Трансфокатор – не панацея, а выход из положения.
Сразу оговорюсь, что в данном случае под понятием «трансфокатор» будем понимать вариообъектив (с переменным фокусным расстоянием) с сервоуправлением, ибо существует и имеет право на жизнь термин «ручной трансфокатор».
Это магическое слово – ZOOM. Да еще написанное сплошь заглавными буквами в прайс-листах некоторых фирм. За ним следует число кратности – 6 (так себе), 12 (уже лучше), 20 (здорово!), 34 (круто!) и т. д. Правда, цена тоже изменяется в разы. Но уж если заказчика удалось уговорить на деньги, то… И вот тут вместо кажущегося на первый взгляд решения всех проблем вдруг начинают появляться новые, приче, одна за одной. И чем круче трансфокатор (чем больше его максимальное фокусное расстояние), тем круче и проблемы. Посему речь пойдет именно о трансфокаторах длиннофокусных.
Прежде чем рассматривать специфику длиннофокусного объектива вообще и длиннофокусного трансфокатора (позволю себе так его называть, подразумевая под этим термином трансфокатор, у которого максимальное фокусное расстояние где-нибудь от 150 мм и более), давать рекомендации по применению, предлагаю читателю (потребителю, инсталлятору и т. п.) попробовать самостоятельно ответить на ряд вопросов.
Почему самый массовый стандарт объективов на рынке – 3,5–4,5 мм; именно такими объективами комплектуются «по умолчанию» практически все бескорпусные камеры?
Почему Голливуд строит на съемочных площадках практически железнодорожные пути и специальные кран-стрелы для перемещения камер, стоимостью в сотни раз превосходящие самые-самые трансфокаторы? И как утомительно бывает смотреть любительские видеофильмы, когда оператор увлечен непрерывной работой с трансфокатором да еще при этом не останавливает съемку в момент изменения масштаба? Почему, например, компания ВВС в «Живой природе» снимает всяких змей, крокодилов, бегемотов практически в упор, а не с расстояния в 200–300 м? Не нашлось денег на приличный трансфокатор?
Почему не существует оптических прицелов «широкого потребления» с кратностью больше 8? (Казалось бы, сделай 40–50-кратный прицел, и каждый станет снайпером, не надо заниматься очень дорогостоящей специальной подготовкой людей.) Таких вопросов можно придумать еще очень много, и все они напрямую связаны с большим фокусным расстоянием, с переменным фокусным расстоянием и проблемами, с этим связанными.
В любом приличном пособии по кинофотосъемке, справочниках по объективам отмечается (по крайней мере, раньше отмечалось), что разрешающая способность трансфокатора всегда хуже стационарного объектива. И это понятно. Сделать высокую разрешающую способность оптической системы, имеющей в своем составе линзы, не фиксированные в одном строго определенном положении, весьма непросто. Так, если разрешение приличного фотообъектива с фиксированным фокусным расстоянием составляет около 50 линий/мм в центре и 40–45 по периферии, то трансфокатор с разрешением ~ 28–35 линий/мм в центре – это хороший трансфокатор. На разрешение аналоговой видеокамеры это повлияет относительно меньше, хотя и это надо иметь в виду, особенно при больших фокусных расстояниях трансфокаторов, когда разница разрешающей способности от центра объектива к его периферии начинает стремительно падать (объект идентификации необходимо «загонять» в самый центр экрана).
Если же говорить о стремительно наполняющих рынок мегапиксельных камерах, то пренебрежение разрешающей способностью объектива может свести на нет все те преимущества, ради которых не только приобреталась собственно мегапиксельная камера, но и строилась вся IP- система. Не случайно появился даже отдельный термин на рынке «мегапиксельный объектив». Кстати, термин достаточно вольный. Разрешающая способность объектива имеет вполне конкретную числовую величину, а не всего две градации – «мега» и «не мега». Попутно замечу, что ни в одной рекламной (и нерекламной) информации по объективам такой характеристики, как разрешающая способность собственно объектива), лично я на нашем рынке не встречал. А жаль. Можно было бы сравнивать не только по цене.
