Зависимость угла обзора от фокусного расстояния объектива видеокамеры

В первую очередь, при выборе видеокамеры следует обращать внимание на угол обзора,
так как именно он определяет зону наблюдения. В видеонаблюдении угол обзора играет важную, основополагающую роль. Он зависит от фокусного расстояния объектива камеры
и размера ее сенсора. Видеокамера, у которой сенсор большего размера, даже при одинаковом фокусном расстоянии, будет иметь большой угол обзора.  Изображение с высокой детализацией можно получить с помощью узкого угла обзора, а не только при увеличении разрешающей способности системы. Если угол обзора видеокамеры будет шире, то детализация объектов в кадре будет хуже.

Рассмотрим примеры для видеокамер, выполняющих «обзорные» функции, которые расположены так, чтобы захватить «общий вид».

Уличные видеокамеры с различным фокусным расстоянием объектива и фиксированным размером сенсора. Камеры расположены таким образом, чтобы продемонстрировать «общий вид» парковки перед зданием.

Для сравнения возьмем следующие модели камер с фиксированными (не подстраиваемыми) объективами, имеющими разные фокусные расстояния:

PN-IP2-B3.6 v.2.6.3
– объектив 3,6 мм,

PN-IP2-B2.8 v.2.6.3
– объектив 2,8 мм,

PNL-IP2-B1.9MPA v.5.5.2
 с объективом 1,9 мм,

Размер матрицы: 1/2.9 дюйма — Sony Exmor

Для корректного процесса сравнения использовали все камеры одинакового разрешения 2 Мп на одинаковой матрице размером  1/2.9 дюйма — Sony Exmor CMOS (IMX323).

Высота расположения всех трёх камер в эксперименте одинаковая. Это 3 этаж офисного здания, примерно 10 метров от асфальта. Для того, чтобы более наглядно просмотреть ширину углов обзора камеры, она выравнивалась по правому нижнему углу. А с левого края, с помощью сделанных скриншотов, можно сравнить широкое или узкое видение видеокамеры по горизонтали. В результате проведенного эксперимента было сделано три скриншота.

Угол обзора с объективом с фокусным расстоянием 3.6 мм

На первом скриншоте, изготовленном с помощью видеокамеры PN-IP2-B3.6 v. 2.6.3 с фокусным расстоянием 3.6мм, в левой части полученного изображения мы можем наблюдать припаркованный на стоянке грузовик и забор слева от него. Угол обзора составляет примерно 72 градуса.

Угол обзора с объективом с фокусным расстоянием 2.8 мм

На скриншоте, изготовленном с помощью видеокамерыс фокусным расстоянием 2.8мм модель PN-IP2-B2.8 v.2.6.3, слева видно ещё порядка 15-20м забора, и часть стоянки позади грузовика. Угол обзора при использовании камеры PN-IP2-B2.8 v.2.6.3 с фокусным расстоянием 2.8мм уже порядка 87 градусов.

Третий скриншот получен с применением видеокамеры PNL-IP2-B1.9MPA v.5.5.2, с широкоугольным объективом, имеющем фокусное расстояние 1,9мм. На изображении можно увидеть уже не только стоянку позади припаркованного грузовика, но и выезд другого грузовика из стоянки. Угол обзора у данной камеры составляет примерно 112 градусов.

Стоит понимать, что чем шире видит камера, тем меньше плотность пикселей и, соответственно, хуже детализация каждого участка получаемого изображения. 

Камеры и с не самыми широкими углами обзора имеют право на жизнь и актуальны в использовании, главное правильно подобрать камеру видеонаблюдения отвечающую требованиям за наблюдаемым объектом и удовлетворяющую желаемому результату по качеству картинки.

