Оптика для "чайников". Как выбрать зоркий объектив и не переплатить

Если качество изображения зависит от качества камеры видеонаблюдения, которая его снимает, то насколько важен объектив? Весь свет и, следовательно, все снимаемые изображения проходят через него. В физическом смысле именно объектив формирует изображение на матрице, так стоит ли говорить о том, насколько влияет оптика на производительность всей системы?

Разговор о качестве оптики можно вести с двух позиций: от качества получаемого изображения и от качества оптического изделия самого по себе. Низкокачественный объектив будет формировать плохую картинку. Для многих охранных систем видеонаблюдения это неприемлемо.

У оптики тоже есть разрешение

По словам Марка Петерсона, вице-президента по технологическому развитию компании Theia Technologies, во времена гегемонии "аналога" единственной заботой инсталлятора был тип крепления объектива. Например, если камера предполагает крепление типа CS, то и объектив, соответственно, должен быть снабжен крепежным разъемом типа CS.

Однако, с началом цифровой эпохи в отрасли вошли в моду выражения "IP-объектив" и "мегапиксельный объектив". Количество мегапикселов в камерах растет, а обеспечение высокого разрешения становится задачей не только для электроники, но и для оптики, -- говорит Джефф Гилман, президент Theia Technologies. Строго говоря, само понятие разрешающей способности попало в кибернетику из этого раздела физики. Объективы, идеально подходящие к камерам высокого разрешения, должны состоять из большего количества физических элементов. Они крупнее и стоят дороже.

Теперь, когда мегапиксельные камеры распространились повсеместно, на выбор объектива влияет множество факторов. Интеграторы и инсталляторы должны принимать их во внимание.

"Если оставить от теории только сухую выжимку, то важно понимать то, что существует много преимуществ в использовании мегапиксельной камеры вместе с правильно подобранным к ней объективом. Очень грубо говоря, это значит, что для мегапиксельной камеры нужен мегапиксельный объектив", -- говорит Шерил Бард, менеджер по продуктному маркетингу Bosch Security, Фейрпорт, Нью-Йорк.

"Основной и самый важный критерий выбора подходящего объектива -- качество изображения, которое он обеспечивает, -- еще больше упрощает Чак Вестфолл, технический консультант из Canon USA. -- В охранной отрасли, как нигде еще, вам важно добиться максимальной четкости изображения по всему полю обзора. Не только в центре, но и по краям кадра".

Андреа Инигез, вице-президент компании Theia Technologies по развитию, считает, что инсталляторы и интеграторы должны более плотно работать с клиентами, чтобы понимать специфические требования каждого проекта и каждой камеры. Инсталляторам следует подбирать объектив для каждого случая индивидуально. "Оптика зависит от уровня и назначения системы. Вы собираетесь использовать снятое видео в суде? Или дома, а может быть еще в какой-нибудь не слишком важной ситуации? Мы понимаем, что существуют случаи, когда возможностей низкокачественного объектива будет достаточно" -- говорит она.

Соответствие разрешения и четкости картинки желаемым параметрам зависит не только от объектива, но и от разрешения самой камеры, ее матрицы и ряда других факторов. Поэтому компания Theia Technologies, подобно многим другим производителям оптики, предлагает своим клиентам рассчитать нужный объектив с помощью выложенного на своем сайте калькулятора. Этот простой инструмент позволит грамотно выбрать оптику для конкретного проекта. "Калькулятор объектива -- отличный инструмент для визуального представления возможностей разных продуктов" -- комментирует Андреа Инигез.

Например, если камера будет установлена в закрытом помещении, или расстояние от нее до объекта съемки сильно ограничено, то лучше всего использовать сверхширокоугольный объектив. Тогда в кадр попадет больше информации. Если же, наоборот, камеру можно установить только далеко от объекта съемки, вам нужен объектив с зумом, который бы позволял сужать поле обзора без ухудшения качества снимка.

"Использование неадекватного объектива может сделать полученное изображение непригодным для охранных нужд" -- напоминает Вестфолл.

