Глубина резкости

Теоретически при фокусировке на объект вся плоскость, проходящая через объект и перпендикулярная оптической оси, должна быть в фокусе.

Практически, объекты, находящиеся немного впереди и позади объекта в фокусе, тоже будут резкими. Эта «дополнительная» ширина зоны резкости и называется глубиной резкости.

Большая глубина резкости может быть нежелательной характеристикой, как, например, в фотографии, когда мы хотим, чтобы фотографируемый объект был отделен от переднего или заднего плана. Это очень характерно для портретной съемки телеобъективом, у которого глубина резкости невелика.

В системах видеонаблюдения, однако, часто требуется противоположный эффект. Мы хотим, чтобы как можно больше объектов было в фокусе, независимо от того, где в действительности расположена фокальная плоскость.

Глубина резкости зависит от фокусного расстояния объектива, F‑числа и формата объектива (2/3", 1/2" и т. д.). Общее правило заключается в следующем: чем меньше фокусное расстояние, тем больше глубина резкости; чем больше значение числа F, тем больше глубина резкости, и чем меньше формат объектива, тем больше глубина резкости.

Эффект глубины резкости объясняется так называемым допустимым пятном рассеяния.

Рис. 3.23. Глубина резкости при различных значениях числа F Например, если объектив 16 мм/1.4 имеет пропускание 96 %, то Т‑число будет равно 1.43.

Рис. 3.24. Объяснение глубины резкости

Допустимое пятно рассеяния – это пятно проекции зоны резкости. Если наименьший элемент изображения (пиксел) ПЗС‑матрицы равен или больше допустимого пятна рассеяния, то, понятно, мы не сможем увидеть детали, меньшие этого пятна. Другими словами, все объекты и их детали, в пределах пятна, будут выглядеть одинаково резкими, так как это реальный размер пиксела. Отсюда понятно, что размер допустимого пятна рассеяния для телекамеры определяется размерами пиксела ПЗС‑матрицы, другими словами, разрешающей способностью ПЗС‑матрицы.

Теперь мы можем понять, почему некоторые короткофокусные объективы, используемые в системах видеонаблюдения (например, 2.6 мм или 3.5 мм), вообще не имеют фокусировочного кольца, а только регулировку диафрагмы. Это потому, что даже при наименьших для данного объектива F‑числах (будь то 1.4 или 1.8), глубина резкости столь велика, что объектив действительно дает резкие изображения с практически любого расстояния: от нескольких сантиметров до бесконечности. Здесь действительно нет необходимости в фокусировке.

Как будет объяснено позже в этой книге, глубина резкости – это эффект, о котором мы ни в коем случае не должны забывать, особенно при регулировке так называемого заднего фокуса (back‑focus ). Если задний фокус не настроен должным образом, и телекамера установлена при дневном свете (т. е. автодиафрагма объектива максимально прикрывает отверстие от избыточного света), глубина резкости обеспечит резкость даже в тех областях, которые на самом деле не в фокусе.

Практический опыт показывает, что глубина резкости в таком случае (когда задний фокус настроен некорректно) – это самый большой источник разочарования при 24‑часовом функционировании системы. Причины становятся очевидны ночью, когда отверстие диафрагмы раскрывается из‑за низкого уровня освещенности (при условии нормального функционирования автодиафрагмы), глубина резкости снижается, и получаются несфокусированные изображения, несмотря на то, что днем они были в фокусе. Не понимая причин этой проблемы, оператор жалуется специалистам, установившим или обслуживающим систему, но они обычно наносят визит в дневное время. Понятно, что днем благодаря большой глубине резкости никаких проблем не будет, а вот ночью опять проявятся «необъяснимые» эффекты.

Рис. 3.25. Фотографии с низким и высоким значением числа F (объектив сфокусирован на центральный объект)

Мораль отсюда такова: регулировка заднего фокуса (это мы тоже обсудим позже) должна быть проведена при полном раскрытии диафрагмы. Самый простой способ получить максимальное отверстие – настраивать при малом уровне света, что доступно вечером (или ночью), или можно искусственно снизить количество дневного света при помощи внешнего фильтра нейтральной плотности (ND) (обычно его помещают перед объективом). Все это делается ради того, чтобы уменьшить глубину резкости и таким образом сделать регулировку заднего фокуса проще и точнее.

Довольно часто при использовании черно‑белых телекамер с инфракрасным светом возникает другой эффект. Из‑за того, что инфракрасный свет имеет довольно большую длину волны (по сравнению с обычным светом) и меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного изображения размещается немного позади плоскости ПЗС‑матрицы. Для дальнейшего пояснения феномена сошлемся на раздел разложение света призмой. Если днем изображение резкое, то в ночное время объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. Это довольно заметный и нежелательный эффект. Чтобы минимизировать его, необходим специальный объектив с компенсацией инфракрасного света (некоторые производители для этой цели выпускают специальные стеклянные линзы). Однако, вот более практичное и общее решение: настроить задний фокус объектива телекамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а объекты – в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете.