Zoom no es una panacea, sino una salida.

Zoom no es una panacea, sino una salida.

Haré una reserva de inmediato: en este caso, bajo el concepto de «lente con zoom» nos referimos a una lente varifocal (con distancia focal variable) con servocontrol, porque existe y tiene derecho al término de vida «zoom manual».

Esta palabra mágica es ZOOM. Además, en las listas de precios de algunas empresas aparece escrito íntegramente en mayúsculas. Le sigue el número de múltiplos: 6 (más o menos), 12 (mejor), 20 (¡genial!), 34 (¡genial!), etc. Es cierto que el precio también cambia significativamente. Pero si el cliente fue persuadido a dar dinero, entonces… Y aquí, en lugar de una solución a todos los problemas que parece a primera vista, de repente comienzan a aparecer otros nuevos, uno tras otro. Y cuanto más pronunciado sea el zoom (cuanto mayor sea su distancia focal máxima), mayores serán los problemas. Por tanto, hablaremos concretamente de los zooms de enfoque largo.
Antes de considerar los detalles de un objetivo de enfoque largo en general y un objetivo zoom de enfoque largo (permítanme llamarlo así, entendiendo por este término un objetivo zoom cuya longitud focal máxima es de 150 mm o más), dar recomendaciones para uso, sugiero al lector (consumidor, instalador, etc.) que intente responder una serie de preguntas usted mismo.
¿Por qué el estándar de lente más popular del mercado es de 3,5 a 4,5 mm; ¿Son estos los lentes con los que casi todas las cámaras sin marco están equipadas por defecto?
¿Por qué Hollywood construye prácticamente vías de ferrocarril y grúas especiales en los sets de filmación para mover cámaras que cuestan cientos de veces más que los mejores lentes de zoom? ¿Y qué tan agotador puede ser ver videos de aficionados cuando el operador está ocupado trabajando continuamente con el lente de zoom y no deja de filmar en el momento de hacer zoom? ¿Por qué, por ejemplo, en la película de la BBC «Wildlife» se filman todo tipo de serpientes, cocodrilos e hipopótamos casi a quemarropa y no desde una distancia de 200 a 300 m? ¿No tienes dinero para un objetivo zoom decente?
¿Por qué no existen miras ópticas de “uso común” con un aumento superior a 8? (Parecería que si construyes una mira de 40-50x, todos se convertirán en francotiradores; no es necesario realizar un entrenamiento especial muy costoso de personas). Hay muchas más preguntas de este tipo en las que se pueden pensar, y todas Están directamente relacionados con distancias focales largas, distancias focales variables y problemas asociados con esto.
Cualquier manual decente sobre fotografía cinematográfica o libros de referencia sobre lentes señala (al menos solía notarse) que la resolución de una lente con zoom es siempre peor que la de una lente estacionaria. Y esto es comprensible. Es muy difícil lograr una alta resolución en un sistema óptico que contiene lentes que no están fijadas en una posición estrictamente definida. Entonces, si la resolución de una lente fotográfica decente con una distancia focal fija es de aproximadamente 50 líneas/mm en el centro y 40–45 a lo largo de la periferia, entonces una lente de zoom con una resolución de ~ 28–35 líneas/mm en el centro Es un buen objetivo zoom. Esto afectará relativamente menos a la resolución de una cámara de vídeo analógica, aunque hay que tenerlo en cuenta, especialmente con grandes distancias focales de zoom, cuando la diferencia de resolución desde el centro de la lente hasta su periferia comienza a disminuir rápidamente (la identificación El objeto debe ser “conducido” hasta el centro de la pantalla).
Si hablamos de cámaras de megapíxeles que están llenando rápidamente el mercado, descuidar la resolución de la lente puede anular todas esas ventajas para las cuales no solo se compró la cámara de megapíxeles, sino también todo el sistema IP. No es casualidad que incluso apareciera en el mercado el término específico «lente megapíxel». Por cierto, el término es bastante vago. La resolución de la lente tiene un valor numérico muy específico, y no solo dos gradaciones: «mega» y «no mega». De paso, señalaré que personalmente no he visto una característica como la resolución de la lente en ninguna información publicitaria (o no publicitaria) sobre lentes en nuestro mercado. Es una pena. Sería posible comparar no solo por el precio.