Королевство кривых линз

По словам Вестфолла, широкоугольные объективы могут очень разниться между собой, преимущественно -- по своему назначению. Одна камера с широкоугольным объективом может заменить несколько камер с "обычной" оптикой. Следовательно, "широкоугольники" способны помочь инсталляторам и конечным пользователям сократить издержки. Но будет неправильным сказать, что они подходят для любой ситуации. "Часто изображение прямого широкоугольного объектива выглядит закругленным из-за искажений линз" -- предостерегает Вестфолл.

До недавнего времени единственным вариантом широкоугольного объектива был объектив типа "рыбий глаз". Эти объективы использовались очень широко, несмотря на их свойство терять резкость на краях кадра и, в общем случае, искажать изображение. Проблема адекватного двухмерного отображения окружающей нас трехмерной реальности не нова -- подумайте о разнице между глобусом и картой мира. На глобусе континенты изображены в корректных пропорциях безотносительно к своему положению на Земле. На плоской карте мира -- в зависимости от проекции -- некоторые страны в высоких широтах представляются нам искаженными, потому что мы как бы смотрим на эту часть поверхности шара под углом.

Так же и при использовании "рыбьего глаза" -- объекты на периферии изображения кажутся нам более растянутыми по вертикали, нежели на самом деле. Искажения можно компенсировать программной обработкой, но для этого потребуются значительные вычислительные мощности и существенное время. Для "живого" мониторинга этот вариант не подходит. Кроме того, объекты по краям кадра уже "сжаты" объективом -- часть информации была утеряна на уровне оптики, а восстановить ее из ниоткуда, как очевидно, мы не можем.

Существует другое решение -- использовать более современный, т.н. прямолинейный широкоугольный объектив. Возвращаясь к примеру с глобусом и картой, можно сказать, что прямолинейный "широугольник" создает на снимке аналог картографический проекции Меркатора. Такой карты, на которой Антарктида и Гренландия кажутся нам непомерно большими. Так, предметы на краях кадра, снятые широкоугольной оптикой с компенсацией искажений, сохраняют прямые линии, но визуально кажутся нам больше предметов по центру кадра. В кинематографе иногда намеренно используется этот эффект -- для гиперболизации эффекта перспективы.

Но искажения -- не единственная проблема, которая может возникнуть с широкоугольными объективами. Гленн Волк, президент компании Tekstar Optical, предостерегает от столкновения с еще одной проблемой, связанной с другим параметром объектива -- светосилой.

По его словам, инсталляторы и интеграторы часто не задумываются о значениях относительного отверстия диафрагмы вариообъектива на всем диапазоне его фокусных расстояний. Одна из основных характеристика объектива -- его апертурное число, которое соответствует отношению заднего фокусного расстояния к диаметру входного отверстия объектива (не перепутайте: когда апертура маркируется дробью, апертурное число является знаменателем дроби, то есть для объектива f/1,8 апертурное число будет 1,8). Чем оно меньше, тем больше светосила объектива. Следовательно, можно поставить меньшую выдержку и добиться большей резкости при съемке в движении. Поэтому инсталляторы обычно гонятся за минимальным значением апертурного числа. Но они часто забывают, что указанное апертурное число -- и, следовательно, соответствующая ему светосила -- достигаются только при самом широком угле.

Если вы считаете, что сможете точно оценить производительность объектива по его спецификации, то вы слишком самоуверенны. Различия в производительности вариообъективов при разном фокусном расстоянии тяжело разочаровывали многих конечных пользователей. "Во многих случаях сложно даже обнаружить, в каком месте спецификации был скрыт подвох" -- говорит Бард.

Кроме того, некоторая информация практически никогда не указана в технических характеристиках -- о том, как оптическое разрешение объектива соответствует разрешению камеры. Поэтому инсталлятору лучше лишний раз перезвонить производителю и попытаться получить у него более детальную информацию.

