Углы обзора и как их определить

Объективы с различным фокусным расстоянием дают различные углы обзора.

Довольно часто для оценки мы используем угол обзора по горизонтали, так как, зная его, можно определить и угол обзора по вертикали – ведь видеосигнал формируется из соотношения 4:3 и это же применимо к расчету горизонтального и вертикального углов обзора.

Вот несколько основных правил, которых следует придерживаться при анализе углов обзора:

– Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора.

– Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора.

– Чем меньше ПЗС‑матрица, тем меньше угол обзора (с тем же объективом).

– Если известен угол обзора по горизонтали, то легко определить угол обзора по вертикали.

Как уже упоминалось выше, угол около 30° считается стандартным углом зрения, каким бы ни был формат изображения. Напомним: угол в 30° принимается стандартным, потому что он соответствует нашему восприятию перспективы и тому, как видит человеческий глаз.

Ниже приведены форматы изображений и соответствующие стандартные объективы для 30° горизонтального угла обзора:

– 1 дюйм = 25 мм,

– 2/3 дюйма = 16 мм,

– 1/2 дюйма = 12 мм,

– 1/3 дюйма = 8 мм,

– 1/4 дюйма = 6 мм.

В видеонаблюдении самый большой угол зрения, предлагаемый производителями, составляет около 94°, что достигается на 4.8 мм для 2/3" ПЗС‑камеры, 3.5 мм для 1/2" и 2.8 мм для 1/3" камер (Если специально не оговаривается, то обычно речь идет об угле обзора по горизонтали. Прим. ред. ).

Есть и особые объективы, дающие угол зрения почти 180° – объективы типа «рыбий глаз», но они очень специфичны и дают только круглое (поэтому и называются «рыбий глаз») изображение на экране (внутри области изображения ПЗС‑матрицы) (Существуют электронные устройства, осуществляющую оцифровку такого изображения, а затем с помощью корректирующего алгоритма воспроизводящие изображение с приемлемым качеством. Более того, некоторые подобные приборы позволяют осуществлять электронное сканирование в пределах угла обзора, представляя собой некий аналог телекамеры на поворотном устройстве, но совершенно безынерционном. Прим. ред. ).

Объективы по фокусному расстоянию имеют только дискретные значения, т. е. нельзя заказать любое значение, например, 5.8 мм или 14 мм. Так что полезно знать наиболее распространенные фокусные расстояния объективов: 2.6 мм, 3.5 мм, 4.8 мм, 6 мм, 8 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 50 мм и 75 мм.

Некоторые производители выпускают объективы 3.7 мм вместо 3.5 мм, или 5.6 мм вместо 6 мм, но значения очень близки и практически нет никакой разницы в угле обзора.

Горизонтальные углы обзора, соответствующие приведенным выше значениям, отличаются друг от друга на 10°‑15°. Этого вполне достаточно, чтобы охватить все практические ситуации, но если вам потребуется специальное фокусное расстояние, не перечисленное выше, поинтересуйтесь у поставщика, так как некоторые производители имеют вариообъективы с ручной установкой фокусного расстояния (как с ручной диафрагмой, так и с автоматической), причем фокусное расстояние таких объективов может меняться в пределах 6‑12 мм или даже 8‑16 мм. Правда, оптические качества таких объективов не столь высоки, как у объективов с постоянным фокусным расстоянием, из‑за ограниченной точности и упрощенности движущихся элементов механизма объектива. Но опять же, качество во многих случаях – это вопрос цены.

Что же такое фокусное расстояние объектива на практике? Это, пожалуй, один из самых часто задаваемых вопросов при проектировании систем видеонаблюдения. Для определения углов обзора используются различные методы, и какой из них вы выберете – дело ваше, был бы доволен заказчик.

Ниже следует список практических методов.

Калькулятор‑видоискатель. Это обычно калькулятор круглой формы, поставляемый производителем объектива (спросите у своего поставщика); чтобы подобрать объектив, необходимо знать три вещи: размер ПЗС‑матрицы, расстояние между телекамерой и объектом и ширину объекта. Этих трех величин достаточно, чтобы калькулятор выдал фокусное расстояние в миллиметрах. Бывают калькуляторы такого же принципа в виде линейки.

Оптический видоискатель. Это устройство похоже на вариообъектив, но предназначен он не для телекамеры, а для проектировщика видеосистемы. Когда вы находитесь на месте наблюдения, вы можете вручную настраивать угол обзора в соответствии с требованиями заказчика. На шкале видоискателя указывается фокусное расстояние объектива, которое даст такой же угол обзора на конкретном типе телекамеры (2/3", 1/2" или 1/3"). Чтобы видеть так же, как «увидит» телекамера, место наблюдения должно быть выбрано как можно ближе к тому месту, где будет установлена телекамера. У этого прибора есть один недостаток: нельзя получить большой угол обзора, так как большинство оптических видоискателей обеспечивают фокусное расстояние только до 6 мм.

