Megapixelové kamery s automatickým P–Iris objektivem
2
Jak doostřit megapixelou kameru? Víte co znamená P-Iris objektiv s automatickou clonou? Pokud ne tak je Vám určen následujíc článek od firmy CBC Japonského výrobce objektivů Computar
Obsah Úvod ……………………………………………………………………………………...............…………………
3
Funkce irisové clony ………………………………………………………………................………………
3
Výčet vlastností irisové clony ……………………………………………………............………………..
5
Typy irisových clon ………………………………………………………………................…………………
7
Slabiny konvenčních konstrukcí automatických irisových clon ………............………….
8
Jak funguje irisová clona P …………………………………………..............…………………………..
8
Dokonalejší řešení ……………………………………………..................…………………………………. 10
3
Úvod CBC představují další generaci čoček Computar, nazývaných čočkami s irisovou clonou nazývanou P-iris. Tento typ čoček má dokonalejší výkonové charakteristiky – zejména u kamer, které používají snímače s vysokým počtem pixelů, jako je tomu v tomto případě u IP8162P. Tento „bílý papír“ popisuje technologii irisové clony P, která pokrývá důležité pozadí, zdůvodnění pro tento vývoj, jeho cíle konstrukce, jeho způsob výroby a jeho specifické výhody oproti jiným typům irisových clon.
Funkce irisové clony Obdobně jako duhovka oka je i irisová clona kamery neprůhledná struktura s nastavitelným otvorem, zvaným apertura (nicméně v zájmu srozumitelnosti se bude ekvivalentní termín „otvor irisové clony“ používat v celém tomto dokumentu), která ovládá množství světla, vstupujícího do čoček. Všechny ostatní složky zůstávají konstantní, čím více světla je vpuštěno dovnitř, tím jasnější bude výsledný obraz. Stejně jako se oční pupila stahuje v jasném světle, tak i analogicky otvor irisové clony se může stahovat, jsou-li přítomny vysoké úrovně světla, takže konečný obraz si udrží správný jas. Pokud by se neměnil otvor irisové clony, obrazy z kamery by bledly, jestliže by se hladina okolního světla zvyšovala, a temněly by, pokud by klesala.
Irisová clona
Irisová clona v porovnání s oční pupilou
4
Velikost otvoru irisové clony tedy ovlivňuje mnoho dalších hledisek kvality obrazu. Například velký otvor irisové clony snižuje hloubku zorného pole scény. Hloubkou zorného pole se rozumí vzdálenost, ve které se objekty na scéně zobrazují ostře. Mít dobrou hloubku zorného pole je mimořádně důležité ve mnoha aplikacích pro sledování a pozorování, protože umožňuje, aby více monitorovaného prostředí bylo jasně viditelné. Celková ostrost obrazu je tedy ovlivněna velikostí otvoru v irisové cloně, protože optická aberace, která vzniká u všech čoček, pokud se využívá celé plochy čoček, se snižuje při malých aperturách. Ale i když menší otvor v irisové cloně má obecně za následek ostré obrazy, existuje určitá prahová úroveň tohoto efektu. Příliš malý otvor způsobuje rozmazání kvůli difrakci. Tento problém se typicky vyskytuje ve venkovním prostředí s vysokým jasem, kdy je otvor irisové clony stažen za bod, kdy začnou převládat efekty difrakce. Jestliže dochází k difrakci, světlo, které by mělo dopadat na jednotlivý pixel snímače se místo toho rozptýlí na více pixelů, což má za následek rozmazání a zkreslení barev, což snižuje kvalitu obrazu, Naneštěstí se tento problém stupňuje u dokonalejších kamer s megapixelovými snímači, protože takovéto snímače mají menší jednotlivé pixely.