"По существу вам приходится верить производителю вашего оборудования на слово, -- добавила Бард. -- Сейчас производители оптики для видеонаблюдения публикуют куда больше информации, чем год назад, но все равно разрешающая способность оптической системы очень часто не указывается".

Аналогично Инигез рассказывает о том, что производители объективов теперь стали указывать разрешение своих оптических систем, выражая его в парах минимально разделяемых линий. Но, к сожалению, эта характеристика отражает производительность объектива в центральной точке кадра. Оптическое разрешение на краях снимка может с ним не совпадать.

"Возможно, вы столкнетесь со значительной деградацией качества изображения на периферии кадра, -- предупреждает она. -- Вы можете считать подобные заявления слухами, но они отражают реальность. И становятся причиной того, что вам приходится покупать и тестировать различные объективы".

Инигез подчеркивает, что на сегодняшний день в оптической индустрии не существует прозрачных стандартов измерения качества и производительности объективов.

Для чего нужны ночные объективы

Кроме мегапиксельных объективов, в отрасли сейчас получают широкое распространение объективы "день/ночь". При покупке такого объектива основное, на что надо обратить внимание -- наличие инфракрасного напыления для компенсирования фокального сдвига между дневным и ночным режимами.

Камеры "день/ночь" спроектированы для того, чтобы воспринимать и видимый свет, и инфракрасное излучение "ближнего" диапазона. Большинство естественных источников света излучают обе эти части спектра. "Без инфракрасного напыления красный, зеленый и синий фильтры, через которые проходит видимый свет, будут также пропускать и инфракрасное излучение. В ночное изображение будет четким, но днем -- размытым, -- объясняет Волк. -- Если объект съемки находится в 5 метрах или около того, фокальный сдвиг не будет играть большой роли. Но на больших дистанциях этот эффект приведет к существенной потере качества".

По словам Петерсона, "настоящая" камера "день/ночь" при переходе в ночной физически исключает инфракрасный фильтр из объектива, что позволяет камере воспринимать инфракрасный свет (естественный или от ИК-прожектора) в темное время суток. А так как уличные фонари, солнце, луна и другие источники видимого света тоже производят ИК-излучение, эти объекты будут хорошо видны на съемке как в дневном, так и в ночном режимах. Объективы "день/ночь" не теряют фокуса при переключении между режимами. Но они более сложны и, следовательно, более дороги.

Однако, Петерсон предостерегает инсталляторов и конечных пользователей от необдуманных трат. По его словам, прежде чем приобретать дорогие инфракрасные камеры и объективы, стоит трижды подумать, действительно ли на объекте требуется ночное видеонаблюдение.

Если в камерах "день/ночь" через объектив проходят и видимый свет, и инфракрасное излучение, то объективы только для дневного использования не пропускают инфракрасные волны. Для отсечки инфракрасного диапазона используется инфракрасный фильтр. Большинство камер видеонаблюдения спроектированы только для дневного использования, и убирающий инфракрасную составляющую фильтр позволяет повысить резкость и качество цветопередачи изображения.

Однако, если вы все же используете систему охранного телевидения в ИК-режиме, вы можете воспользоваться инфракрасными прожекторами для "подсветки" области наблюдения. Кавычки здесь уместны оттого, что ИК-подсветка не видна человеческому глазу, а видимого света такие устройства не создают.

Лучше один раз увидеть, чем сто раз представить

Как не запутаться в огромном разнообразии современных объективов, когда нет единых стандартов и критериев оценки? Гленн Волк советует прибегнуть к старому, испытанному методу и ориентироваться не на цифры из спецификаций, а на свои глаза.

"Перед покупкой лучше всего испытать объектив. Все формализованные технические параметры не могут заменить последовательного сравнения при эксплуатационном тестировании. Испытания различных объективов в одних и тех же условиях для одних и тех же сцен и сравнение полученных изображений -- лучший способ принятия решения" -- считает он.

