ОБЗОР Критерии оптимального выбора объективов взгляд инсталлятора

КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА ОБЪЕКТИВОВ: ВЗГЛЯД ИНСТАЛЛЯТОРА Б. Бочаров, А. Потемкин Системы безопасности №2(62), 2005 Качество изображения, получаемое с помощью телевизионной камеры, определяется не только ее собственными характеристиками, но и характеристиками установленного на ней объектива.

Установка дорогого высококачественного объектива на ТВ-камеру низкого разрешения так же не оправдана, как и в том случае, когда на высококлассную камеру устанавливается плохой объектив, — получаемое ТВ-камерой изображение будет низкого качества Основные оптические характеристики Любая оптическая система характеризуется так называемой функцией передачи модуляции (ФПМ) и ее модулем — коэффициентом передачи модуляции (КПМ), описывающим зависимость контраста изображения, получаемого в результате проецирования пространственной частоты (чередующихся черных и белых линий) через эту оптическую систему на плоскость фотоприемника. Применительно к телевизионным системам это не что иное, как зависимость глубины модуляции видеосигнала от частоты штриховой миры испытательной телевизионной таблицы.

При оценке качества оптики телевизионными средствами измерения интерес представляет зависимость глубины модуляции видеосигнала как по центру, так и по полю формируемого изображения тест-объекта для фиксированных значений пространственной частоты, то есть от функции передачи модуляции объектива. В оптике пространственная частота определяется как количество пар линий (черная вместе с белой), укладывающихся в миллиметре плоскости фотоприемника.

В телевидении разрешающая способность характеризуется количеством телевизионных линий (ТВЛ), различимых на экране монитора, которые способна передать ТВ-камера, и определяется она количеством черных и белых линий (черная и белая считаются двумя ТВЛ), укладывающихся по горизонтали или по вертикали.

Эта характеристика универсальна и применима к ТВ-камере совместно с объективом.

Зная количество ТВЛ и геометрический размер фотоприемника ТВ-камеры, можно перейти к числовым значениям линий на миллиметр. Например, для ПЗС-матрицы формата 1/3″, имеющей ширину активной области 4,8 мм при разрешении 500 ТВЛ, величина пространственной частоты составит 500/(2х4,8)=52 лин/мм. В качестве фотоприемника для снятия характеристик ФПМ оптики, предназначенной для систем видеонаблюдения, разумно применить ТВ-камеру, что близко к реальным условиям.

ПЗС-матрица имеет высокую равномерность чувствительности по полю, что позволяет использовать ее в качестве измерительного инструмента.

Оценка качества объективов Специалистами 000 «Бик-Информ» разработана и успешно применяется методика оценки оптических систем, предназначенных для систем видеонаблюдения, при неизменных условиях и средствах измерений для сравнения заявленных характеристик объективов различных производителей с целью их классификации и оптимального выбора объектива и ТВ-камеры.

В основе метода лежит соответствие измеренного коэффициента передачи модуляции объектива для различных пространственных частот (ТВЛ) по центру и краю изображения телевизионной испытательной таблицы, принятой в телевидении, с субъективной визуальной оценкой качества объектива (его разрешающей способности в ТВЛ) по мирам этой таблицы. Измерение и обработка полученных результатов производятся на персональном компьютере, на вход которого подается видеосигнал ТВ-камеры при наблюдении испытательной таблицы.

Данная установка не требует специального дорогостоящего оборудования, которое обычно применяется для этих целей.

Кроме того, установка также может использоваться для сравнения (измерения) качества ТВ-камер, трактов обработки и линий передачи телевизионного сигнала (чувствительности, разрешающей способности, частотно-контрастных и других характеристик). Состав измерительной установки В состав измерительной установки входит следующее оборудование:

испытательная таблица (ТИТ) с осветителем; образцовая (эталонная) ТВ-камера высокого разрешения; образцовый (эталонный) объектив; люксметр; набор нейтральных светофильтров; штатив для крепления таблицы, ТВ-камеры и светофильтров; телевизионный аналоговый монитор с разрешающей способностью не менее 600 ТВЛ; персональный компьютер с платой захватавидеосигнала.

В установке используется камера с высоким разрешением 560 ТВЛ (752 элемента по горизонтали), выполненная на матрице ICX-259 производства фирмы Sony. Методика проведения измерений Рассмотрим методику проведения измерений КПМ простейшего объектива с фиксированными значениями величины диафрагмы и фокусного расстояния.

На камеру устанавливается испытуемый объектив, производится его настройка на резкость и вписывание изображения таблицы на экран монитора.

Величина и равномерность освещенности таблицы контролируются при помощи люксметра.

Видеосигнал с выхода ТВ-камеры подается на вход аналогового монитора и компьютера. На экране монитора выводится изображение таблицы, по которой визуально определяется разрешающая способность в центре и по полю.

Компьютер, выполняющий функции осциллографа с блоком выделения строки, измеряет КПМ (контраст) полученного изображения штриховой миры. На основании полученных результатов строятся графики зависимости контраста штриховой миры для центра и поля изображения для различных значений пространственных частот относительно размаха черно-белого перепада.

Числовые значения разрешающей способности представляются в ТВЛ, принятых в телевидении, или в линиях на миллиметр (лин/мм), принятых в оптике. Размах черно-белого перепада в центре изображения принимается за 100%. Относительно него измеряется размах черно-белых перепадов и КПМ для заданных значений пространственных частот в 4 точках изображения от центра к краю в направлении диагонали (рис. 1). Результаты измерений эталонного объектива сведены в табл.