Focus point
Depth of field Computar
5
Výčet vlastností irisové clony Protože absolutní velikost otvoru irisové clony není příliš důležitá a je nezávislá na vlastnostech čiček, používá se číslo F pro kvantifikaci efektu irisové clony. Číslo F je bezrozměrná hodnota, která vyjadřuje poměr ohniskové vzdálenosti čoček kamery ku průměru otvoru v irisové cloně. A tedy při konstantní ohniskové vzdálenosti se hodnota čísla F zvětšuje podle toho, jak se velikost otvoru v irisové cloně zmenšuje – to znamená, že převrácená hodnota čísla F je přímo úměrná velikosti otvoru v irisové cloně.
f/1.4
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6 f/8
Vztah mezi číslem F a aperturou
Číslo F
1.4
2
2.8
4
5.6
8
Expoziční poměr
32
16
8
4
2
1
6
Na základě výše uvedeného si můžeme prohlédnout vztah mezi velikostí otvoru v irisové cloně, vyjádřenou číslem F a kvalitou obrazu v níže uvedeném diagramu:
Kvalita obrazu (MTF)
Nejlepší poloha apertury
Číslo F
Kvalita obrazu je vynášena ve svislé ose za použití hodnoty MTF, což je v široké míře přijímané technické měřítko úrovně detailu, zachyceného obrazem a čirosti, kterou je interpretován (kvůli komplexnosti této hodnoty zde vypustíme podrobnosti způsobu definování hodnoty MTF). Číslo F je vynášeno ve vodorovné ose. Zde znovu připomínáme, že „apertura“ a „otvor irisové clony“ jsou ekvivalentní pojmy. Výše uvedený graf zřetelně znázorňuje, že zatímco se kvalita zobrazení zpočátku s rostoucími čísly F zlepšuje (znovu uvádíme, že to odpovídá menším velikostem otvoru v irisové cloně), při vyšších hodnotách čísla F se kvalita obrazu zhoršuje podle toho, jak se začne projevovat vliv difrakce. Graf také znázorňuje relativně úzký rozsah hodnot čísla F, ve kterém se dosahuje optimální kvality obrazu pro každé dané čočky a stanovuje podmínky (včetně ohniskové vzdálenosti a úrovní osvětlení).
7
Typy irisových clon Irisovou clonu lze klasifikovat podle toho, jakým způsobem je její otvor otvírán. Na nejobecnější úrovni může být irisová clona buď manuální nebo automatická.
Manuální irisová clona: V manuální irisové cloně se apertura nastavuje ručně, otáčením kroužku kolem čoček. V kamerách pro sledování se používá obecně pouze v aplikacích, kde jsou vysoké úrovně konstantní, což je případ instalací v interiérech, protože nastavování vyžadují zásahy uživatele. Automatická irisová clona: Automatická irisová clona je obecné označení pro irisové clony, které mají mechanismus pro nastavování otvoru jako odezvy na změnu úrovní osvětlení bez lidského zásahu. Automatická irisová clona je obecně požadována pro kamery pro sledování, používané ve venkovním prostředí, kde se úrovně osvětlení často mění. • Irisová clona video: Irisová clona video používá motor pro nastavování otvoru irisové clony jako odezvy na změny úrovní osvětlení. Analogový signál, typicky videosignál, je konvertován na ovládací signál, který řídí motor, který ovládá polohu irisové clony pro zvětšování a zmenšování velikosti otvoru. Řídící obvod je umístěn v samotném mechanismu objektivu, což činí konstrukci objektivu s touto technologií nákladnější. • Irisová clona s ovládáním stejnosměrným proudem: Tato irisová clona je v podstatě podobná jako irisová clona video, ale s tím rozdílem, že řídící obvod hnacího motor je zabudován do kamery a ne do mechanismu objektivu. Irisová clona P je navržena a zkonstruována tak, aby odstranila základní slabiny obou konvenčních typů automatických irisových clon – irisové clony video a irisové clony s ovládáním stejnosměrným proudem.