Краткое руководство по выбору объектива

Соотношение формата объектива и линейных размеров матрицы

Эквивалентный формат объектива (1/2", 1/3" и т.д., -- по сути, размер матрицы для работы с этим объективом) должен быть равным или превосходить линейный формат матрицы камеры. В противном случае края изображения будут искажаться.

Крепления

Крепления C и CS похожи друг на друга, и с точки зрения физики нет никакой разницы, какой из типов используется в вашей камере. Объективы с разными креплениями располагаются на разном расстоянии от матрицы (для типа C -- 17,5 мм, для типа CS -- 12,5 мм). В наше время крепление типа CS распространено больше. Хотя тип разъема на объективе и камере должен совпадать, с помощью переходного кольца можно использовать объектив типа C и камеру с CS-креплением.

Фокусное расстояние

Чем меньше фокусное расстояние объектива, тем шире его угол обзора. Широкий угол зрения подходит для тех случаев, когда необходимо наблюдать за большой площадью. Большее фокусное расстояние -- это более узкое поле зрения и больший масштаб изображения. Такой объектив следует использовать при наблюдении за входами, коридорами и т.д.

Диафрагма

Ручная установка диафрагмы позволяет напрямую изменять относительное отверстие объектива. Фиксированное значение относительного отверстия хорошо подойдет для применения в офисах или торговых залах -- в тех местах, где уровень освещенности не изменяется. Если же камера установлена на улице и работает при естественном освещении, то лучше всего выставить диафрагму в положение "авто" -- тогда электроника будет управлять относительным отверстием самостоятельно.

Апертурное число

Апертурное число характеризует относительное отверстие объектива и, следовательно, количество света, которое будет направлено на матрицу. Чем меньше апертурное число, тем больше света попадает в объектив.

Глубина резкости

Глубина резкости -- расстояние между ближней и дальней границами пространства, внутри которого объекты находятся в фокусе. Глубина резкости большая, когда заднее фокусное расстояние мало, а апертурное число велико или объект достаточно удален.

Калькуляторы объективов

Многие производители оптики помещают калькуляторы объективов на свои сайты. Вы вводите различную информацию, после чего программа высчитывает параметры требуемой оптической системы и предлагает вам подходящие продукты.

Нужен ли вам мегапиксельный объектив?

Вы можете использовать обычный объектив вместе с мегапиксельной камерой, но качество изображения при этом будет хуже, чем при специальной "мегапиксельной" оптике.

Тодд Пиннел, продуктный Speco Technologies, советует не экономить. Если вам важно качество, стоит поискать оптику более высокого класса от заслуживающего доверия производителя. Выигрыш в четкости, скорее всего, оправдает разницу в цене.

"Мельчайший дефект мегапиксельного объектива может привести к тому, что все изображение будет выглядеть ужасно" -- говорит он. Использование оптики, не предназначенной для работы с камерами высокого разрешения, может привести к заметной деградации качества в периферийной части снимка.

Ход конем

Чтобы бороться с искажениями, вам не обязательно пользоваться "новейшими и самыми передовыми" технологиями. Гленн Волк из Tekstar Optical подсказывает обходное решение -- надо взять объектив, предназначенный для матрицы большего формата, чем матрица используемой камеры. Например, по словам Волка, использование объектива формата 1/2" c матрицей 1/3" дает результат, который может удивить многих.

"В этом случае на кристалл попадает свет, прошедший только центральную часть объектива. В этой части формируемого оптической системой изображения качество будет наилучшим. Если вы используете мегапиксельную камеру с объективом большего формата, вы будете поражены качеством конечного изображения" -- рассказывает он.

По его мнению, использование крупноформатных объективов -- выгодный и быстрый способ решить проблему искажений. "Когда люди избавляются от старых камер, я всегда говорим им, что не стоит выбрасывать объективы. Почистите их, и они дадут изображение блестящего качества на камере с матрицей меньшего формата. Камеры устаревают, а оптика может храниться и эксплуатироваться бесконечно долгий срок" -- советует Волк.

По материалам журнала SDM