения. Особенно это актуально в связи с одновременным ростом разрешения и сокращением форматов матриц.
Реально светосильную оптику можно обнаружить только в группе специальных и весьма дорогостоящих моделей сменных объективов. На рис. 4 представлено несколько подобных образцов.
Широкоугольная оптика в видеонаблюдении
Под широкоугольной оптикой подразумеваются объективы, обеспечивающие относительно широкие углы, а соответственно и поля зрения оптических приборов. Естественно, угол зрения, следовательно и поле зрения определяются, кроме фокусного расстояния объектива, размерами светочувствительного сенсора.
Угловые поля зрения камер наблюдения в сравнении с полями зрения вещательного телевидения, кинематографа или фотографии в массе своей являются широкоугольными. Широко распространенные камеры наблюдения очень часто имеют горизонтальные углы зрения более 45 град., а порою достигают значений 100–120 град. И это в то время, когда наблюдение на протяженных объектах, проездах, проходах, коридорах и т.п. наиболее оптимально узкими полями зрения, когда масштаб наблюдаемого объекта на протяжении зоны наблюдения меняется незначительно. Однако угол зрения в 45 и более град. по горизонтали крайне распространен. К счастью, все более дешевеющие вариофокальные объективы снимают остроту выбора значения фокусного расстояния.
Проблемы при использовании широкоугольных объективов
Использование широкоугольных объективов чревато некоторыми проблемами. При широких углах зрения по краям, а особенно по углам изображения более заметно уменьшение его яркости. Это часто похоже на виньетирование, как при несовпадении форматов объектива и сенсора. Однако причиной этого эффекта при широких углах является естественное уменьшение яркости при отклонении светового пучка от осевого расположения. Данная зависимость описывается теоремой косинусов 4 и является объективной реальностью закона физики. Этот эффект представлен на рис. 5.
Другой проблемой широкоугольных объективов являются заметные геометрические искажения – бочкообразная (отрицательная) дисторсия, сжимающая изображение по диагонали. Она уверенно заметна уже при углах 90 и более град. по диагонали. Принципиально существуют и обратные подушкообразные (положительные) искажения, растягивающие изображение по диагонали. Они особенно характерны для длиннофокусных позиций вариофокальных объективов, но их заметность значительно ниже. Перечисленные искажения представлены на рис. 6.
Сверхширокоугольные объективы в видеонаблюдении
В последние годы все более широко используются сверхширокоугольные объективы типа "рыбий глаз". Предтечей подобных камер наблюдения можно считать дверные видеоглазки, очень популярные в 1990-е и 2000-е гг. у нас в стране.
Движущей силой их создания явился высокий уровень преступности и стремление спрятать оборудование видеонаблюдения от вандалов. Сейчас подобные объективы являются несуррогатными изделиями, выпускаются мировыми оптическими брендами и имеют высокие характеристики.
Подобные объективы используются для наблюдения верхнего плана помещения. Этот метод почти в 4 раза сокращает необходимое количество камер и позволяет иметь хотя бы общее представление об обстановке в контролируемом помещении. Фокусное расстояние подобной оптики близко к 1 мм. На рис. 7 представлены некоторые модели таких сменных и встроенных объективов.
Панаморфная оптика
Несколько лет назад подобный подход к видеонаблюдению с помощью свехпанорамной камеры вертикального визирования получил дальнейшее развитие. Была применена передовая технология синтезирования специальной оптики на основе анаморфоза, или целенаправленного искажения. В этом случае в линзах Panomorph целенаправленно вводятся искажения, увеличивающие объекты в зонах интереса.
Для типовых сенсоров с прямоугольной формой (4:3 или 16:9) анаморфоз растягивает изображение для оптимизации покрытия на весь сенсор равномерно. Panomorph с анаморфозом имеет на 33% больший охват сенсора по сравнению с другими широкоугольными линзами круглой формы. На рис. 8 приведены примеры изображений подобных камер с панаморфной оптикой и объективом "рыбий глаз".
Однозначно видно, что периметр наблюдаемого помещения в панаморфной камере проработан лучше благодаря растяжению.
Однако, к сожалению, анализ качества изображения подобных камер весьма высокого разрешения (5 Мпкс и более) приводит к некоторым сомнениям то ли в реальном качестве используемой оптики, то ли в целесообразности самого метода. Другими словами, в среднем вас ждет разочарование от получаемого изображения. За кажущуюся простоту (одна камера и один объектив) приходится расплачиваться существенно "замыленной" картинкой, помогающей только при обнаружении.
Николай Чура, технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"