Większość użytkowników systemów wideomonitoringu, ale nawet większość projektantów i instalatorów nie przykłada należytej wagi do wyboru odpowiednich obiektywów dla kamer używanych w systemie. A przecież obiektyw to bardzo ważny element, który znacząco wpływa na jakość obrazu, a w dalszej kolejności -jakość całego systemu telewizji dozorowej. Dlatego wybór odpowiedniego obiektywu to nie jest taka zupełnie błaha sprawa. Oprócz paramentów fizycznych, bardzo ważną cechą jest jakość obiektywu. Chodzi zarówno o rodzaj oraz jakość, użytych przez producenta materiałów, jak i jakość oraz precyzja wykonania wszystkich elementów i złożenia ich w całość. Od tego zależy dokładne odwzorowanie obrazu sceny na przetworniku w każdych warunkach oświetlenia i przez jak najdłuższy czas.

 

Zadbaj o kąt widzenia

Obiektyw musi zapewnić odpowiedni kąt widzenia kamery. Nie może być ani za szeroki, ani zbyt wąski. Czyli ogniskowa obiektywu musi być dostosowana do rozmiarów interesującej nas sceny, do odległości od sceny i do wymiarów geometrycznych przetwornika kamery. Należy wybrać obiektyw, który zapewni prawidłowe oświetlenie całej powierzchni przetwornika kamery dla wszystkich punktów obserwowanej sceny. zbyt szerokokątny obiektyw będzie niepotrzebnie pokazywał teren po obu stronach oraz pod i nad obiektem. Spowoduje to, że właściwy obiekt będzie mniejszy na ekranie, pliki obrazowe za duże w stosunku do potrzeb, co bezpośrednio wiąże się z szerokością pasma transmisji i wielkością banków pamięci. Z kolei obiektyw o zbyt dużej ogniskowej (zbyt wąskokątny) po prostu nie będzie obrazował całego interesującego nas terenu. Wymaganą ogniskową obiektywu można w prosty sposób wyliczyć. Wystarczy znać rozmiar przetwornika kamery (lub liczbę pixeli i rozmiar pixela), wielkość pola widzenia i odległość do obiektu. po wstawieniu tych wartości do wzoru otrzymujemy żądaną ogniskową obiektywu. Dodatkowo możemy policzyć kątowe pole widzenia. W internecie można znaleźć wiele stron oferujących bezpłatne kalkulatory pozwalające dobrać właściwy obiektyw.

 

Stała czy zmienna ogniskowa?

