Управление диафрагмой в IP-камерах

Камера, как и глаз человека, имеет диафрагму, управляющую светом, попадающим на сенсор — в глазу человека это делает радужная оболочка, регулирующая пучок света на сетчатке. 

Управление пучком света влияет на все аспекты изображения — от детализации, глубины резкости и до настроек экспозиции, таких как выдержка и чувствительность. 

IP-камеры имеют несколько типов диафрагмы — фиксированную, ручную и автоматическую, а также разные комбинации каждого из них. Такое многообразие сбивает с толку новичков и позволяет зарабатывать на них недобросовестным маркетологам, рекламирующим “новейшие” и “уникальные” типы диафрагм.

Сегодня мы рассмотрим:

• Что делает и как работает диафрагма
• Как она связана с временем выдержки
• Как она связана с числом F
• Как открытие или закрытие диафрагмы влияет на изображения
• DC-auto, P-Iris и объективы ICS
• Выбор типа диафрагмы
   

Управление светом: диафрагма, затвор и относительное отверстие

Камеры контролируют получаемый свет, регулируя диаметр относительного отверстия (диафрагму) или продолжительность времени, в течение которого затвор открыт (выдержка). Многие путают диафрагму и затвор, поскольку оба они открываются и закрываются, но служат разным целям.

Компоненты диафрагмы

На анимации ниже показано, как диафрагма перемещается из полностью открытого состояния в полностью закрытое. 

 Диафрагма перемещает ряд тонких металлических пластин, называемых лепестками или ламелями, с помощью небольшого серводвигателя. В диафрагмах используется разное количество лепестков, в зависимости от их размера (9 лепестков показаны ниже).

Влияние диафрагмы на экспозицию

Диафрагма оказывает существенное влияние на то, насколько хорошо или плохо экспонируется изображение, что влияет на то, как камеры обрабатывают яркий свет, который может привести к передержке, или на то, как они справляются с низким освещением, что может привести к получению недодержанных изображений.

Поскольку уровень освещенности со временем меняется, камера должна иметь возможность регулировать количество поступающего света в соответствии с текущими условиями. Диафрагма — один из способов сделать это. Существует несколько методов управления диафрагмой, подробно описанных ниже.

Эффекты изменения относительного отверстия

Когда ширина отверстия диафрагмы отрегулирована, отражая попадание большего (или меньшего) света, в некоторых случаях это также может привести к изменению глубины резкости камеры (ГРИП) и тому, что объекты станут не в фокусе, хотя это редко является практической проблемой в видеонаблюдении. Такие эффекты наблюдаются в объективах с большим фокусным расстоянием, поэтому при установке длиннофокусного объектива на прострел длинного коридора аналитика может плохо справляться при выходе человека из плоскости фокуса(при его фиксированном положении) 

Также важно заметить, что при уменьшении относительного отверстия — закрытия диафрагмы — увеличивается общая резкость сцены, что в ряде ситуаций может иметь смысл.

DC-iris/P-iris/I-CS

Объективы с моторизованной диафрагмой выпускаются в трех вариантах: автоматическая, P-Iris и I-CS.

• DC-iris или объективы с автоматической диафрагмой управляют открытием диафрагмы с помощью встроенных в объектив двигателей. Это шаговые сервомоторчики устанавливающие диафрагму на одно из небольшого количества предустановленных значений, а для управления они подключаются кабелем к корпусу камеры. Сама диафрагма в них как правило двухлепестковая, весьма примитивной конструкции.
• В P-Iris объективах (P от Precision — точный ) используется специальный программный драйвер для более точного управления диафрагмой, который регулирует относительное отверстие объектива в очень широком диапазоне. Конструкция такой диафрагмы апертурная, многолепестковая. Однако, стоит добавить что хотя в фото и видеосъемке разница между двухлепестковыми рамочными и ирисовыми диафрагмами катастрофически огромна, в видеонаблюдении у вторых нет никакого преимущества. 
• Диафрагма I-CS — относительно новый тип. Объективы с ней похожи на P-Iris, но еще более сложны: объектив передает в камеру более подробную информацию, управляет фокусом, масштабированием, коррекцией искажений и многим другим, а не просто управляет диафрагмой. Объективы I-CS встречаются редко, имеют очень ограниченную поддержку камер и практически аналогичны P-Iris с точки зрения управления диафрагмой.

Важно: управляющие кабели с разъемами у DC-iris и P-iris не совместимы.

Объектив с диафрагмой DC можно использовать с камерой P-Iris (хотя и без расширенного точного управления диафрагмой), но разъем объектива P-Iris физически не подходит к разъему диафрагмы DC.

Фиксированная/ручная диафрагма

Хотя автоматическая диафрагма встречается чаще, существует два варианта объективов, которыми камера не может управлять: фиксированный и ручной.

Фиксированная диафрагма, как следует из названия, вообще не может быть отрегулирована. Относительное отверстие в объективах такой камеры отрегулировано на заводе и не больше не меняется. Его значение можно увидеть на маркировке сбоку объектива.

Объективы с фиксированной диафрагмой часто встречаются в камерах малого форм-фактора, или в камерах с широкоугольными объективами.

Объективы с ручной диафрагмой позволяют управлять диафрагмой, вращая кольцо на объективе вручную. Хотя диафрагму можно регулировать от полностью открытой до полностью закрытой, производители обычно рекомендуют открывать объективы с ручной диафрагмой либо полностью, либо на 90%+, чтобы обеспечить работу при слабом освещении. Объективы с ручной диафрагмой встречаются редко, но все еще используются в некоторых специализированных приложениях, таких как LPR или машинное зрение.

Возможность выбора типа диафрагмы — большая редкость

Сегодня в подавляющем большинстве камер тип диафрагмы не является опцией. Камеры типа буллетов и куполов не имеют возможности смены объектива и используют наиболее компактные объективы с фиксированной диафрагмой, подстраивая экспозицию при помощи выдержки или чувствительности. 

Среди камер, часто использующих диафрагму встречаются боксы и PTZ-камеры с мощными варифокальными телеобъективами. В первых чаще всего встречается простые DC-ирисы, во вторых же — апертурные диафрагмы P-iris либо своего проприетарного типа.

Что касается преимуществ того или иного типа диафрагмы в объективах — для задач видеонаблюдения разница незначительна. Такие важные для видеографии нюансы, как детализация по краю кадра, ГРИП, форма боке в видеонаблюдении не имеют никакого значения. 

Скорость изменения относительного отверстия диафрагмы, точность и диапазон в котором оно может регулироваться также не имеет особой ценности — современные сенсоры легко компенсируют изменения интенсивности света в кадре при помощи чувствительности и выдержки.

Наличие автоматической диафрагмы расширяют возможности камеры — например позволяет сохранить выдержку общей при съемке в условиях яркого освещения, регулировать глубину резкости на длиннофокусных объективах. 

Но, в целом, возможность управления диафрагмы не должно быть ключевым преимуществом при выборе IP-камеры, как бы того не хотели маркетологи. Хорошо если она есть, но ничего страшного если диафрагма фиксированная.