Фокусное расстояние объектива для камер видеонаблюдения

В характеристиках камеры часто указываются фокусные расстояния, например 3 мм, 6 мм, 2,8–9 мм, 5–50 мм, но что на самом деле означают эти характеристики?

Эти показатели важны для определения правильного охвата камеры и поля зрения (FoV). В этом уроке мы рассмотрим:

• На что влияет фокусное расстояние объектива
• Взаимосвязь размера сенсора и объектива
• Распространенные диапазоны фокусных длин и их использование
• Ограничения использования фокусного расстояния объектива
• Различия производителей между фокусным расстоянием и углом обзора
• Фиксированные и варифокальные линзы
• Варианты с фиксированным фокусным расстоянием
• Влияние фокусного расстояния на размер камеры
• Ограничения объектива (низкая освещенность и потеря детализации)
• Выбор правильной фокусной длины объектива
   

Фокусная длина объектива и зависимость от поля зрения / угла обзора

Фокусная длина объектива — это физическое расстояние между объективом и сенсором/сканером. Это важный фактор в видеонаблюдении, поскольку он является основным фактором, определяющим охват поля зрения и углы обзора камеры.

Ссылка на учебное пособие по полю зрения (FoV).

Влияние фокусной длины объектива

Чем более объектив длиннофокусный, тем уже поле обзора/область захвата; чем короче фокус, тем шире поле зрения. Это физический принцип, основанный на расстоянии между объективом и сенсором, как показано на изображении ниже:

Чем длиннее фокусное расстояние объектива, тем дальше фокальная плоскость находится от сенсора, что приводит к более узким углам обзора.

Аналогично, если фокусное расстояние короткое, фокальная плоскость будет находиться ближе к сенсору и захватывать более широкую область.

Влияние размера сенсора

Хотя фокусное расстояние объектива является основным фактором, определяющим поле зрения при наблюдении, размер используемого сенсора (т. е. 1/4”, 1/3”, 1/2” и т.д.) также влияет на это. При прочих равных условиях, чем больше площадь матрицы, тем шире будет угол обзора при том же фокусном расстоянии.

Это имеет значение, даже если размер матрицы кажется очень близким, например, 1/2,8 дюйма против 1/2,7 дюйма против 1/3 дюйма (самые распространенные форм-факторы сенсоров, используемые в 2023 году). Эта небольшая разница в размерах матрицы может привести к разнице в несколько градусов. В отдалении от камеры поле зрения может быть на несколько метров больше, тогда как вблизи видимой разницы может не быть.

Например, в таблице ниже показаны различия в приблизительных углах обзора между матрицами 1/3 дюйма и 1/2,7 дюйма с использованием объективов различной длины:

При малых фокусных расстояниях различия наиболее заметны: матрица 1/2,7 дюйма обеспечивает заметно более широкое поле зрения, чем 1/3 дюйма, что может привести к снижению детализации, больше чем ожидалось.

Попробуйте провести эти расчеты самостоятельно, используя наш калькулятор углов обзора.

Общие диапазоны фокусных длин объективов

На практике камеры наблюдения обычно относятся к одному из 4 диапазонов длины объектива:

• Рыбий глаз ”Фишай” / Менее 2 мм: Обеспечивает сверхширокий угол обзора, но имеет искажения, отсюда и название «рыбий глаз». Этим объективам обычно требуется программное обеспечение для устранения искажений, чтобы обеспечить плоское/исправленное изображение. Несмотря на то, что он может предоставлять панорамные изображения, искажения все равно остаются.
• “Среднефокусный” / 2,8–10 мм: Стандартные объективы большинства камер попадают в этот диапазон (поле зрения примерно от 30 до 100 градусов).
• “Телеобъектив” / 10–80 мм: Хотя большинство камер не оснащены объективами этого диапазона, обычно есть опция по установке длиннофокусных объективов, или варифокальных объективов с широким теледиапазоном.
• “Супертелеобъектив” / 100 мм+: Объективы этого диапазона являются специализированными, используемыми для наблюдения/мониторинга объектов на очень большом расстоянии (обычно на расстоянии более 1 км, а часто и на расстоянии 5 км и более).
   

Различия в фокусном расстоянии и угле обзора производителя

Производители камер обычно указывают AoV/FOV, прежде всего, указывая фокусное расстояние. Например, производители могут выделить 3 мм, чтобы показать, что камера широкоугольная, или выделить 50 мм, чтобы показать, что камера оснащена телеобъективом.

Однако фокусные расстояния производителя камеры не всегда соответствуют теоретическим расчетам AoV, особенно при более коротких фокусных расстояниях. Иногда это связано с тем, что конструкция линзы или размеры матрицы отличается от теоретических расчетов.