Innym bardzo często spotykanym rozwiazaniem jest zastosowanie obiektywu o zmiennej ogniskowej i odpowiednie ustawienie dla konkretnej sceny już po zamontowaniu kamery. To upraszcza montaż i ułatwia pracę projektanta. Nie jest to rozwiązanie złe, ale nie jest też najlepsze. Obiektyw zmiennoogniskowy jest znacznie bardziej skomplikowany technicznie niż ten o stałej ogniskowej. Zawiera więcej soczewek i więcej elementów ruchomych a co za tym idzie jest znacznie trudniejszy do wykonania i znacznie droższy. Przynajmniej ten dobrej jakości. Oprócz tego obiektyw zmiennoogniskowy jest zwykle znacznie ciemniejszy, większość producentów najczęściej podaje parametr maksymalnej przesłony dla najkrótszej ogniskowej. I dlatego nie będziemy się tu nim zajmować. Znacznie lepszym i tańszym rozwiązaniem jest stosowanie odpowiednio dobranych obiektywów stałoogniskowych. Jak je najłatwiej i najszybciej dobrać? Oprócz wyżej opisanego sposobu matematycznego, najlepszym sposobem jest wykorzystanie specjalistycznego programu VideoCAD. Prostszym ale również skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie już w fazie projektowania systemu specjalnej lunetki, pozwalającej praktycznie sprawdzić właściwą wartość ogniskowej dla każdego punktu kamerowego. Podstawowym zadaniem obiektywu jest odwzorowanie pola widzenia na powierzchni przetwornika. Obiektywy kamer dozorowych pomniejszają obraz sceny (pole widzenia) od kilkuset do kilkudziesięciu tysiecy razy. Przykładowo dla przetwornika o przekątnej 1/2 cala, czyli około 12,7mm i pożądanego pola widzenia kamery o przekątnej 20 metrów pomniejszenie obrazu wynosi około 1600 razy. Inaczej jest w przypadku kamer przemysłowych, medycznych, kosmetycznych -w nich obiektyw najczęściej powiększają obraz pola widzenia. Standardowe obiektywy stałoogniskoowe dla kamer dozorowych uznanych producentów mają ogniskowe w dość krótkim szeregu długości ogniskowej: 4, 6, 8, 12, 16, 25, 35, 50 i 75mm. Co można zrobić, jeżeli z obliczeń dowolną metodą matematyczną albo z pomiaru lunetką wychodzi, że powinien być zastosowany obiektyw o ogniskowej 30mm? Jeżeli zostanie zastosowany obiektyw o ogniskowej 25mm otrzymamy zbyt szerokie pole widzenia. Możemy tego uniknąć, przybliżając się do obiektu albo stosując obiektyw o ogniskowej 35mm i odpowiednio oddalając kamerę od obiektu. A może lepiej zastosować dodatkowy pierścień pośredni? Wybieramy zatem obiektyw 25mm, na przykład z firmy Fujinon, Tamron, Kowa, Navitar, Schneider, Edmundoptics, Rainbow, Computar, Seiko, Pentax czy innej. Wszyscy ci producenci mają w swojej ofercie obiektyw 25mm. A właściwie nawet kilka modeli 25mm różnej jakości.

 

Pierścienie pośrednie

Standardowe obiektywy stałoogniskowe są produkowane tylko w ograniczonym szeregu ogniskowych, a bardzo często obliczona lub zmierzona wymagana ogniskowa obiektywu dla konkretnego zastosowania akurat nie jest dostępna. Wielu projektantów myśli wówczas o zastosowaniu pierścieni pośrednich, mocowanych między kamerą a obiektywem. Tak jak poprzednio jest potrzebny obiektyw o ogniskowej 30mm. Czy posiadanie pierścienia pośredniego o grubości 5mm do obiektywu 25mm da pożądany efekt? Niestety, to tak nie działa. Wprawdzie zmniejszy się pole widzenia kamery, ale nie do rozmiaru, jaki uzyskalibyśmy, stosując obiektyw 30mm. Pierścień pośredni ma wpływ na dwa parametry układu optycznego. Pierwszy to zmiana zakresu ostrzenia obiektywu (focus), drugi to zmniejszenie minimalnej odległości ostrzenia. Ustawienie ostrości dla danego obiektu następuje przez przybliżenie do obiektu lub oddalenie od niego elementu lub elementów obiektywu, w zależności od jego konstrukcji. Aby otrzymać mniejszą odległość ostrzenia, należy odsunąć obiektyw od przetwornika. Minimalna odległość ostrzenia to jeden z ważnych parametrów obiektywu. Mówi on, jak najbliżej obiektu można umieścić kamerę, a właściwie zestaw kamery z obiektywem, aby otrzymać w pełni ostry obraz. Po skręceniu pokrętła ostrości obiektywu w położenie minimalne nie ma możliwości uzyskania ostrego obrazu dla mniejszej odległości od obiektu. Ale przez zamontowanie między kamerę a obiektyw pierścienia pośredniego lub ich zespołu oddalamy obiektyw od przetwornika i możemy prawidłowo zogniskować bliższe obiekty. Zastosowanie pierścieni pośrednich zmniejsza pole widzenia kamery. Więc dobierając odpowiedni pierścienie zmieniamy optykę układu, uzyskujemy większe powiększenie obrazu. Pierścienie pośrednie są produkowane w rozmiarach od 0,05mm do 40mm, zwykle w zestawach 0,1; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0mm. Inne grubości można uzyskać przez skręcenie kilku pierścieni w jeden zespół. W ten sposób dopasowuje się odpowiedni zestaw do pola widzenia i odległość kamery od obiektu. Należy pamiętać, że dodanie pierścieni pośrednich znaczniej grubości ma ujemny skutek, bo nie będzie można uzyskać ostrego obrazu w nieskończoność.