Рис. 3.36. Различные калькуляторы для выбора объективов

Переносная телекамера с трансфокатором (камкордер). Это довольно простой и практический метод, особенно в наше время, когда есть такой огромный выбор камкордеров с встроенными трансфокаторами. Нам необходимо знать размер ПЗС‑матрицы камкордера, чтобы соотнести его с размером ПЗС‑матрицы телекамеры в проектируемой видеосистеме. Ясно, что хорошо иметь камкордер с большим коэффициентом трансфокации, однако более важно, чтобы на его объективе были нанесены значения фокусного расстояния. Когда мы используем камкордер на месте установки телекамеры, у нас есть дополнительное преимущество: мы можем показать заказчику особенности установки и задокументировать его выбор (Более эффективным для этой цели является использование специального сервисного видеомонитора с питанием от аккумулятора и телекамеры с набором объективов, имеющих различные фокусные расстояния. Прим. ред. ).

Рис. 3.37. Оптический видоискатель для определения фокусного расстояния объектива

Использование простой формулы. Может показаться, что это самый сложный способ определения углов обзора, но на самом деле он самый простой. В этой формуле используется подобие треугольников (см. рис. 3.38). Это просто, а потому такой расчет легко выполнить в любой момент, как только возникнет такая необходимость. Единственное, что нужно помнить, это ширину ПЗС‑матрицы, которая для наиболее часто используемых телекамер соответственно равна: 6.4 мм для 1/2", 4.8 мм для 1/3", и 3.4 для 1/4" матрицы.

Эта формула дает фокусное расстояние в миллиметрах:

f =c _ПЗСd/W _ОБЪЕКТ

Рис. 3.38. К выводу простой формулы «выбора объектива»

где f – это фокусное расстояние объектива (мм), с _ПЗС – это ширина ПЗС‑матрицы (мм), d – это расстояние от телекамеры до объекта (м) и W _ОБЪЕКТ – это ширина объекта, который мы собираемся наблюдать (м).

Можно воспользоваться аналогичной формулой в том случае, когда мы хотим найти фокусное расстояние объектива, с помощью которого можно было бы видеть определенную высоту объекта, но в этом случае вместо W _ПЗС и W _ОБЪЕКТ следует использоватьh _ПЗС и h _ОБЪЕКТ, где h обозначает высоту.

Использование более сложной формулы. Эта формула даст результирующий угол обзора в градусах. Она основывается на элементарной тригонометрии и требует калькулятора или тригонометрических таблиц.

Рис. 3.39 . К выводу более сложной формулы для вычисления угла обзора объектива

а = 2arctg(W_oбъект/2d) ,

гдеa – это угол обзора (град), W_объект – ширина объекта (м) и d – расстояние до объекта (м), на который направлена телекамера.

Использование таблицы и/или графика. Ими легко пользоваться, но таблица или график всегда должны быть под рукой.

Таблица 3.1. Приблизительный горизонтальный угол обзора при различных размерах ПЗС‑матриц (в градусах)

В этой таблице даются только горизонтальные углы обзора для конкретных объективов, так как это требуется наиболее часто. Вертикальные углы легко определить, используя отношение сторон ПЗС‑матрицы, то есть разделив горизонтальный угол на 4 и умножив на 3 (С ЭТИМ нельзя согласиться, так как арктангенс является нелинейной функцией. Прим. ред. ).

(Следует отметить, что при использовании таблиц нужно применять интерполяцию, так как редко требуемое значение точно соответствует значению, указанному в таблице. С другой стороны, намного удобнее использовать специальные компьютерные программы, позволяющие автоматизировать указанные вычисления. Прим. ред. )

Во всех перечисленных методах нам приходится учитывать обратный ход разверток видеомонитора. Другими словами, большинство видеомониторов не показывает 100 % того, что видит телекамера. Обычно 10 % изображения не видно вследствие обратного хода разверток. С помощью калькулятора видоискателя можно учесть эти 10 %.

Некоторые профессиональные видеомониторы имеют опцию отображения обратного хода разверток. Если у вас есть такой видеомонитор, с его помощью вы можете оценить степень потери части изображения на обычном видеомониторе. Это очень важно знать при тестировании телекамер, о чем будет рассказано позже.