Расчёт углов обзора видеокамер для всех 3-х случаев

Угол обзора видеокамеры рассчитать можно по формуле:

a = 2arctg (d/2f),

где:

Для PN-IP2-B3.6 v. 2.6.3

а1=2*arctg*5,376мм/2*3,6 мм = 73,4 градуса

Для PN-IP2-B2.8 v.2.6.3

a2=2*arctg*5,376мм/2*2.8 мм = 87 градусов

Для PNL-IP2-B1.9MPA v.5.5.2

а3=2*arctg*5.376мм/2*1,9 мм = 109 градусов

Наглядно можно изобразить так:

Если Вы хотите получать уведомления о похожих постах, присоединяйтесь к нашему Телеграмм-каналу:

http://t-do.ru/polyvision

Одним из важных параметров, которые необходимо брать во внимание перед покупкой камеры видеонаблюдения, является угол обзора объектива. От этой величины напрямую зависит то, какая площадь наблюдаемого участка попадет в поле зрения камеры. Например, для получения общего обзора участка или тесного помещения необходимо выбирать камеры с широким углом обзора, а при необходимости сосредоточения на каком-либо определенном объекте – с узким.

Содержание:

От каких параметров зависит угол обзора?

Угол обзора объектива зависит от двух определяющих его параметров:

1. Фокусное расстояние, которое имеет объектив;
2. Размер чувствительного элемента (матрицы).

Следует запомнить, что чем большим ФР обладает объектив, тем меньшим будет угол его обзора, поэтому длиннофокусные объективы обладают возможностью наблюдения за относительно удаленными от камеры объектами, а широкоугольные позволяют охватить большую площадь территории или помещения.

Зависимость угла обзора камеры видеонаблюдения от физического размера матрицы также имеет место быть. Так, чем больше размер матрицы, тем большим будет угол обзора, например:

• Матрица, диагональ которой составляет ¼ будет иметь угол обзора 64° при фокусном расстоянии 2,8;
• При этом матрица с диагональю ½ будет иметь угол обзора 96°.

Данные расчеты справедливы для обозначения горизонтального угла обзора, для поиска вертикального угла необходимо брать в расчет соотношение вертикальных и горизонтальных сторон матрицы.

Определяем необходимое фокусное расстояние

Практически во всех случаях возникает необходимость выбора оптимального угла обзора камеры, который может быть определен благодаря расчету ФР объектива. По сути, угол обзора является зависимой величиной от фокусного расстояния. Оно может разниться для каждого конкретного случая, и напрямую зависит от:

• Расстояния до объекта наблюдения;
• Размера матрицы;
• Размера наблюдаемого объекта.

Так, например, угол обзора в 100° хорошо подойдет для небольших тесных помещений, но будет непригоден для наблюдения за удаленными на несколько десятков метров объектами – при просмотре на записи просто невозможно будет различить детали объекта. При увеличении фокусного расстояния сужается угол обзора и появляется возможность наблюдения за относительно отдаленными объектами.

Зная несколько параметров камеры видеонаблюдения и некоторые данные об объекте наблюдения несложно определить необходимое в каждом конкретном случае ФР объектива.

Оптимальное ФР объектива рассчитывают по формуле:

F= h*S/Н

или F= v*S/V

, где

h – размер горизонтальной стороны матрицы;

S – расстояние до объекта слежения;

H – размер объекта наблюдения по горизонтали;

v – размер вертикальной стороны матрицы;

V – размер объекта наблюдения по вертикали.

Размер вертикальной и горизонтальной сторон сенсора камеры вы можете узнать из данной таблицы:

Для примера рассчитаем простую задачу. Дано: необходимо наблюдать за фасадной стороной небольшого гаража, шириной 4 метра, расстояние до объекта – 10 метров. Размер матрицы – ½ дюйма. Рассчитать подходящее ФР объектива камеры. Для решения воспользуемся формулой, и подставим все необходимые значения:

F=6,4*10/4=16

Рассчитав формулу мы получили, что ФР объектива должно равняться 16, но есть еще один нюанс. Очень важно, чтобы угол обзора камеры был больше рассчитанного, иначе кроме объекта наблюдения больше ничего не будет видно. Поэтому в данном случае оптимальным фокусным расстоянием объектива камеры будет 8-10 мм. Угол обзора при таких значениях будет равен около 35°, и вполне подойдет для видеонаблюдения за гаражом на расстоянии 10 метров. Ниже приведена подробная таблица с углами обзора камер с различными параметрами фокусного расстояния и размерами матрицы.