 

Dlaczego jakość wykonania obiektywu jest tak ważna?

Dla kamer wysoko rozdzielczych i megapixelowych jakość obiektywu ma wręcz kapitalne znaczenie. Najważniejszym parametrem jakościowym, niestety przez bardzo wielu producentów obiektywów niepodawana albo podawana nie w pełni, jest MTF (Modulation Transfer Function) -funkcja przenoszenia modulacji. Najłatwiej opisać ten parametr przez analogię do urządzeń audio i charakterystyki przenoszenia sygnału w funkcji częstotliwości. Dla optyki jest podobnie - MTF jet wartością kontrastu wyrażaną w procentach (0...100%) w funkcji gęstości linii obrazu wyrażonej w lo/mm. Przybliżoną wartość tego parametru można zmierzyć samodzielnie, wykorzystując dedykowany bądź uniwersalny obraz kontrolny i oceniając obraz uzyskany na monitorze. Ale ze względu na zbyt niską rozdzielczość powszechnie używanych monitorów, wynoszą około 30lo/mm jest to bardzo niedokładny pomiar. szczególnie że kamery, których ten temat dotyczy, mają rozdzielczość kilka razy lepszą. Lepiej wykorzystać jakieś oprogramowanie analizujące rozdzielczość obrazu uzyskanego, a nie wyświetlanego (np. Quick MTF CCTV), albo wydrukować obraz w rozdzielczości uzyskanej z kamery i porównać go z obrazem kontrolnym. Oczywiste jest, że wszystkie nastawy (pole widzenia, ostrość, przesłona, oświetlenie sceny) muszą być ustawione optymalnie. Dla różnych obiektów MTF ma różną wartość. Dość łatwo i szybko można porównać różnej klasy obiektywy na jednym stanowisku pomiarowym, ale porównanie obiektów tej samej klasy jest bardzo trudne i wymaga bardzo dużej precyzji i dużo cierpliwości.

 

 

Co warto wiedzieć o obiektywach?

Każdemu użytkownikowi zależy na tym, aby system spełniał jego oczekiwania -wszystko w polu widzenia kamery ma być widoczne w najdrobniejszych szczegółach. Nie sprosta temu nawet najlepsza kamera, jeżeli będzie wyposażona w wątpliwej jakości obiektyw. Pierwowzorem dzisiejszych kamer i aparatów fotograficznych była znana ze starożytności ciemnia optyczna (camera obscura, z łaciny -ciemna izba), którą Leonardo da Vinci w 1519 roku wzbogacił o obiektyw (niewielki otworek w jednej z sześciu ścian światłoszczelnego pomieszczenia). Otworek przepuszczał wiązkę promieni świetlnych, które na przeciwległej ścianie tworzyły obraz rzeczywisty, odwrócony. Da Vinci próbował rozjaśnić słabiutki obraz powstały w ciemni optycznej, stosując w tym celu szklaną kulę napełnioną wodą. Jej działanie było zbliżone do funkcji, jaką pełni w najprostszym układzie soczewka lub grupa soczewek, czyli obiektyw.

Stara prawda głosi, że łańcuch jest tak silny, jak jego najsłabsze ogniwo. Można założyć z dużym prawdopodobieństwem, że dobry obiektyw jest w stanie zredukować ułomność słabszej kamery. Na co wobec tego należy zwrócić szczególną uwagę? Aby ułatwić to zadanie, postaram się przedstawić kilka podstawowych zasad, które mogą okazać się pomocne przy wyborze odpowiedniego obiektywu. Ograniczę się przy tym do praktycznych porad, tak aby nie robić z tego artykułu wykładu z optyki (dział fizyki zajmujący się światłem od podczerwieni do ultrafioletu). Polecam za to osobom niewtajemniczonym i nieobeznanym z obiektywami zapoznać się przed lekturą dalszej części artykułu z tabelą skrótów terminów.

