Obiektywy

Obiektyw kamery: Układ optyczny służący do projekcji obrazu pożądanej sceny na powierzchnię światłoczułą przetwornika obrazu.

Ogniskowa. Ogniskowa to odległość, w jakiej od centrum optycznego obiektywu powstaje obraz obiektu położonego w nieskończoności, jest ona mierzona w milimetrach. Dla danego rozmiaru przetwornika i danej ogniskowej można wyliczyć kąt widzenia kamery. Zależność miedzy ogniskową, a kątem widzenia kamery jest odwrotnie proporcjonalna, czyli długie ogniskowe - mały kąt widzenia, krótkie- szeroki kat. Z kolei im większy przetwornik tym większy kąt widzenia.

Przysłona. Mechanizm regulacji otworu względnego (apertury), zmieniający ilość światła przechodzącego przez obiektyw i padającego na przetwornik obrazu kamery CCTV. Obiektywy o stałej przysłonie są oznaczane jako "no IRIS" (bez przysłony).

Liczba aperturowa obiektywu – jasność obiektywu (F): Wskaźnik teoretycznej zdolności przepuszczania światła obiektywu, jest określany skalą F. Szereg F to: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64 itd. Ze wzrostem liczby F maleje ilość światła przepuszczanego przez obiektyw. W Jeśli przysłona obiektywu pozwala na całkowite zamknięcie, to liczba F jest równa nieskończoności (może być to oznaczane terminem closed, zamknięta). Najczęściej podawane są dwie wartości liczby F, pierwsza z nich określa maksymalne otwarcie przysłony, a druga minimalne.

Głębia ostrości. Zakres odległości od obserwowanego obiektu, w którym znajdujące się obiekty są odwzorowywane ostro. Generalnie głębia ostrości zwiększa się z przymykaniem przysłony oraz ze skracaniem ogniskowej. Tą zasadę wykorzystują m.in. fotograficy, którzy chcąc uzyskać dużą głębie ostrości dobrze oświetlają ujęcie i zmniejszają przysłonę. Jeżeli mamy obiektyw z automatyczną przysłoną i nastąpi zmniejszenie oświetlenia, to w związku z otwieraniem przysłony nastąpi także zmniejszenie głębi ostrości. Dążymy by głębia ostrości sięgała nieskończoności, czyli by przedmioty leżące dalej niż pewna minimalna odległość były widziane ostro. Przy dużej głębi ostrości, regulacja ostrości w szerokich granicach nie wpływa na ostrość obrazu.

Liczba transmisyjna obiektywu (T). Wskaźnik rzeczywistej zdolności przepuszczania światła przez obiektyw. Skala ta pozwala na bezwzględną ocenę jakości obiektywu, gdyż uwzględnia wpływ np. gatunku szkła na przepuszczanie różnych częstotliwości światła.

Inne ważne parametry to: maksymalna rozdzielczość, ostrość i kontrastowość otrzymywanych obrazów, korekcja kolorów związana z aberacją chromatyczną.

• bez przysłony, tanie, przeznaczone do stosowania w prostych kamerach,
• z przysłoną ręczną,
• z przysłoną automatyczną,

• stała, produkowane obiektywy mają wartości typowe np. 2,5; 3,6; 4,0; 6,0; 12,0; 16,0; 25,0,
• zmienna (varifocal, zoom), zalecane gdy wielkość obiektu się zmienia lub wymagana jest swoboda doboru ogniskowej, także tu są pewne typowe wartości:3,5-8 (kamery 1/3”); 6-12 (kamery 1/2”) ,
• regulowana zdalnie (tak zwane obiektywy moto-zoom).

Typy mocowań obiektywów. Spotykane są dwa: C oraz CS, Odległość powierzchni przetwornika od płaszczyzny mocowania obiektywu wynosi 12,5mm dla obiektywów CS, i 17,526 mm dla obiektywów C. Gwint o mniejszej średnicy występuje w kamerach płytkowych.

Wielkości obiektywu a wielkość przetwornika. Wielkość obrazu, jaki może być wytworzony przez obiektyw, podaje się w calach, podobnie jak wielkość przetwornika. Producenci podają największy format przetwornika, z jakim może dany obiektyw współpracować. Do wielkości przetwornika musi być dopasowany obiektyw, przy czym zawsze można stosować większy obiektyw do kamery z mniejszym przetwornikiem, co w niektórych sytuacjach może być korzystne, jako że pozwala na zmniejszenie zniekształceń obrazu (zniekształcenia obiektywu zwiększają się wraz z oddaleniem się od osi). Przy tym samym obiektywie mniejszy przetwornik spowoduje wyświetlenie mniejszego fragmentu obserwowanego obiektu. Spotykane są obiektywy do przetworników 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3” i 1/4” (w przyszłości pojawią się obiektywy do przetworników 1/5”).