Fig. 1. Dependencia de la profundidad de campo de la distancia focal.

El segundo problema con las distancias focales de zoom largas (la poca profundidad de campo) nos concierne directamente. Por supuesto, puede simplemente declarar que cuanto mayor sea la distancia focal, menor será la profundidad de campo. Es cierto que lo que simplemente se declara muchas veces simplemente se olvida. Y dado que este punto es bastante importante, tiene sentido ilustrarlo claramente (Fig. 1).
Hay cierto objeto AB. Hay una lente con distancia focal variable. En la distancia focal f1 tenemos una imagen del objeto A1B1, en la distancia focal f2 – A2B2. f2 es claramente (aproximadamente 3 veces) mayor que f1; Naturalmente, la escala de la imagen A2B2 es significativamente mayor que la escala de A1B1.
En los sistemas de videovigilancia la vigilancia se realiza principalmente de objetos en movimiento. Imaginemos que nuestro objeto AB se ha desplazado a lo largo del eje óptico de la lente (se ha acercado) a una cierta distancia d (posición A’B’). Construyamos nuevas imágenes del objeto A’B’ para f1 y f2 – A1’B1′ y A2’B2′ respectivamente. Imagen A1’B1′ se ha desplazado de su posición original A1B1 a una distancia d1, y A2’B2′ desplazado con respecto a A2B2 una distancia d2. Para obtener una imagen clara del objeto, la matriz de la cámara de vídeo también debe moverse (enfoque de imagen) en el primer caso a una distancia d1, y en el segundo, a d2. Obviamente, en este caso d2 es significativamente mayor que d1. Es posible que, en un caso particular, no sea necesario enfocar en f1 (por ejemplo, las condiciones de iluminación harán que la apertura se cierre, lo que proporcionará completamente la profundidad de campo requerida). En este caso esto es prácticamente imposible con una distancia focal f2. Tendremos que concentrarnos.
Si el objeto está ubicado, como dicen, en el infinito (para lentes de enfoque largo esta distancia es ~ al menos 200 f), la imagen está ubicada en el plano focal, y cuando el objeto se mueve a distancias mayores que el “infinito”, No será necesario un enfoque adicional. En todos los demás casos, se requiere un ajuste casi continuo de la nitidez cuando el objeto se mueve y, en mayor medida, cuanto más cerca esté el objeto de la lente (permítanme recordarles la fórmula básica de la lente: l/d1+l/d2 = 1/f, donde d1 es la distancia desde el objeto al centro óptico; d2 – distancia desde el centro óptico al plano de la imagen (matriz f – distancia focal de la lente); Por lo tanto, si intenta ver el rostro de una persona que entra por la puerta de un patio a una distancia de 40 a 50 m de la cámara utilizando un objetivo zoom de enfoque largo (por ejemplo, con un enfoque de 200 mm), o para leer el matrícula de un coche que entra, esto no es fácil de hacer.
Para ser justos, observamos que la mayoría de los zooms con grandes distancias focales máximas se instalan a distancias del objeto que encajan en el concepto de “infinito”; el problema de la profundidad de campo no está tan extendido; Pero siempre tiene sentido recordar esto y comprender la física del proceso. El siguiente punto que no se debe ignorar es la apertura de la lente, que está determinada por la apertura relativa: la relación entre el diámetro efectivo y la distancia focal 1/F. En la práctica, operan con el valor recíproco de F.
Cuanto mayor sea esta cifra, menos flujo de luz incidirá en la matriz.
En cuanto al objetivo zoom, la sensibilidad de la cámara de vídeo se indica para un valor F específico. Naturalmente, el objetivo zoom tiene su apertura máxima en el valor mínimo de distancia focal. Si este valor no coincide con el valor de la apertura relativa para la cual se indica la sensibilidad de la cámara de video, se puede convertir fácilmente a un valor específico F. Pero al aumentar la distancia focal, el valor de F aumentará en proporción a el aumento de la distancia focal y la sensibilidad de la cámara de vídeo «ensamblada» disminuyen en consecuencia. ¿Cuál es la relación de zoom? También lo es la disminución de la sensibilidad en distancias focales máximas.
Ahora sobre el momento más crítico. En 99 de cada 100 casos, los objetivos con zoom largo están diseñados para funcionar a distancias que suelen ser de cientos de metros. En el 99,9 de cada 100 casos se instalan sobre dispositivos giratorios. Control, por supuesto, desde el mando a distancia. La retroalimentación se realiza a través de la imagen en el monitor. Y en 99 de cada 100 casos, el cliente asigna al objetivo zoom tareas especiales, o incluso únicas, muy alejadas de las tareas de simple detección de objetos. Muy a menudo se trata de tareas, por ejemplo, de identificación personal. Intentemos analizar esta situación.
Supongamos que desde una distancia de 100 m es necesario identificar la identidad de un extraño en la medida necesaria para su posterior identificación inequívoca (una tarea de la vida real). Es decir, es necesario proporcionar un campo de visión de ~2 m. Encontramos que para un formato de matriz de 1/3 de pulgada, se requiere una distancia focal de lente de ~200 mm. El ángulo de visión de dicha lente será de 1,35°. Tiene sentido pensar en estos números.