При необходимости время от времени менять угол обзора, или в любых сложных ситуациях, когда определиться с фокусным расстоянием до покупки камеры бывает проблематично, стоит приобретать камеры с вариофокальным объективом, которые позволяют регулировать угол обзора вручную. Диапазон ФР таких камер обычно лежит в пределах 2,8-12 мм. При использовании вариофокальных объективов вы можете приближать или отдалять картинку без потерь качества благодаря оптическому увеличению объектива.

Какой угол обзора выбрать?

Ответ на этот вопрос зависит от конкретной задачи, ведь каждая ситуация индивидуальна. Например, для видеонаблюдения за большой территорией без необходимости выделения конкретного объекта используют камеры с широкоугольным объективом 2,8-3,6 мм и углом обзора 70-140°.

Угол обзора 60° подобен углу обзора человеческого глаза, и является средним значением. Камеры с таким углом способны передавать детальное изображение с дальностью до объекта наблюдения до 10 м.

Камеры с длиннофокусным объективом и узким углом обзора (10-30°) применяются для наблюдения за отдаленными объектами, расстояние до которых может варьироваться от 20 до 70 метров, и зависит от ФР объектива.

Есть одна интересная особенность, которая позволяет определить расстояние уверенного распознавания объекта, и может служить своеобразной шпаргалкой при выборе камеры. Она заключается в примерном равенстве фокусного расстояния, выраженного в миллиметрах с дистанцией уверенного распознавания в метрах. Например, камера с матрицей 1/3 дюйма и объективом с фокусным расстоянием 12 мм сможет распознать человеческую фигуру на расстоянии 12 метров. На этом расстоянии размер наблюдаемой зоны будет равняться 3 метра в высоту, и 4 в ширину, что позволит достаточно уверенно провести идентификацию человека.

С этим читают:

Как выбрать камеру для видеонаблюдения?

Аналоговые камеры видеонаблюдения против IP: что выбрать?

Камера для ночного видеонаблюдения

Видеорегистраторы «Линия»: большие возможности по выгодной цене

Понравилась статья? Поделись с друзьями в соц сетях!

Видеокамера – механическое устройство, состоящее из корпуса, объектива и электронного преобразователя оптического изображения в электронный вид сигналов:

Содержание:

• Основные характеристики ↓
• Угол обзора ↓
• Расчёт ↓
• Чёткость изображения ↓
• Аналоговые видеокамеры ↓
• Расстояние до объекта ↓

1. Корпус
   – основной силовой элемент, предназначенный для крепления различных частей одного изделия.
2. Объектив
   – оптический элемент, состоящий из одной или нескольких линз с различными диоптриями. Отвечает за создание мнимого или действительного изображения в увеличенном или уменьшенном виде.
3. Электронный преобразователь, или, другими словами, ПЗС-матрица
    – интегральная микросхема, состоящая из фотодиодов, преобразующих световой сигнал (изображение) в набор электрических сигналов, с целью дальнейшей передачи их на приёмник (монитор).

Основные характеристики

В любом оптико-механическом устройстве, в том числе и в камере наблюдения, есть ряд важных характеристик, по которым определяется эффективность их работы:

• фокус и светочувствительность объектива;
• разрешающая способность;
• формат ПЗС-матрицы;
• возможность цифровой обработки сигнала;
• угол обзора видеокамеры;

Все эти характеристики тесно взаимосвязаны между собой и определяют, собственно мощность оптического инструмента.

Рассмотрим одним из важнейших показателей – угол обзора видеокамеры. Чтобы было понятнее, что это такое, можно провести аналогию с человеческим оптическим инструментом, глазом – это угол зрения, охват максимально видимого пространства.