Dobór ogniskowej. Dla danego rozmiaru przetwornika i danej ogniskowej można wyliczyć kąt widzenia kamery. Zależność miedzy ogniskową, a kątem widzenia kamery jest odwrotnie proporcjonalna. Należy zauważyć, iż kąt widzenia w płaszczyźnie poziomej wynoszący 30 stopni jest podobny do kąta widzenia człowieka. Okazuje się, że taki kąt jest osiągany wtedy, gdy ogniskowa jest równa wymiarowi przetwornika. Przykładowo może to być obiektyw o ogniskowej 1/4” czyli 6,2 mm, wraz z przetwornikiem 1/4”. Znając format przetwornika, odległość od obserwowanego przedmiotu oraz jego rozmiary możemy wyliczyć, jaka będzie potrzebna ogniskowa a także, jaki będzie kąt widzenia kamery z obiektywem o takiej ogniskowej. Ze względu na prostokątny kształt przetwornika obliczenia należy wykonać zarówno w płaszczyźnie pionowej, jak poziomej.

Lunetki, kalkulatory, wykresy i wzory do dobierania obiektywów. Doboru obiektywu można dokonać używając wzorów, kalkulatorów, wykresów oraz specjalnej lunetki zwanej "view finder". W razie możliwości należy także przeprowadzić próby terenowe, gdzie można dobrać spośród wielu obiektywów te, które najlepiej spełnią swe zadanie. Dobór ogniskowej na podstawie wykresów sprowadza się do odczytania wartości ogniskowej w zależności od szerokości i odległości od obiektu, oraz od formatu przetwornika. Ich wadą jest mała dokładność, spowodowana niemożnością przygotowania wykresów dla każdego możliwego przypadku.

View finder jest ustawiany w miejscu gdzie ma być zainstalowana kamera, po czym dokonuje się regulacji pierścieniami lunetki, do momentu, aż osiągniemy pożądany zakres obserwacji. Wtedy należy dokonać odczytu wartości szukanej ogniskowej.

Kalkulatory mają postać dwóch współosiowych kół z naniesionymi liczbami, ustawiając odległość i wielkość obiektu, wybierając format przetwornika możemy z nich odczytać wartość wymaganej ogniskowej. W obliczeniach wykorzystujemy następujące wzory do wyznaczania kątów:

kąt widzenia w płaszczyźnie pionowej fih = 2arc tg(h/2f) = 2arc tg(k/2l)
kąt widzenia w płaszczyźnie pionowej fiv = 2arc tg(v/2f) = 2arc tg(m/2l)

Np. dla przetwornika 1/4", o wymiarach 2,7 x 3,6mm (przekątna 4mm). i obiektywu o ogniskowej 3,6 mm kąt widzenia pionowy i poziomy wynoszą odpowiednio:

Kąt widzenia pionowy fih = 2arc tg(2,7/7,2)=2*arc tg(0,375)=41 stopni
Kąt widzenia poziomy fiv = 2*arc tan(3,6/7,2)=2*arc tg(0,5)=52 stopnie
oraz wzory do obliczania pola pola widzenia:

wysokość pola widzenia k = h*l/f
szerokość pola widzenia m = v*l/f
Np. dla przetwornika 1/4” i obiektywu 3,6 mm wysokość i szerokość pola widzenia kamery w odległości 10m wynoszą:

wysokość pola widzenia k = 2,7*10 000/3,6=7500mm=7,5 metra
szerokość pola widzenia m = 3,6*10 000/3,6=10000mm=10 metrów
Wszelkie obliczenia muszą być dokonywane z użyciem jednolitych jednostek, czyli wszędzie konsekwentnie stosujemy albo metry albo milimetry, albo stopnie albo radiany.
Fizycznie przekątna przetwornika różni się od przekątnej podawanej w katalogach, jest od niej mniejsza, co za tym idzie także inne wymiary są mniejsze:

• 1", przetwornik o wymiarach 9,6 x 12,8 mm (przekątna 16mm),
• 2/3", przetwornik o wymiarach 6,6 x 8,8mm (przekątna 11mm),
• 1/2", przetwornik o wymiarach 4,8 x 6,4mm (przekątna 8mm),
• 1/3", przetwornik o wymiarach 3,6 x 4,8mm (przekątna 6mm),
• 1/4", przetwornik o wymiarach 2,7 x 3,6mm (przekątna 4mm).