 

Teoria

Na początek podstawowe parametry charakteryzujące obiektywy CCTV. Ogniskowa obiektywu (f) jest to odległość pomiędzy jego ogniskiem a punktem głównym (rys.1). Wielkość ta wyrażana jest w [mm] i określa kąt widzenia obiektywu dla danego formatu przetwornika kamery. Obiektyw z punktu widzenia fizyki jest układem optycznym, czyli zbiorem elementów optycznych ( w tym przypadku soczewek) służącym do tworzenia obrazów. Ognisko (F) w optyce to wyróżniony punkt układu optycznego. Umieszczone w ognisku nieskończenie małe źródło światła wytwarza (po przejściu światła przez układ optyczny) równoległą wiązkę światła.

 

Przekątna przetwornika określa, dla którego z przetworników znormalizowany jest dany obiektyw. Przy czym dopuszczalne jest stosowanie obiektywu normalizowanego do większego przetwornika w kamerze o mniejszym przetworniku, ale nie odwrotnie (rys.2). Apertura obiektywu jest to parametr określający, ile światł dociera do przetwornika.

 

Każy obiektyw tłumi pewną ilość światła i tylko jakaś jego część dociera do przetwornika. obiektyw ma pewien. zakres apretury, który regulowany jest przesłoną (rys.3). Jasność obiektywu określa wartość apertury przy maksymalnie otwartej przesłonie. regulacja przesłony ma również wpływ na tzw. głębię ostrości.

 

Czytelnicy, którzy mają do czynienia z fotografiką, doskonale to rozumieją. Im bardziej zamknięta jest przesłona, tym większą osiągamy głębię ostrości, czyli przedmioty znajdujące się w różnej odległości od kamery będą ostre na ekranie monitora (rys.4).

W przypadku maksymalnie otwartej przesłony ostre będą przedmioty znajdujące się w określonej odległości, dlatego ważne jest, aby ilość światła w polu widzenia kamery była jak największa szczególnie w nocy. Warto dodać, że obiektywy szerokokątne charakteryzują się większą głębią ostrości niż teleobiektywy. Obiektywy przeznaczone dla kamer instalowanych w miejscu o zmiennym oświetleniu (głównie kamery zewnętrzne) dają możliwości automatycznej regulacji otwarcia przesłony w zależności od natężenia oświetlenia sceny przed kamerą. Funkcja ta jest oznaczona symbolem AI (Auto Iris - automatyczna przesłona).

 

Możemy spotkać dwa rodzaje sterowania przesłoną. Pierwszy - tzw. Video Drive (lub Video Irys) - wykorzystuje sygnał wizyjny jako sygnał odniesienia. Elektronika obiektywu analizuje poziom tego sygnału i w zależności od jego wartości przesłona jest otwierana lub przymykana. Obiektywy z tego typu sterowaniem mają dwa potencjometry regulacyjne, umożliwiające ustawienie poziomu czułości reagowania przesłony (Level) oraz regulację poziomu sterowania przesłoną w relacji do charakterystyki obrazu (ALC).

 

 

Obiektywy wyposażne w drugi rodzaj sterowania oznaczony jako Direct Drive (lub DC-Irys). Są one pozbawione elektroniki, a otwarcie przesłony regulowane jest wartością napięcia stałego bezpośrednio z kamery. Warunkiem zastosowania obiektywu z funkcją DC-Irys jest to, aby kamera była wyposażna w tego typu sterowanie. Regulacja Level i ALC w tym przypadku znajduje się w kamerze. Zdecydowana większość kamer na rynku daje możliwość obsługi obu rodzajów obiektywów AI. Zastosowanie obiektywów AI w miejscach o zmiennym oświetleniu jest podyktowane tym, że dynamika i precyzja TZW. elektronicznej przesłny (funkcja kamery polegająca na zmianie czułości przetwornika w zależności od natężenia padającego na niego światła) jest zdecydowanie słabsza w porównaniu z funkcją Auto Iris. Elektroniczna przesłona sprawdza się natomiast w kamerach wyposażonych w obiektywy z ręcznie ustawioną przesłoną, zainstalowanych w miejscach o w miarę stałym oświetleniu.