Угол обзора

Угол обзора, характеризует видимый обхват наблюдаемого пространства. Напрямую зависит от фокусного расстояния объектива и размера ПЗС-матрицы. Так, при одинаковых объективах, угол обзора будет больше у видеокамеры с большей матрицей.

Угол обзора – важный параметр для камеры наблюдения. Чем он больше, тем шире зона наблюдения. Отсюда следует, что при большем охвате наблюдения одной камерой, меньше их понадобится, чтобы контролировать определённую площадь. Для определения количества приборов наблюдения необходимо рассчитать угол обзора.

Расчёт

Расчёт можно производить несколькими методиками.

Угол обзора напрямую зависит от фокусного расстояния. Отсюда следует, что рассчитав последнее, посредством вышеприведённой таблицы 1, можно определить искомый угол.

Формула расчёта выглядит так: f = r*A/L, где:

1. f – фокусное расстояние объектива.
2. r – метрическое расстояние до объекта, измеряемое в метрах.
3. A – размер в миллиметрах одной из сторон матрицы; принимается та, которая определяет плоскость наблюдения: вертикальная или горизонтальная зона наблюдения.
4. L – размеры объекта в метрах; принимаются в соответствии с размерной стороной матрицы: по вертикали или горизонтали.

Таким образом, будет рассчитан тот угол наблюдения, при котором объект будет занимать почти весь экран монитора. Принимая во внимание важность объекта и целесообразность наблюдения территории находящейся вокруг него, определяется в % та часть экрана, которою может занимать охраняемый предмет.

При этом окончательная формула принимает вид: f = r*A/(100*L/h), где:

• h – полный размер объекта на экране, выраженный в процентах;

Расчёты вручную по такой методике достаточно трудоёмкое занятие, поэтому были разработаны соответствующие программы для компьютерных вычислений.

Пример расчёта:

Объект наблюдения – въездные ворота на территорию предприятия. Задача, стоящая перед службой наблюдения – фиксировать марки и номерные знаки въезжающих и выезжающих автомобилей.

Исходные данные для расчёта:

• r = 10 метров, – расстояние от объектива до границы ворот;
• h = 5%, – размер объекта на мониторе по горизонтали;
• A = 8,46 мм (1/3”), – размер матрицы;
• L = 0,52 метра, – размер номерного знака;

Тогда фокусное расстояние объектива составит: f = 10*8,46/(100*0,52/5) = 10,429 мм.

Сверившись с таблицей, видим, что угол зрения камеры составит около 27 градусов.

Угол обзора, можно определить более коротким путём, но надо учесть, что недорогие объективы страдают оптическими искажениями, особенно сильна сферическая аберрация.

Формула расчёта: a = 2arctg(b/2f), где:

• a – угол обзора видеокамеры, в метрических градусах;
• тригонометрическая функция (арктангенс);
• b – размер матрицы в миллиметрах по одной из сторон;
• f – эффективное фокусное расстояние объектива в миллиметрах;

Пример расчёта:

Объект наблюдения точно такой же, как и в выше приведённом примере. Исходные данные принимаем точно такие же.

Угол обзора составит: a = 2arctg(8,46/2*10,5) = 29 градусов.

Несовпадение результатов вызвано небольшим округлением исходных данных до второго знака после запятой.

Современные короткофокусные объективы позволяют достигать угла обзора свыше 180 градусов (дверные глазки), но здесь возникает другая проблема. Линейные очертания объектов сильно искажаются сферической аберрацией – изображение принимает изогнутую форму. Отсюда следует вывод: чем больше фокусное расстояние, тем чётче виден объект, но под меньшим углом наблюдения.

Чёткость изображения

Чёткость изображения, или разрешение камер наблюдения
– это способность устройства уверено фиксировать минимальные размеры объекта наблюдения на определённом расстоянии до камеры.

Разрешение, и соответственно, чёткость изображения зависят:

• от качества объектива и его фокусного расстояния;
• от технических характеристик ПЗС-матрицы (количество и качество пикселей);
• от расстояния: «объектив – наблюдаемый объект»;

Если используется визуальное приёмное устройство (монитор), то добавляются:

• качество преобразования сигнала в приёмном устройстве (видеорегистраторе);
• технические характеристики воспроизводящего прибора (монитора);

Для разных камер, – аналоговых и по IT-технологиям (цифровые) чёткость определяется по своим характеристикам.