1. Рисунок 1 — Штриховая мира, фрагмент Таблица 1 — Результаты измерений эталонного объектива Величина КПМ для самой низкой пространственной частоты в первом приближении характеризует контраст, а для самой высокой — четкость получаемого изображения. Совокупность графиков зависимости КПМ от пространственной частоты дает наглядное представление о величине контраста и четкости по всему полю изображения.

ФПМ эталонного объектива приведена на рис. 2. Вид кривых позволяет производить оценку качества объектива и сравнивать его с аналогами.

Чем ближе кривые к горизонтали и значению 100%, тем лучше объектив.

Рисунок 2 – ФПМ эталонного объектива При измерениях объективов с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД) характеристики КПМ снимаются для различных значений диафрагмы, например для полностью открытой, закрытой или для среднего значения диафрагмы (в F-диапазоне 5,6-8). На основании полученных характеристик можно судить о «поведении» объектива при изменении освещенности наблюдаемого объекта.

Для объективов с переменным фокусным расстоянием (варифокальных) дополнительно измеряется КПМ различных значений фокусного расстояния — минимального, среднего и максимального.

Измеряемые характеристики На данной установке могут быть измерены следующие параметры объектива:

светосила (относительное отверстие); дисторсия, или геометрические искажения; расфокусировка, вызванная наличием хроматических аберраций (IR-коррекция); неравномерность освещенности по полю изображения; кривизна поля изображения; уход плоскости наилучшего изображения (ПНИ) при изменении величины диафрагмы (важная характеристика для объективов с АРД и «варифокалов»).

Кроме того, при тестировании объективов может производиться оценка и таких характеристик, как:

конструктивное исполнение диафрагмы и формы ее лепестков; наличие и тип встроенного нейтрального фильтра на лепестках диафрагмы; наличие и тип встроенного нейтрального фильтра на линзе объектива (спот-фильтра); конструктивное исполнение корпуса объектива и его механики; удобство и расположение средств управления и настройки.

Совокупность всех этих характеристик и позволит сделать вывод о качестве объектива в целом. Результаты тестирования Опыт проведенных измерений характеристик ТВ-камер и объективов позволяет утверждать о высокой степени соответствия визуального восприятия качества изображения и результатов измерений ФПМ объектива, что дает возможность перейти от субъективной оценки к числовым характеристикам (значению коэффициента модуляции).

В качестве наглядного примера успешной эксплуатации установки можно привести результаты измерений максимальной визуальной разрешающей способности и значения КПМ центра и края поля изображения объективов разных фирм с одинаковыми заявленными характеристиками (табл.

2). Все тестируемые объективы с автоматической регулировкой диафрагмы типа Direct Drive, тип крепления CS-mount, фокусное расстояние 4 мм и светосила F1.2. Из табл. 2 видно, что качество и поведение объективов очень разные. Ни одна из фирм не приводит в своих каталогах и спецификациях характеристики ФПМ, умалчивая об особенностях своей продукции. Однако не следует ориентироваться только на приведенные результаты теста без учета перечисленных выше вторичных характеристик, это может привести к ошибочному выбору. Например, большая величина ухода плоскости наилучшего изображения от величины диафрагмы сводит на нет хорошие характеристики ФПМ объектива, а наличие IR-коррекции делает его более предпочтительным. На примере объективных измерений ФПМ объективов фирмы Tamron видно, как была быстро сделана модификация (IR-коррекция) объектива Tamron 13VM308AS. На графиках (рис. 3) показано, что новый объектив имеет лучшие значения ФПМ, а значит — лучшее разрешение и контраст. Таблица 2 — Результаты измерений объективов разных фирм с одинаковыми заявленными характеристиками >> Рисунок 3.1 — Сравнительные результаты измерений ФПМ объектива TAMRON 13VM308AS (Tamron, Япония) Рисунок 3.2 — Сравнительные результаты измерений ФПМ объектива VariFocal F1.0/f(3.0-8.0)mm/CS-mount/Manual (Tamron, Япония) Рисунок 3.3 — Сравнительные результаты измерений ФПМ объектива TAMRON 13VG308AS IR (Tamron, Япония) Рисунок 3.4 — Сравнительные результаты измерений ФПМ объектива VariFocal F1.0/f(3.0-8.0)mm/CS-mount/Direct Drive (Tamron, Япония) Заключение Как правило, производители объективов приводят в своих каталогах геометрические характеристики, так как их легко измерить при высокой повторяемости.

К таким характеристикам можно отнести:

угол поля зрения (в градусах); фокусное расстояние (мм); относительное отверстие (светосила геометрическая); геометрические искажения — дисторсию (%); формат поля изображения (матрицы).

Однако далеко не все производители указывают характеристику, отвечающую за качество изображения объектива: в оптике это MTF (ФПМ), которая является расчетной величиной, отвечает за разрешение объектива (контраст и четкость) и зависит от многих факторов (от относительного отверстия, центра, края). Поэтому объективные методы контроля и измерений качества объективов просто необходимы для нормального диалога производителя, продавца и монтажной организации.

Об авторах:

Б.Г. Бочаров, директор ООО «БИК-Информ» А.В.Потемкин, ведущий специалист ООО «БИК-Информ»