Рис. 1. Зависимость глубины резкости от фокусного расстояния.
Вторая проблема больших фокусных расстояний трансфокатора – малая глубина резкости – касается нас напрямую. Можно, конечно, просто продекларировать, что чем больше фокусное расстояние, тем меньше глубина резкости. Правда, что просто декларируется, то нередко также просто забывается. А поскольку этот момент достаточно важный, имеет смысл наглядно проиллюстрировать его (рис. 1).
Есть некий объект АВ. Есть объектив с переменным фокусным расстоянием. При фокусном расстоянии f1 имеем изображение объекта A1B1, при фокусном расстоянии f2 – A2B2. f2 явно (приблизительно в 3 раза) больше f1; естественно, масштаб изображения А2В2 существенно больше масштаба A1B1.
В системах видеоконтроля наблюдение ведется в основном за движущимися объектами. Представим, что наш объект АВ сместился по направлению оптической оси объектива (приблизился) на некое расстояние d (положение А’В’). Построим новые изображения объекта А’В’ при f1 и f2 – A1’B1′ и А2’В2′ соответственно. Изображение A1’B1′ сместилось от своего первоначального положения A1B1 на расстояние d1, а А2’В2′ сместилось относительно А2В2 на расстояние d2. Для получения четкого изображения объекта матрица видеокамеры тоже должна быть перемещена (фокусировка изображения) в первом случае на расстояние d1, а во втором – на d2. Очевидно, что в данном случае d2 существенно больше d1. Возможно, что в конкретном случае фокусировки для f1 вообще не потребуется (например, условия освещенности вызовут закрытие диафрагмы, которое полностью обеспечат необходимую глубину резкости). Для фокусного расстояния f2 в данном случае это вряд ли возможно. Придется фокусировать.
Если объект располагается, как принято говорить, в бесконечности (для длиннофокусных объективов это расстояние ~ не менее 200 f), изображение располагается в фокальной плоскости, и при перемещениях объекта на удалениях, больших «бесконечности», дополнительной фокусировки не потребуется. Во всех других случаях требуется практически непрерывная подстройка резкости при движении объекта, причем тем в большей степени, чем ближе объект находится от объектива (напомню основную формулу линзы: l/d1+l/d2 = 1/f, где d1 – расстояние от объекта до оптического центра; d2 – расстояние от оптического центра до плоскости изображения (матрицы); f – фокусное расстояние объектива). Так что если вы пытаетесь рассмотреть с помощью длиннофокусного трансфокатора (например, при фокусе в 200 мм) лицо человека, входящего в ворота двора на расстоянии 40–50 м от камеры, или прочесть номер въезжающего автомобиля, сделать это достаточно не просто.
Справедливости ради заметим, что основная масса трансфокаторов с большими предельными фокусными расстояниями устанавливается на расстояниях до объекта, укладывающихся в понятие «бесконечности», проблема глубины резкости не является столь массовой. Но помнить об этом и понимать физику процесса имеет смысл всегда. Следующий момент, который не стоит обходить вниманием, – светосила объектива, которая определяется относительным отверстием – отношением эффективного диаметра к фокусному расстоянию 1/F. На практике оперируют обратной величиной F.
Чем больше эта цифра, тем меньший световой поток попадет на матрицу.
Что касается трансфокатора, то чувствительность видеокамеры указывается для какого-то конкретного значения F. Естественно, максимальной светосилой трансфокатор обладает на минимальном значении фокусного расстояния. Если это значение не совпадает с величиной относительного отверстия, для которого указана чувствительность видеокамеры, она может быть легко переведена для конкретного значения F. Но с увеличением фокусного расстояния величина F будет увеличиваться пропорционально увеличению фокусного расстояния, а чувствительность видеокамеры «в сборе», соответственно, падать. Какова кратность трансфокатора, такова и кратность падения чувствительности на максимальных фокусных расстояниях.