Obiektyw o stałej, czy zmiennej ogniskowej (zoom). Zazwyczaj, dopiero po pewnym czasie pracy systemu możemy dokładnie ustalić na obserwacji, jakich obiektów nam najbardziej zależy. Dlatego, pomimo wyższej ceny, warto stosować obiektywy o zmiennej ogniskowej. Pozwoli to po pewnym czasie działania systemu zmienić (zawęzić lub poszerzyć) pole widzenia.

Wybór typu przysłony. Należy pamiętać, iż czułość kamer jest podawana przy danej przysłonie, np. 0,05 luksa przy przysłonie F=1,2, i jeśli stosujemy obiektyw z przysłoną 1,8 to czułość kamery będzie mniejsza, gdyż mniej światła dociera do jej przetwornika. Obecnie dostępne są “bardzo jasne” obiektywy o liczbie F=1,0. Taki obiektyw w połączeniu z kamerą o dużej czułości umożliwia prowadzenie obserwacji w bardzo trudnych warunkach oświetleniowych. W typowych warunkach wystarczają obiektywy o jasności F=1,2-64, jednakże stosując kamery o dużej czułości np. 0,01 luksa, w przypadku oświetlenia silnym światłem słonecznym zamkniecie przysłony będzie niewystarczające i może dojść do prześwietlenia obrazu. W takim wypadku, albo należy zastosować obiektyw o dużej liczbie określającej minimalną przysłonę, względnie zmienić kamerę na mniej czułą. Innym rozwiązaniem jest stosowanie filtrów szarych, lecz ograniczają one czułość przy słabym oświetleniu. Przy naprawdę dużym nasłonecznieniu, można się spotkać z sytuacją, w której nawet zastosowanie obiektywu z automatyczną przysłoną nie da zadawalających efektów. Na ekranie monitora obraz nie będzie jednakowej jasności. W zależności od ustawień obiektywu może zdarzyć się, że np. w środkowej części będzie prześwietlony to, z kolei w bocznych częściach niedoświetlony.

Przysłona regulowana ręcznie, jest stosowana w warunkach stałego oświetlenia, przeważnie wewnątrz budynków. Regulacja polega na jednorazowym ustawieniu pierścienia lub dźwigni przysłony. Poza przysłoną ręczną, występują dwa rodzaje przysłon automatycznych

Elektroniczna przysłona ("EAI" - Electronic Auto Iris lub "EI" - Electronic Iris) jest stosowana w warunkach mało zmiennego oświetlenia, i z obiektywem o ręcznie regulowanej przysłonie. Jeśli chcemy zastosować taką kamerę przy większych zmianach oświetlenia, np. od prawie całkowitych ciemności do oświetlenia dziennego, to należy przysłonę obiektywu otworzyć. Uzyskujemy, co prawda dobrą jasność obrazu, niestety w zamian za to, zmniejszeniu ulegnie głębia ostrości. W pomieszczeniach nie powinno to jednak stanowić problemu. W przypadku stałego oświetlenia przysłonę należy przymknąć, co polepszy głębię ostrości, lecz tu może się okazać, że jasność przy słabym oświetleniu będzie niewystarczająca.. Podstawową korzyścią użycia elektronicznej przysłony jest możliwość stosowania prostych obiektywów o stałej lub ręcznie regulowanej przysłonie.