Независимо от причины, решение состоит в том, чтобы всегда выбирать камеры/объективы на основе углов обзора, а не фокусного расстояния — наш калькулятор позволяет сделать это просто и быстро.

Фиксированный фокус против варифокальных линз

Для видеонаблюдения используются два основных типа объективов: с фиксированным фокусным расстоянием и варифокальные.

• Объективы с фиксированным фокусным расстоянием фиксируются на одном фокусном расстоянии, например, 2,8 мм, 4 мм, 12 мм и т. д. Их основными преимуществами являются простота (поскольку не требуется ручная регулировка) и размер (подробнее обсуждается ниже), хотя они менее гибкие, чем варифокальные линзы, и их нельзя точно настроить для соответствия конкретным желаемым углам обзора.
• Объективы с переменным фокусным расстоянием позволяют регулировать фокусное расстояние вручную с помощью двух вращающихся колец или с помощью моторизованного механизма. Вариофокальные объективы указаны с учетом диапазона фокусных расстояний, например 2,8–10 мм или 25–50 мм. Модели с варифокальным объективом более гибкие, поскольку их можно точно настроить в соответствии с полем зрения, но они крупнее и дороже, поэтому требуют корпуса большего размера.

Большинство камер, которые устанавливают в мире, являются варифокальными. Однако, это сильно зависит от целевого рынка конкретного интегратора: те, кто ориентирован на системы более низкого уровня, используют объективы с фиксированным фокусом из-за их (как правило) более низкой стоимости.

Несколько вариантов фиксированного фокусного расстояния

Производители, выпускающие модели с фиксированным фокусным расстоянием, часто предлагают несколько вариантов объективов.

Это позволяет пользователям выбирать объектив, который лучше всего подходит для их сцены, например. используйте объектив 2,8 мм для широкого охвата небольшого вестибюля или модель 6 мм для наблюдения за въездом на парковку.

Фокусное расстояние влияет на размер камеры

Проще говоря, объективы с фиксированным фокусным расстоянием занимают меньше места, что позволяет уменьшить размер корпуса камеры по сравнению с моделями с ручным варифокальным или моторизованным объективом.

Например, на изображении ниже показан объектив М12 с фиксированным фокусным расстоянием, типичный для тех, что используются в Mini Dome камерах в сравнении с зум-объективом PTZ-камеры. Размер этого объектива просто требует, чтобы PTZ-камеры были больше.

Ограничения объектива

Чем больше длина объектива, тем более вероятно возникновение трех ограничений:

• Ухудшение плотности пикселей на метр: Длиннофокусные объективы, особенно варифокальные, распространенные в системах наблюдения, часто ухудшают качество изображения по сравнению с тем, что можно было бы получить в случае с среднефокусными объективами.
• Ухудшение производительности при слабом освещении: очень длинные линзы (как и очень короткие) обычно пропускают значительно меньше света, чем обычные линзы в диапазоне от 3 до 10 мм. В частности, при прочих равных условиях, чем длиннее объектив, тем выше число относительного отверстия — тем меньше света объектив пропускает к матрице. В варифокальных объективах проблема еще более усугубляется из-за сложности оптической схемы и наличия дополнительных линз, каждая из которых также неизбежно снижает световой поток.

• Проблемы с глубиной резкости: Камеры наблюдения очень редко имеют проблемы с глубиной резкости, когда объекты оказываются не в фокусе. Это связано с тем, что они обычно используют относительно короткие объективы и снимают объекты, находящиеся на расстоянии более 5 футов от камеры. Однако очень длинный объектив вызовет проблемы, которые особенно трудно решить при съемке в ночное время или при использовании объективов с автоматической диафрагмой.
   

Выбор правильной длины объектива

Чем короче фокусное расстояние объектива, тем больше объектов может запечатлеть камера. К сожалению, чем шире область захвата, тем менее детальным получается изображение отдельного объекта. Вот почему люди часто недовольны, когда смотрят на широкоугольные камеры с разрешением более 5 Мп. Это высокое разрешение, качество «должно» быть лучше, но поскольку поле зрения настолько велико, все объекты могут выглядеть «размытыми» даже на небольшом расстоянии.

Простое эмпирическое правило — сделать поле зрения не шире области интереса, той сцены на которую будет направлена камера. Однако, многие люди хотят закрыть одной камерой сразу несколько зон интереса — например хотят видеть как парковку в общем, так и номера въезжающих машин. Но в таком случае, что-то из этого неизбежно потеряет в качестве.

Чтобы минимизировать эту проблему, прочтите наше руководство по углам обзора камеры — возможно оно еще более прояснит ситуацию.

Перевод статьи IPVM, оригинал по этой ссылке.