Теперь о самом критичном моменте. В 99 случаях из 100 длиннофокусные трансфокаторы призваны работать на дальностях, нередко исчисляемых сотнями метров. В 99,9 случая из 100 они установлены на поворотных устройствах. Управление, естественно, с пульта. Обратная связь – через изображение на мониторе. И в 99 случаях из 100 заказчик возлагает на трансфокатор специальные, а то и уникальные задачи, далекие от задач простого обнаружения объекта. Сплошь и рядом это задачи, например, идентификации личности. Давайте попробуем проанализировать такую ситуацию.
Допустим, что с расстояния 100 м необходимо идентифицировать личность незнакомого человека в объеме, необходимом для дальнейшего его однозначного опознания (задача из реальной жизни). То есть необходимо обеспечить поле зрения ~2 м. Получаем, что для формата матрицы 1/3 дюйма необходимо фокусное расстояние объектива ~200 мм. Угол обзора такого объектива составит 1,35°. Имеет смысл задуматься над этими цифрами.
Поворот оптической оси на 1′ (одну угловую минуту) эквивалентен перемещению объекта наблюдения на 2,5 см. Если возникают колебания оптической оси с такой амплитудой, то каждая точка объекта трансформируется в пятно диаметром 2,5 см. Никакой резкости изображения не может быть в принципе.
А любая неподвижность всегда относительна. Знакома ситуация, когда в доме дребезжит посуда в шкафу при забивании свай где-нибудь поблизости? Или недалеко железная дорога? Или линия метро проходит под домом? Вполне достаточно, чтобы дрожание нашего длиннофокусного объектива сказалось на резкости изображения. Если камера устанавливается на какой-либо мачте, последняя всегда имеет собственные колебания, амплитуда которых тем больше, чем выше от основания. Всегда требуется дополнительное крепление.
В абсолютном большинстве случаев такие камеры устанавливаются как всепогодные, т. е. в достаточно габаритном гермокожухе, на поворотном устройстве. При парусности гермокожуха даже небольшого ветра достаточно, чтобы вызвать его колебания в пределах люфтов поворотного устройства. А теперь возьмите любой поворотник любой фирмы и почувствуйте руками люфт в плоскостях его вращения. В большинстве случаев это будут не минуты, а градусы. Для рассматриваемого случая идентификации незнакомой личности с расстояния 100 м 1,35° – это полный уход кадра с экрана. А люфт есть даже у руля «Мерседеса». Уровень исполнения механики тех поворотников, что имеются на нашем рынке, обязывает их иметь люфт. Можно его выбрать, но при этом в любой момент можно ожидать механического заклинивания.
Современные бытовые и профессиональные видеокамеры, снабженные длиннофокусными трансфокаторами, имеют в своей электронной начинке схему компенсации дрожания, называемую системой компенсации дрожания рук. И хотя такая схема ничего особо уникального собой не представляет, найти камеры с компенсацией дрожания «в лоб» на нашем рынке мне не удалось. А жаль. Вопрос этот достаточно актуален. Кстати сказать, органы нашего зрения такую схему в своем составе имеют, причем очень высокого качества – мы совершенно четко можем видеть ситуацию в дрожащем на ходу автомобиля зеркале заднего вида. А вот на мониторе с дрожащей камеры – увы. Еще хуже ситуация будет выглядеть в записи.
Схема прямого управления поворотным устройством (коммутацией управляющих напряжений непосредственно на двигатели устройства) повлечет дополнительные серьезные трудности для оператора.