 

Obiektyw opisuje również arametr określający sposób montażu. W systemach CCTV są spotykane dwa rodzaje -C i CS. Oba charakteryzuje ten sam gwint (rys.5). Obiektyw typu C można instalować w kamerach z mocowaniem typu C i CS, przy czym w drugim przypadku wymagany jest pierścień dystansowy (5mm, zwykle dostarczany razem z kamerą).

Obiektywy nie są pozbawione wad, a ich największą niedoskonałością jest aberracja chromatyczna i sferyczna. Aberracja łuków optycznych powoduje zniekształcenia, zabarwienia lub nieostrość obrazów uzyskiwanych za ich pomocą (rys.6) Nowoczesne obiektywy renomowanych producentów mają kompensację aberracji nie tylko w zakresie światła widzialnego, ale również bliskiej podczerwieni (aberracja chromatyczna). Kompensacja jest realizowana przez zastosowanie specjalnych obiektywów asymetrycznych lub tworzone są układy złożone z kilku soczewek o odpowiednio dobranych parametrach krzywizn i współczynników załamania światła tak aby wady powstające w kolejnych soczewkach były wzajemnie przeciwstawne.

Inną wadą jest odbijanie się śiatł od powierzchni poszczegónych soczewek oraz innych elementów układu optycznego, co może prowadzić do interferencji światła wewnątrz obiektywu i powstawania rozbłysków lub cieni mających duży wpływ na dokładność odwzorowania obrazu. Odbicia minimalizuje się poprzez pokrywanie elementów obiektywu specjalnymi powłokami antyrefleksyjnymi oraz odpowiednie projektowanie układów optycznych. Nie sposób nie wspomnieć tutaj o obiektywach wyposażonych w silniki umożliwiające operatorowi systemu zdalne sterowanie takimi funkcjami, jak ostrość, zbliżenie i w przypadku obiektywów bez Auto Irisu również przesłoną. Obiektywy nazywane są motozoomem i najczęściej są elementem wyposażenia kamer ruchomych. tego typu obiektywy mają wszystkie zintegrowane kamery szybkoobrotowe.