Automatyczna przysłona ("AI" - Auto Iris) utrzymuje stałą ilość światła padającego na przetwornik, bez względu na warunki oświetlenia. Migawka elektroniczna ustawia się na 1/50s, natomiast obiektyw z AI jest przymykany i otwierany stosownie do natężenia oświetlenia. Kamera i obiektyw z AI są w stanie pracować poprawnie w warunkach bardzo dużych zmian oświetlenia. Z reguły kamery do obserwacji zewnętrznej w dzień i w nocy wymagają takiego obiektywu. Kamera z AI jest wyposażona w specjalne wyjście sterujące obiektywem z AI. W zależności od sygnału na tym wyjściu obiektyw zamyka lub otwiera przysłonę utrzymując ilość światła padającego na obiektyw na stałym poziomie

Ustawienie parametrów pracy automatycznej przysłony. Głównym celem jest osiągnięcie optymalnej jasności zarówno dla oświetlenia w dzień jak i w nocy. Fabryczny obiektyw wyposażony w Auto–Iris jest wyregulowany i zazwyczaj regulacja przez użytkownika nie jest konieczna. Zdarza się jednak, że taką regulację trzeba przeprowadzić. Polega ona na ustawieniu regulatorów Level i AGC w położenie środkowe, następnie potencjometrem Level należy ustawić pożądany poziom jasności obrazu. Kolejnym krokiem jest ustawienie potencjometru ALC, w zależności od sposobu reakcji na oświetlenie, a potem założenie filtru szarego i wyregulowanie ostrości.

Filtr szary. Filtr szary jest stosowany podczas prowadzenia regulacji obiektywów z automatyczną przysłoną, a także ze stałą, kiedy jasność obrazu jest zbyt duża. Dzięki zmniejszeniu jasności światła padającego, pozwala na pełne otwarcie przysłony, zmniejszając tym samym głębię ostrości. Podczas regulacji stosowane są dwa rodzaje filtrów, numer 3 dla kamer monochromatycznych i numer 1 dla kamer kolorowych. W razie braku takiego filtru należy zaczekać aż do zmroku.

Problem braku ostrości w kamerach. Ostrość obrazu to możliwość rozróżnienia szczegółów limitowana rozdzielczością przetwornika lub monitora. Regulacja ostrości jest w rzeczywistości zmianą położenia centrum optycznego obiektywu w odniesieniu do przetwornika. Brak ostrości to jeden z najczęściej spotykanych problemów podczas instalacji i regulacji kamer i obiektywów i dotyczy zarówno obiektywów o stałej jak i o zmiennej ogniskowej. Zdarza się, że dokonując regulacji ostrości w obiektywie nie można uzyskać ostrego obrazu, najczęściej występuje to w skrajnych położeniach regulacji ostrości obiektywu. W takim wypadku należy poluzować kluczem imbusowym (jest na wyposażeniu prawie każdej kamery) śrubę mocującą pierścień, w który wkręcamy obiektyw, a następnie ustawić możliwie najlepszą ostrość obrazu. Regulacja powinna być przeprowadzona przy najkrótszej ogniskowej i ostrości ustawionej na nieskończoność. Regulacji ostrości należy dokonywać przy maksymalnym otwarciu przysłony, stosując np. filtr szary. Należy zauważyć, iż tej regulacji dokonuje się jedynie w razie konieczności, praktycznie rzadko się zdarza by pierścień kamery wymagał regulacji.

Eliminacja odblasków w zakresie światła widzialnego. Nawet właściwy dobór ogniskowej i przysłony nie zawsze pozwala osiągnąć dobry obraz. Zazwyczaj głównym problemem są różnego rodzaju odblaski od ścian, podłóg, szyb, mebli, a także od szyb, przez które prowadzimy obserwację. W zasadzie jedyną możliwością wyeliminowania odblasków jest stosowanie filtrów polaryzacyjnych montowanych przed obiektywem. Filtr polaryzacyjny przepuszcza fale świetlne tylko jednej polaryzacji, obracając filtr wokół jego osi zmieniamy także polaryzację fali, która przez niego przechodzi. Obracając filtr wokół jego osi można znaleźć takie położenie, w którym dominująca polaryzacja światła odbitego zostanie maksymalnie wytłumiona, a tym samym odblask zostanie zminimalizowany.

Obiektywy i podczerwień. Kamery monochromatyczne są czułe nie tylko w zakresie światła widzialnego, ale i w zakresie podczerwieni. Oznacza to, że jest możliwe swego rodzaju oszukanie automatyki przetwornika kamery przez promieniowanie podczerwone. Jeśli największe natężenie będzie miało promieniowanie podczerwone to automatyka kamery ustawi optymalną jakość obrazu dla tego rodzaju światła, a nie dla światła widzialnego. Objawi się to zafałszowaniem jasności obrazu w zakresie światła widzialnego, czy też problemów z uzyskaniem dobrej ostrości obrazu. Wyeliminowanie tego zjawiska jest możliwe po zastosowaniu filtrów przepuszczających tylko promieniowanie widzialne (IR–cut). Innym aspektem tego zjawiska jest problem odwrotny, czyli obserwacja w zakresie podczerwieni. Tu należy zastosować filtr przepuszczający tylko promieniowanie podczerwone (IR–pass). Takie filtry są stosowane we współpracy z reflektorami podczerwieni oświetlającymi teren przy braku światła widzialnego.