В теории стрельбы по движущимся целям есть такое понятие, как «личная ошибка» – время от выдачи мозгом команды на выстрел до непосредственно спуска курка. Так вот, в зависимости от реакции конкретного индивидуума это время составляет от 0,15 до 0,35 с. Основная масса поворотных устройств имеет скорость поворота в горизонтальной плоскости б град/с. Если предположить, что за пультом оператора сидит человек с минимальной личной ошибкой, то за 0,15 с произойдет поворот оптической оси на 0,9° Для рассматриваемого выше случая (f=200 мм, дистанция – 100 м, поле зрения по горизонтали – 2 м) промах составит 1,33 м (67% поля зрения). То есть оператор уже отключил поворот (на самом деле ему так кажется), а поворот продолжается. Прибавим еще люфт, и вполне может так случиться, что необходимая сцена полностью уйдет с экрана монитора. Умение «попадать» на больших фокусных расстояниях – это результат практических тренировок. Приходится наводить трансфокатор, так сказать, методом последовательных итераций (приближений), начиная с широкого угла. Для этого на экран монитора нередко наносится своеобразный прицел (кто рисует точку, кто – крест), соответствующий оптическому центру объектива. Хорошо, если есть возможность изменять (уменьшать) скорость поворота при работе на «длинном фокусе». При организации управления через приемники телеметрии это можно сделать за счет перехода на пошаговый алгоритм. Главное, чтобы заказчик все это понимал, а не кинулся обвинять инсталлятора в подсовывании некачественной техники.
В качестве лирического отступления. Заказчику хотелось наблюдать очень большую площадь (угол по горизонтали градусов 60) с расстояния метров 100 одной-единственной камерой. Мелкий масштаб очевиден. В ответ мне было предложено « изображение сначала укрупнить, а потом развернуть», чтобы все необходимое поле попало в экран в необходимом укрупненном масштабе. Так что лучше заказчику заранее рассказать все, что он не знает, чем потом долго выяснять с ним отношения.
Рис. 2. Влияние изменения фокусного расстояния на глубину резкости
Управляя функцией «масштаб», нажимая на кнопки пульта управления, мы с вами изменяем фокусное расстояние объектива. Неплохо представлять, как это сказывается на резкости изображения. Рассмотрим построения на (рис. 2) для общего случая, когда объект находится не в «бесконечности». d (при d положительном), и только, если объект находится в «бесконечности», будем иметь равенство этих величин. Практически это означает, что с увеличением масштаба, переходом на большие фокусные расстояния резкость будет уходить все более стремительно. Нередко такой переход приходится делать в несколько этапов, на каждом из которых фокусировать изображение. В противном случае могут даже общие контуры исчезнуть, и становится не ясно, куда наводится камера и что увидим после фокусировки. Есть и получают все большее распространение трансфокаторы с автоматической фокусировкой. Только стоит всегда помнить, что любой «автомат» имеет некий «люфт» значений, некую погрешность. Чем она меньше, тем выше цена такой техники. Если решили сэкономить, придется считаться с этой «автоматической» возможной ошибкой фокусировки.
Итак, выводы.
Всегда, если позволяют обстоятельства, объектив с фиксированным фокусным расстоянием предпочтительнее трансфокатора.
Всегда, если позволяют обстоятельства, чем ближе камера находится к объекту наблюдения, тем лучше: чем короче фокусное расстояние при том же поле зрения, тем больше угол обзора, как правило, больше разрешающая способность объектива, меньше ошибка в фокусировке, больше глубина резкости, а в конечном счете больше распознаваемость объекта. Возможно, имеет смысл установить отдельную опору для стационарной камеры, приблизив ее к объекту наблюдения, а не отыгрывать расстояние длинным фокусом. Попутно безотносительно к видеонаблюдению: когда вы фотографируете какой-нибудь чудесной «мыльницей», для размещения сцены в кадре чаще пользуйтесь ногами, реже – трансфокатором.
Задачу идентификации необязательно всякий раз решать в рамках общей системы видеоконтроля. Возможно, отдельное решение будет более эффективным.
Если все же без трансфокатора не обойтись, то воспринимать его следует не как панацею, не как универсальное решение, а как выход из положения и всегда компромисс. Главное – не наобещайте заказчику лишнего, дабы потом самому не бороться с объективными законами физики. Они все равно победят.
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
