Форматы изображений и объективов в системах видеонаблюдения

Объектив «видит» объект во всех направлениях под одним и тем же углом зрения, т. е. угол обзора имеет форму конуса. Следовательно, область изображения, спроецированного объективом, имеет форму круга, однако фоточувствительная область камеры (ПЗС‑матрица в нашем случае) – прямоугольник внутри этого круга изображения.

В современном телевидении этот прямоугольник имеет соотношение сторон 4:3, т. е. стандартом является 4 части по ширине и 3 части по высоте. Как уже говорилось в начале книги, такое соотношение сторон было принято в качестве стандарта в фотографии, когда телевидение только зарождалось.

В совершенно новой системе телевидения высокой четкости (ТВЧ), которая принята с ее основными стандартами, соотношение сторон равно 16:9. Цель этого стандарта – улучшить демонстрацию кинофильмов.

«Прямоугольник изображения» находится внутри круга изображения, в котором все виды аберраций (или по меньшей мере большинство их) исправлены.

Нет никакого смысла создавать объектив, дающий намного больший круг изображения, чем требуется. Поэтому объективы изготавливаются так, чтобы соответствовать формату изображения, не менее и не более. Хотя из этого правила есть исключения, например, когда объектив изготовлен для других целей, например, для фотографии, а используется в ПЗС‑телекамерах со специальным С‑креплением.

В настоящее время в системах видеонаблюдения имеется несколько различных размеров матриц: 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма. Телекамеры высокой четкости и некоторые специальные телекамеры могут иметь матрицы в 1 дюйм и даже больше. Чтобы понять, что означает это разнообразие, нам нужно вкратце ознакомиться с историей ТВ.

Рис. 3.34. Области изображения на ПЗС‑матрице в натуральную величину

В самых первых ТВ‑камерах для получения изображения использовались электронные трубки определенного диаметра, их называли 1‑дюймовый видикон или 2/3‑дюймовый ньювикон. Эти размеры соответствовали действительному диаметру трубки. Область изображения – прямоугольник с отношением сторон 4:3, и диагональ этого прямоугольника меньше действительного диаметра трубки, так как она определялась размером фоточувствительной области трубки (называемой мишень). Когда электронный пучок сканирует область изображения, он не заходит на края трубки. Поэтому камера с 2/3‑дюймовой трубкой имеет область изображения примерно 8.8x6.6 мм, сканируемую электронным лучом. Длина диагонали этой области равна примерно 11 мм. Это не равно 2/3 дюйма, так как 2/3 дюйма равно 17 мм. Так что не следует думать, что указанный размер ПЗС‑матрицы точно соответствует ее реальному размеру, как, например, с ТВ‑экранами, где размер кинескопа и есть его размер по диагонали.

Рис. 3.35. Сравнение передающей трубки и ЛЗС‑матрицы

Когда мы говорим о ПЗС‑матрице в 2/3 дюйма, мы в действительности имеем в виду устройство, которое имеет такой размер изображения, которое бы имела 2/3‑дюймовая трубка.

В то время, когда в системах видеонаблюдения появились первые ПЗС‑телекамеры, наиболее популярны были ТВ‑камеры с передающей трубкой размером 2/3 дюйма. Область изображения такой трубки, как выше упоминалось, равна 8.8 х 6.6 мм, а спроектированные в то время ПЗС‑матрицы имели такой же размер области изображения и они были названы 2/3‑дюймовыми ПЗС‑матрицами. Идея заключалась в том, чтобы использовать такие же объективы, как и в ТВ‑камерах с трубками.

По мере развития технологий ПЗС‑матрицы стали меньше, и новые матрицы в 1/2 дюйма стали давать область изображения только 6.4 х 4.8 мм. Совместимость с 2/3‑дюймовыми объективами сохранилась (использовалось то же С‑крепление), но, естественно, изменился угол обзора, то есть он стал уже по сравнению с тем углом обзора, который дает такой тип объектива на 2/3‑дюймовой телекамере.

Итак, новые объективы были предназначены для 1/2" ПЗС‑матриц с меньшей областью изображения, чем у 2/3" ПЗС‑матриц. Другими словами, из‑за уменьшения области изображения, объективы проектировались с требуемым фокусным расстоянием, но с меньшим кругом проекции изображения, то есть с диаметром круга, достаточным для покрытия 1/2" ПЗС‑матрицы, но недостаточным для покрытия ПЗС‑матрицы 2/3". Этот новый тип объективов стали называть 1/2" объективами. Они также имеют кольцо С‑крепления, но они меньше и вследствие этого дешевле, чем их 2/3" аналоги.

То же сейчас происходит и с 1/3" ПЗС‑матрицами, проектируются 1/3" объективы, дающие круг изображения с диаметром, достаточным для покрытия только 1/3" матрицы.

Очевидно, что если 1/3" объектив использовать с 1/2" матрицей, то мы столкнемся с такой проблемой: углы изображения будут отсечены (представьте себе прямоугольник и внутри него круг меньшего диаметра).

То же произойдет, если 1/2" объектив использовать с 2/3" матрицей. Однако, если больший объектив использовать с меньшей ПЗС‑матрицей, проблем не будет. Так как объектив большего формата спроецирует круг изображения значительно больший, чем действительный размер ПЗС‑матрицы, то никакие углы не отсекутся и не будет никаких иных деформаций.

Все же следует принять во внимание, что уменьшение области, на которую проецируется изображение, может привести к относительному уменьшению разрешения, так как будет использоваться меньшая область (см. обсуждение ФПМ и ЧКХ). Кроме того, избыточный свет вокруг матрицы (если используется объектив большего формата) может отражаться от внутренних поверхностей объектива и ПЗС‑блока, и если поверхности недостаточно поглощают свет черным матовым покрытием, то это скажется на качестве изображения.