Gire el eje óptico 1′ (un minuto de arco) equivale a mover el objeto de observación 2,5 cm. Si se producen vibraciones del eje óptico con tal amplitud, entonces cada punto del objeto se transforma en un punto con un diámetro de 2,5 cm. no puede haber nitidez en la imagen.
Y cualquier inmovilidad es siempre relativa. ¿Conoce la situación en la que los platos en el armario de la casa suenan cuando se amontonan en algún lugar cercano? ¿O hay un ferrocarril cerca? ¿O la línea de metro pasa por debajo de la casa? Es suficiente que el movimiento de nuestra lente de enfoque largo afecte la nitidez de la imagen. Si la cámara se instala en cualquier mástil, este último siempre tiene sus propias vibraciones, cuya amplitud es mayor cuanto más alto está de la base. Siempre se requiere fijación adicional.
En la gran mayoría de los casos, estas cámaras se instalan como cámaras para todo clima, es decir, en una carcasa hermética bastante grande, sobre un dispositivo giratorio. Cuando la carcasa de presión tiene resistencia al viento, incluso un pequeño viento es suficiente para hacerla oscilar dentro del rango de juego del dispositivo giratorio. Ahora tome cualquier señal de giro de cualquier empresa y sienta con sus manos el juego en los planos de su rotación. En la mayoría de los casos no serán minutos, sino grados. Para el caso considerado de identificación de una persona desconocida desde una distancia de 100 m, 1,35° es una desviación completa del encuadre respecto de la pantalla. E incluso el volante de Mercedes tiene juego. El nivel de prestaciones mecánicas de los intermitentes que se encuentran en nuestro mercado obliga a tener juego. Puede seleccionarlo, pero puede esperar atascos mecánicos en cualquier momento.
Las videocámaras modernas de consumo y profesionales equipadas con lentes de zoom de enfoque largo tienen un circuito de compensación de vibración en su electrónica, llamado sistema de compensación de vibración de mano. Y aunque este esquema no es particularmente único, no pude encontrar en nuestro mercado cámaras con compensación de vibración frontal. Es una pena. Esta pregunta es bastante relevante. Por cierto, nuestros órganos de visión tienen ese esquema en su composición y es de muy alta calidad: podemos ver claramente la situación en el espejo retrovisor, temblando mientras el automóvil está en movimiento. Pero en el monitor con una cámara temblorosa, ¡ay! La situación se verá aún peor en la grabación.
El esquema de control directo del dispositivo giratorio (conmutando los voltajes de control directamente a los motores del dispositivo) implicará dificultades adicionales graves para el operador.
En la teoría de disparar a objetivos en movimiento, existe el «error personal»: el tiempo transcurrido desde que el cerebro emite una orden de disparar hasta que se suelta el gatillo. Entonces, dependiendo de la reacción de un individuo en particular, este tiempo oscila entre 0,15 y 0,35 s. La mayoría de los dispositivos giratorios tienen una velocidad de rotación en el plano horizontal de 6 grados/s. Si suponemos que una persona está sentada en la consola del operador con un error personal mínimo, entonces en 0,15 s el eje óptico girará 0,9° para el caso considerado anteriormente (f = 200 mm, distancia — 100 m, campo de visión horizontal. — 2 m) el error será de 1,33 m (67% del campo de visión). Es decir, el operador ya ha desactivado la rotación (de hecho, así le parece), pero la rotación continúa. Agreguemos más reacción y bien puede suceder que la escena requerida desaparezca por completo de la pantalla del monitor. La capacidad de “acertar” a distancias focales largas es el resultado de una formación práctica. Hay que hacer zoom, por así decirlo, utilizando el método de iteraciones sucesivas (aproximaciones), partiendo de un ángulo amplio. Para hacer esto, a menudo se aplica una especie de mira a la pantalla del monitor (algunos dibujan un punto, otros dibujan una cruz), correspondiente al centro óptico de la lente. Es bueno si es posible cambiar (reducir) la velocidad de rotación cuando se trabaja en un «enfoque largo». Al organizar el control a través de receptores de telemetría, esto se puede hacer cambiando a un algoritmo paso a paso. Lo principal es que el cliente comprende todo esto y no se apresura a culpar al instalador por introducir equipos de baja calidad.
A modo de digresión lírica. El cliente quería observar un área muy grande (ángulo horizontal de 60 grados) desde una distancia de 100 metros con una sola cámara. La pequeña escala es obvia. En respuesta, me pidieron que «primero ampliara la imagen y luego la expandiera», para que todos los campos necesarios aparecieran en la pantalla en la escala ampliada requerida. Por lo tanto, es mejor decirle al cliente de antemano todo lo que no sabe que resolver las cosas con él durante mucho tiempo.