Для данного типа камер применяется показатель ТВЛ – телевизионные линии. Показывает, какое количество чередующихся чёрно-белых линий размещается на мерном участке в вертикальной или горизонтальной плоскостях.

Аналоговые камеры, по степени разрешения, подразделяются на приборы:

• со средним качеством изображения:
  около 500 пикселей, – соответствует 380…420 ТВЛ;
• высокая степень разрешения:
  свыше 750 пикселей, – больше 1000 ТВЛ, соответственно;

В цифровых, IP-камерах, показатель чёткости определяется пикселями, точнее, числом, получаемым от перемножения количества пикселей по вертикали и горизонтали, соответственно. В сопроводительных инструкциях указывается это число, выраженное в мегапикселях.

Многим знакома эта характеристика – так характеризуются свойства видеокамеры в мобильном телефоне.

Расстояние до объекта

На рис.1 (в начале статьи) показано, что объекты «1» и «2», находящиеся под одним и тем же углом обзора, на матрице отображаются одинаково, количество задействованных пикселей на восприятие обоих объектов, равно. Иными словами, количество информации приходит разное, но ближе расположенный объект, обладает меньшим объёмом данных – его детализация получается чётче, мелкие детали не «смазываются», не сливаются друг с другом.

Для того чтобы увеличить разрешение, детализацию объекта, необходимо приблизить объект «2» к объективу. Осуществляется это изменением фокусного расстояния, то есть, камера «наезжает» на объект. Но это применимо только для видеокамер, имеющих объективы с изменяемым фокусным расстоянием («плавающий» объектив).

Возможно оснащение приёмного устройства специальным программным обеспечением, позволяющим обрабатывать полученный цифровой сигнал, с целью увеличения детализации наблюдаемого объекта. Но это повлечёт к значительному удорожанию системы видеонаблюдения.

Примеры зависимости чёткости картинки от фокусного расстояния объектива, угла обзора и расстояния до объекта приведены в таблице:

Примечание: человек с нормальным зрением охватывает около 34…38 градусов в горизонтальной плоскости. Это соответствует примерно 6,9 мм среднего фокусного расстояния с матрицей = 1/3”. Камеры с объективами менее 7 мм (короткофокусные) будут оптически удалять объект; при объективах свыше 7 мм (средне- и длиннофокусные) происходит визуальное приближение объекта.

При расчётах дистанций, за основу принимаются европейские нормы:

• 20 пикселей/метр
  – норма для разрешения при обнаружении объекта в поле обзора;
• 100 пикселей/метр
  – показатель, применяемый при распознавании объекта;
• 250 пикселей/метр
  – разрешение при идентификации;

В тексте приведены определяющие факторы, отвечающие за угол обзора видеокамеры.

Но в процессе эксплуатации возникают такие факторы, влияющие на показатели прибора:

• нарушение работоспособности объектива, в случае изготовления оптической составляющей из полимерного материала (помутнение объектива);
• некачественное закрепление корпуса к опорной конструкции (дрожание от порывов ветра или других воздействий);
• утрата своих свойств смазочной составляющей в конструкции видеокамеры (сложность перемещения самой камеры или объектива);
• электронные помехи, влияющие на передаваемый сигнал, а также другие различные факторы;

Кроме теоретических расчётов по углу обзора, важными факторами являются:

• точка установки, должна обеспечить максимальный обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
• защищенность от воздействия климатических или каких-либо механических воздействий;
• доступность, при совершении профилактических работ по поднастройке видеокамеры и профилактическому обслуживанию;

Каждый объект требует индивидуального подхода при определении угла обзора, чёткости картинки на мониторе. Всё это определяется при постановке задач по определению параметров наблюдаемой территории и рассчитывается специалистами.