Оптика. Объектив видеокамеры.

За последние несколько лет сменилось несколько поколений видеокамер – ушли в прошлое видиконы, нормой стали цифровая обработка сигнала и многочисленные другие электронные ухищрения. Однако одно осталось неизменным – объектив. Набор стёклышек, создающих на светочувствительном приборе изображение не менялся чуть ли не со времён Галилея, создавшего двухлинзовую зрительную трубу. С тех пор изменились способы расчёта линз, однако конструкция объектива в общих чертах сохранилась. И нередко именно параметры объектива ограничивают возможности системы видеонаблюдения.

Геометрическая оптика (идеальная линза)

Если помните, в школьном курсе физики всегда рассматривалась “идеальная линза” – бесконечно тонкая, зато бесконечно большого диаметра. У неё есть один- единственный параметр – фокусное расстояние.

Угол зрения

Это действительно основной параметр – именно он определяет угол зрения камеры с таким объективом. Чем больше фокусное расстояние – тем меньше угол зрения. Зато тем более удалённые цели можно уверенно различить на экране монитора. На рисунке 1 – иллюстрация в стиле “школьной оптики”. Главное, что из неё можно вынести (рис.2) – что чем больше расстояние до объекта наблюдения, тем больше нужно брать фокусное расстояние. И чем больше матрица камеры, тем больше фокусное расстояние, тоже.

Разрешение и необходимый угол зрения

Нередко при проектировании системы ставится одна задача – видеть как можно больше, угол зрения как можно шире, чтоб ни один враг не проскользнул мимо камеры. Однако есть проблема – чем больше предметов видны в кадре, тем мельче каждый из них, тем труднее их различить. Поэтому в рекомендациях Британского МВД (рис.3) говорится, что для уверенного опознания знакомого человека он должен быть примерно в половину кадра по высоте. Точнее говоря, рекомендуется, чтобы поле зрения по горизонтали было 5 метров. Для самых распространённых камер (с матрицей 1/3″) это означает, что фокусное расстояние в миллиметрах должно быть равно расстоянию до человека в метрах – очень легко запомнить! Если вам нужно опознать человека на расстоянии 50 метров – нужен объектив 50 мм. Или наоборот – с объективом 4 мм вы уверенно опознаете человека на расстоянии до 4 метров. Честно говоря, “рекомендации” даются с запасом – на плохую погоду, на то, что видеосигнал будет записан на магнитофон, на то, что человек не стремится, чтобы его опознали – короче, на самом деле при непосредственном наблюдении на экране монитора человека вполне можно узнать на расстоянии раза в 2 больше “рекомендованного”, но запас, как известно, карман не тянет – хотите быть уверенными в надёжном результате, слушайтесь “рекомендации”. Тем более, что для опознания незнакомого человека (по фотографии) рекомендуется вдвое более крупный план.

Пересчёт на другие условия

А теперь, когда вы запомнили базовую рекомендацию, при необходимости можете легко пересчитать на другой размер матрицы или на другие требования к различимости.Поле зрения (как видно из рисунка 1) прямо пропорционально расстоянию до объекта, прямо пропорционально размеру мишени камеры и обратно пропорционально фокусному расстоянию:

(поле зрения) = (размер матрицы)*(расстояние до объекта) / (фокусное расстояние).

Так, например, для камеры с матрицей 1/2″ фокусное расстояние должно быть в полтора раза больше, чем для матрицы 1/3″. Или, например, для “обнаружения человека” (требуемое поле зрения в 4 раза больше, чем для “опознания”) с камерой 1/3″ можно применять объектив вчетверо короче – то есть на расстоянии 50 метров можно применять объектив 50/4 = 12 мм.