Arroz. 2. El efecto de cambiar la distancia focal en la profundidad de campo

Controlando la función “zoom” pulsando los botones del mando a distancia cambiamos la distancia focal del objetivo. Es bueno imaginar cómo afecta esto a la nitidez de la imagen. Consideremos las construcciones en (Fig. 2) para el caso general cuando el objeto no está en el «infinito». d (si d es positivo), y sólo si el objeto está en el “infinito” tendremos igualdad de estas cantidades. En la práctica, esto significa que al aumentar el zoom y pasar a distancias focales más largas, la nitidez disminuirá cada vez más rápidamente. A menudo, esta transición debe realizarse en varias etapas, en cada una de las cuales debe enfocarse la imagen. De lo contrario, incluso los contornos generales pueden desaparecer y no queda claro hacia dónde apunta la cámara y qué veremos después de enfocar. Los zooms de enfoque automático existen y están cada vez más extendidos. Sólo recuerda que cualquier “máquina” tiene un cierto “juego” en los valores, un cierto error. Cuanto más pequeño sea, mayor será el precio de dicho equipo. Si decides ahorrar dinero, tendrás que tener en cuenta este posible error de enfoque “automático”.

Entonces, conclusiones.
Cuando las circunstancias lo permiten, es preferible una lente fija a una lente con zoom.
Siempre, si las circunstancias lo permiten, cuanto más cerca esté la cámara del objeto de observación, mejor: cuanto más corta sea la distancia focal para el mismo campo de visión, mayor será el ángulo de visión y, por regla general, mayor será la resolución de la lente. cuanto menor sea el error de enfoque, mayor será la profundidad de campo y, en última instancia, mayor será el reconocimiento del objeto. Puede tener sentido instalar un soporte separado para una cámara fija, acercándola al objeto de observación, en lugar de aumentar la distancia con un enfoque prolongado. Por cierto, independientemente de la videovigilancia: cuando tome fotografías con una maravillosa cámara de «apuntar y disparar», use los pies con más frecuencia para colocar la escena en el encuadre y con menos frecuencia la lente con zoom.
El problema de identificación no tiene que resolverse cada vez en el marco de un sistema general de vigilancia por vídeo. Quizás sería más eficaz una solución separada.
Si aún no puede prescindir de un objetivo zoom, entonces no debe percibirlo como una panacea, ni como una solución universal, sino como una salida y siempre un compromiso. Lo principal es no prometer demasiado al cliente, para que luego usted mismo no tenga que luchar contra las leyes objetivas de la física. Todavía ganarán.