Особенности применения широкоугольных и длиннофокусных объективов

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШИРОКОУГОЛЬНЫХ И ДЛИННОФОКУСНЫХ ОБЪЕКТИВОВ Д.Филиппов Все о вашей безопасности № 3, 2003 Вопросу выбора фокусного расстояния объектива для камеры системы охранного видеонаблюдения зачастую не уделяют особого внимания.

Просто выбирают такое фокусное расстояние, при котором фигуру возможного нарушителя можно наблюдать в достаточном масштабе на самом дальнем краю сектора наблюдения.

Точку же размещения камеры выбирают из условия ракурса наблюдения.

Ну чтобы деревья там не загораживали или чтобы объект наблюдения не проектировался на источники света в темное время. Уместно напомнить пропорцию для расчета фокусного расстояния объектива: f = h·L/H, где: f — необходимое фокусное расстояние (мм), h — размер ПЗС-матрицы по вертикали (мм), L — максимальная дальность наблюдения (м), Н — размер поля зрения по высоте на максимальной дальности наблюдения (м). Последнее значение определяется тем самым достаточным масштабом, о котором упоминалось выше.

Ограничиваясь в качестве иллюстрации одной зрительной задачей -"опознавание ростовой фигуры человека по критериям его действия" (идёт, нагнулся, лезет через забор), можно привести пример, многократно подтвержденный практикой охранного видеонаблюдения. Размер поля зрения по высоте для решения такой зрительной задачи должен быть около 18, т.е. ростовая фигура человека должна изображаться в 1/10 высоты экрана. Тогда, при достаточной освещенности и реальном контрасте, оператор с высокой вероятностью опознает действия этой фигуры. Расстояния наблюдения могут быть самыми разными — от единиц метров, на лестничных площадках, у кассовых окон, до сотен метров, например, на мостах, стадионах, грузовых терминалах. Соответственно этому выбирается и фокусное расстояние. С объективами, имеющими фокусные расстояния среднего диапазона, легко и удобно работать, когда нас устраивает и масштаб, и поле зрения. С широкоугольными же и длиннофокусными объективами могут возникнуть проблемы. Какие особенности широкоугольных и длиннофокусных объективов следует учитывать при их применении? Начнём с широкоугольных объективов, так любимых нашими заказчиками. "Поставьте мне такой объектив, чтоб я видел вокруг на 360, нет, даже на 370 градусов! И чтоб на сто метров!" Кто не встречался с такими требованиями? Итак, проблемы:

Широкоугольный объектив имеет высокую неравномерность освещённости по полю.

Теоретически освещенность падает на краю изображения в четвертой степени косинуса полевого угла! Да ещё виньетирование краевых лучей. В объективах лучших фирм это частично компенсируется за счет особой конструкции объектива и расположения действующей диафрагмы.

Широкоугольный объектив имеет также высокую неравномерность разрешающей способности по полю зрения.

В центре картинка чёткая, по краям чёткость теряется. Объясняется трудностью исправления аберраций наклонных пучков и кривизной поля.

По этим двум параметрам хуже широкоугольников только печально известные "пин-холы". Широкоугольные объективы имеют значительную бочкообразную дисторсию изображения. Помните, как в детстве вы смотрели на своё отражение в зеркальном ёлочном шаре? Огромный смешной нос, маленькие ушки и по краям где-то далеко-далеко остальные, предметы в комнате.

Вот такая картинка бывает при сверхширокоугольном объективе. Следует упомянуть также эффект "раздвигания" пространства вдоль оси. Имеются в виду перспективные искажения за счёт очень большой разности увеличений близких и далёких объектов.

К глубине резкости широкоугольных объективов предъявляются не слишком жесткие требования — за счет малого масштаба ошибки наведения на резкость менее заметны. При использовании широкоугольных объективов для наружного наблюдения можно столкнуться с ограничением поля зрения входным окном кожуха.

Ясно, что сверхширокоугольности нужно избегать всеми мерами.

Правильный выбор места расположения камеры, использование диагональных ракурсов даст возможность даже в самом узком пространстве обойтись углом поля зрения не более 70°. Применительно к камерам формата 1 /3″ это означает, что применять объективы с фокусным расстоянием меньше 3,7 мм надо очень и очень обоснованно.

Ну, а уж если действительно нужно в таком широком угле вести наблюдение, то никто не мешает вместо одной камеры установить в одной точке две, с одинаковыми объективами среднего фокуса, а то и три, и, согласовав их поля зрения по горизонтали, подать их сигналы на три стоящих в ряд одинаковых монитора.

Получится панорама.

Оператор будет воспринимать этот триптих как единое изображение с пропорциональной передачей перспективы и достаточно крупным масштабом, не теряя при этом объект наблюдения, переходящий с экрана на экран. Такие схемы полезны в торговых залах, ресторанах, казино.

Для очень длиннофокусных объективов (фокусное расстояние больше 120 мм) свои проблемы:

Большая чувствительность к точности фокусировки, особенно при полностью открытой диафрагме.

Глубина резкости проявляется со всей силой. Камеры с такими объективами следует устанавливать на массивные основания для исключения механических и ветровых вибраций, которые проявляются в дрожании изображения.

На качество изображения начинают влиять условия метеорологической видимости (дымка, осадки) и даже флуктуации слоев нагретого воздуха. Камеры с длиннофокусными объективами требуют предварительного целеуказания для наблюдения узким полем.

Длиннофокусные объективы вносят перспективные искажения, обратные широкоугольным. Наблюдаемое пространство как бы сжимается вдоль визирной оси. И неудивительно: продольное увеличение равно квадрату поперечного!

Вот это последнее свойство может быть обращено на пользу при наблюдении объектов, отстоящих на значительные расстояния друг от друга.

Пример? Пожалуйста! Пусть требуется установить камеру в проходной так, чтобы она как можно дольше держала в кадре достаточно крупное изображение человека, проходящего через турникет.

Самая распространенная ошибка в решении такой задачи — применение короткофокусного широкоугольного объектива и установка его поперёк или под углом к направлению движения людей на контроле.

По мере приближения к камере человек изображается сначала ещё слишком мелко, потом масштаб быстро возрастает, на секунду мелькнёт в кадре лицо и скрывается за краем поля зрения. Если же камеру отнести подальше, метров эдак на 6 от турникета и направить строго вдоль прохода, то, во-первых, мы будем наблюдать человека анфас, а во-вторых, его лицо уже можно будет разглядеть, когда он ещё только подходит к контролю.

Кстати, это даёт охраннику дополнительную информацию, как человек приближается к контролю, не нервничает ли, не прячет ли чего наспех по карманам. Условия задачи становятся другими: максимальное расстояние 12 метров, минимальное 5 м (пусть мы будем видеть его ещё метр после турникета).

Максимальный размер кадра по высоте 1,2 м, минимальный — 0,5 м. Тогда: f = 3,6·12/1,2 = 36 мм Проверим. Минимальный размер кадра на расстоянии 5 м от камеры h = 3,6·5/36 = 0,5 м. Значит, пока человек проходит контроль (а это будет примерно 10-15 секунд), оператор на отрезке 7 метров всё время будет видеть его в достаточном масштабе, пока он не подойдет к камере слишком близко и не станет, как выражаются киношники, "резаться".