Montaż filtrów. Montaż filtrów jest możliwy tylko do obiektywów, które są do tego przystosowane, tzn. posiadają odpowiednią średnicę i gwint. W obiektywach do kamer 1/2” i 1/3” występują następujące średnice gwintów: 30,5, 40,5 oraz 43mm.

Obiektywy otworkowe (szczelinowe) - są to obiektywy o bardzo małej średnicy (wejścia) soczewki zewnętrznej, stosowane są głównie do prowadzenia dyskretnej obserwacji. Kamery z takimi obiektywami mogą być instalowane na wiele różnych sposobów maskujących ich przeznaczenie (montaż w ścianach, walizkach, segregatorach, sufitach, czujkach podczerwieni lub dymu).

Obiektyw telecentryczny - został skonstruowany do stosowania w automatycznych systemach wizyjnych i elektronicznych systemach pomiarowych wymagających dużej dokładności. Obiektywy tradycyjne cechują zniekształcenia powiększenia i zniekształcenia kątowe obrazu, mogące spowodować istotne problemy przy komputerowej analizie obrazu.

Obiektyw asferyczny (bardzo mała wartość liczby F) - posiada większą skuteczną średnicę wejścia, zapewniającą większą aperturę i większą transmitację światła. Obiektywy te posiadają odmienny profil, który kompensuje aberacje na krawędzi obiektywu. Światło, które jest zwykle tracone przez standardowe obiektywy, zostaje odebrane przez obiektyw asferyczny i przekazane do przetwornika. Funkcja ta jest szczególnie widoczna przy korzystaniu z kamer kolorowych, ponieważ są one mniej czułe od kamer czarno- białych. Przy korzystaniu z tych obiektywów oraz kamer B/W osiągamy większą czułość układu optycznego niż przy zastosowaniu tradycyjnych obiektywów.

Ciekawą grupą obiektywów są obiektywy z wbudowanym "reflektorem podczerwieni". Takie rozwiązanie pozwala na podgląd obrazu w normalnych warunkach oświetleniowych, jak również w całkowitych ciemnościach. Z kolei cena takiego zestawu jest znacznie niższa niż cena dodatkowego reflektora i obiektywu. Podstawowym obszarem zastosowań takich obiektywów, jest obserwacja w pomieszczeniach (p. korytarze, izby wytrzeżwień) oraz np. okolic drzwi na zewnątrz budynków.

Dobór obiektywu. Wybór prawidłowego typu obiektywu jest tak samo ważny, jak wybór kamery. Zła jakość obiektywu może znacznie obniżyć ogólną jakość funkcjonowania systemu. Według normy EN 50132-7 kryteria wyboru powinny brać pod uwagę następujące czynniki:

• pole widzenia obiektywu (podawane przez producentów w tabeli danych) może być zmniejszone wskutek zbyt dużego rastra obrazu (overscan) w urządzeniu wyświetlającym
• oświetlenie sensora obrazu w kamerze jest określone przez liczbę aperturową oraz liczbę transmisyjną obiektywu, które to wielkości zależą od konstrukcji obiektywu
• wewnętrzne odbicia światła w obiektywie lub "mora" mogą znacznie pogorszyć jakość obrazu
• niektóre obiektywy o zmiennej ogniskowej narażone są na zjawisko rampingu, polegające na zwiększaniu się efektywnej liczby aperturowej obiektywu przy wzroście ogniskowej

Kompromis pomiędzy ilością kamer, a dokładnością obserwacji. Poszerzenie pola widzenia kamer oznacza, iż do obserwacji tego samego terenu potrzeba będzie mniej kamer. Jednakże trzeba pamiętać, iż poszerzając pole widzenia kamery, czyli zmniejszając ogniskową, równocześnie zmniejszamy rozróżnialność szczegółów. Dlatego obiektywy o krótkiej ogniskowej należy stosować rozważnie, gdyż może się zdarzyć, iż w razie potrzeby nie będzie można na zapisanym obrazie dostrzec ważnych szczegółów.