Praktyka

Dobór odpowiedniego obiektywu należy zacząć od określenia, w jakich warunkach oś lenia będzie pracować kamera. Wewnątrz obiektów, przy sztucznym, niezmiennym w ciągu doby oświetleniu, może zastosować tańszy obiektyw z ręcznie regulowaną przesłoną. Z ewentualnymi niewielkimi zmianami natężenia światła z powodzeniem poradzi sobie elektronika kamery (elektroniczna przesłona). W przypadku dużych dobowych zmian oświetlenia (wewnątrz i na zewnątrz obiektów) konieczne jest stosowanie obiektywów AI (VD lub DD -warunki wyboru to cena i obsługa przez kamerę danego typu AI). Instalacja w takim przypadku kamery z obiektywem z ręczną przesłoną wymagałaby maksymalnego otwarcia przesłony, tak aby w dzień i w nocy kamera widziała w miarę dobrze. przez to głębia ostrości będzie minimalna. Zastosowanie obiektywu Auto Iris pozwoli na zwiększenie głębi ostrości w dzień. UWAGA-jeżli instalacja kamery przebiega w dzień, należy ostrość ustawiać przy maksymalnie otwartej przesłonie. Niezastosowanie się do tej zasady może powodować, że w nocy obraz z kamery będzie zupełnie nieostry. W przypadku obiektywów z AI, aby ułatwić ustawienie ostrości przy maksymalnie otwartej przesłonie można zastosować filtr szary, następnie możemy wyregulować ustawienia przesłony -Level i ALC. Zawsze można skorygować ustawienia ostrości po zmroku. Regulacja ostrości polega na zmianie położenia ogniska obiektywu w odniesieniu do przetwornika. Czasem mimo regulacji ostrości w obiektywie nie można uzyskać ostrego obrazu. Najczęściej występuje to w skrajnych położeniach regulacji ostrości obiektywu. W takim wypadku należy ustawić tzw. back focus. Kolejną rzeczą jest określenie kąta widzenia kamery oraz szczegóły, jakie muszą być rozpoznawalne na ekranie monitora. Należy przy tym pamiętać, że nie tylko ogniskowa obiektywu ma wpływ na kąt widzenia kamery, ale również rozmiar przetwornika. Obiektywy o jednakowej ogniskowej, ale normalizowane do różnych przetworników, będą różnić się kątem widzenia (rys.2) Posługiwanie się kątem widzenia jako parametrem nie zawsze daje wyobrażenie tego, co w rzeczywistości będzie znajdować się na monitorze, dlatego prostsze i bardziej obrazowe jest posługiwanie się wymiarami (szerokość i wysokość) przestrzeni widzianej przez kamerę z określone odległości, czyli tzw. pola widzenia. Znając rozmiar przetwornika (rys.7) ogniskową obiektu oraz odległość od kamery, możemy z prostych zależności matematycznych wyliczyć wymiary pola widzenia (rys.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Przekształcenie powyższych zależności do następująj postaci: jest bardzo praktyczne dla instalatora, ponieważ umożliwia wyznaczenie ogniskowej obiektywu, jaka będzie niezbędna aby kamera z określonej odległości widział interesujące nas szczegóły. Warto przypomnieć, że im większe pole widzenia, tym mniej dokładny obraz z kamery i nie zawsze wystarczy zastosowanie w systemie monitoringu kilku kamer z szerokokątnymi obiektywami. Na rynku jest duży wybór obiektywów z ręcznie regulowaną ogniskową o bardzo dobrych parametrach i przystępnych cenach. Czasem warto zastosować tego typu obiektyw, który umożliwia ustawienie pola widzenia w trakcie instalacji. Wcześniej należy określić interesujący nas zakres regulacji, tak aby końcowy efekt był jak najbliższy wcześniejszym założeniom.

Przy wyborze obiektywu warto też zwrócić uwagę na aperturę obiektywu i zakres jej regulacji. Im mniejszą wartość reprezentuje ten parametr, tym większa ilość światła dotrze do przetwornika kamery przy maksymalnie otwartej przesłonie. Parametr ten jest szczególnie ważny dla kamer obserwujących obszar słabo oświetlony, zwłaszcza w nocy. Dodatkowo producenci kamer podają ich czułość w odniesieniu do określonej wartości apertury obiektywu, wobec czego zastosowanie obiektywu o mniejszej jasności spowoduje, że czułość kamery będzie niższa. Pamiętajmy również o jakości wykonania obiektywu i kompensacji aberracji, zwłaszcza dla zakresu podczerwieni, jeżeli obiektyw ma być wykorzystany do współpracy z kamerami cz/b i dualnymi (dzień/noc). Nie bez znaczenia są filtry. Wcześniej wspominany filtr szary umożliwia regulację ostrości obiektywów, gdy jasność obrazu jest zbyt duża (pozwala na maksymalne otwarcie przesłony). filtry polaryzacyjne przepuszczają światło tylko o określonej polaryzacji, dzięki czemu umożliwiają redukcję różnego rodzaju odblasków i refleksów (głównie od płaskich powierzchni). Obrót filtra pozwala na ustawienie go w pozycji, w której światło odbite wywołujące blask zostanie wytłumione. Zastosowanie znajdują również filtry IR ograniczające wpływ światła z zakresu podczerwieni na odwzorowanie kolorów oraz automatykę obiektywu, zwłaszcza w dzień. Nie należy lekceważyć żadnego z elementów systemu CCTV, a jeżeli decydujemy się na profesjonalne rozwiązania, musimy zadbać aby wszystkie urządzenia miały zbliżone parametry odpowiadające naszym oczekiwaniom. Pamiętajmy zwłaszcza o obiektywach, które są przecież na początku łańcucha systemu nadzoru CCTV, ponieważ bardzo łatwo możemy zniweczyć końcowy efekt, stosując obiektywy o marnej jakości.