8
Slabiny konvenčních konstrukcí automatických irisových clon Ačkoli automatická irisová clona umožňuje kameře nastavit otvor irisové clony jako odezvu na změny úrovní osvětlení bez nutnosti lidského zásahu, tato výhoda má vážné slabiny. Z důvodu zjednodušení se následující pojednání bude týkat pouze irisové clony s ovládáním stejnosměrným proudem, protože v něm uvedené body jsou rovněž použitelné pro irisovou clonu video. Ačkoli irisová clona s ovládáním stejnosměrným proudem dokáže nastavit velikost otvoru irisové clony jako odezvu na změny úrovní osvětlení, bere v úvahu pouze tento jediný parametr a nedokáže brát v úvahu vliv velikosti otvoru irisové clony na kvalitativní proměnné obrazu jiné, než je jas. Například, i když velikost otvoru irisové clony přímo ovlivňuje hloubku zorného pole, irisová clona s ovládáním stejnosměrným proudem prostě nastaví tu správnou úroveň jasu obrazu, aniž by připustila možnost toho, že hloubka zorného pole tím může být vážně zhoršena. Smyslem tohoto omezení je to, že irisová clona s ovládáním stejnosměrným proudem používá poměrně jednoduchý mechanismus, který nedokáže předat veškeré údaje o poloze irisové clony do kamery. Takovéto informace by umožnily kameře s příslušnými podpůrnými schopnostmi nastavit otvor irisové clony pro optimalizaci celkové kvality obrazu.
Jak funguje Computar irisová clona P Jak bylo již dříve uvedeno, pokládá se tento základní nedostatek konvenční irisové clony zavedením irisové clony P za překonaný. I když je irisová clona P také typem automatické irisové clony, nabízí tato clona nejen automatické nastavení otvoru irisové clony, ale také přesnou kontrolu všech hledisek kvality obrazu. Spíše než omezování na úzké zaměření se na úrovně osvětlení jako na jediný určující prvek velikosti otvoru irisové clony, irisová clona P funguje v koordinaci se software pro automatické stanovení a nastavení velikosti otvoru irisové clony tak aby se dosáhlo co nejlepší kvality obrazu. Navíc irisová clona P využívá sofistikovaný krokový motor pro nastavení polohy irisové clony s mimořádnou přesností.
9
Irisová clona P také využívá výhod elektronického ovládání takových parametrů, jako je zisk (zesílení intenzity signálu) a expoziční doby pro dosažení mimořádné úrovně optimalizace, čímž předchází snížení kvality obrazu kvůli optickým jevům, jako je například difrakce, ke které dochází v mezních podmínkách, kdy se velikost otvoru irisové clony velni zmenší. Pro prostředí s velkým jasem je kamera s irisovou clonou P naprogramována tak, aby zabránila takové kontrakci otvoru irisové clony, která by vyvolala efekty difrakce. Zatímco běžný automatický irisová clona by v takových situacích mohla způsobit rozmazání obrazů, u kamery s irisovou clonou P by se mělo těmto postranním efektům difrakce předejít za použití jiných prostředků pro korekci nadbytečného množství světla, které prochází objektivem, protože otvor irisové clony není stažen ve stejném rozsahu.
Vztah mezi otevřením (aperturou) irisové clony a hloubkou zorného pole
Hloubka zorného pole
Hloubka zorného pole
Hloubka zorného pole
10
Dokonalejší řešení Realizací větší kontroly zrnitosti se zaměřením na kvalitu obrazu a zejména předcházení difrakci irisová clona P nabízí přesvědčivé výhody oproti jiným typům automatických irisových clon. To je zejména cenné pro kamery, používané ve venkovních prostředích, pro náročné aplikace pro sledování a v jakémkoli scénáři používání, kde jsou úrovně osvětlení velmi proměnlivé. Navíc její výhody jsou nejpatrnější ve třídě megapixelových kamer, kde obecně menší pixely v jejich snímačích je činí více náchylnější vůči efektům difrakce. Díky sofistikované souhře software a hardware je irisová clona P revolučním krokem vpřed v konstrukci objektivů kro kamery pro videosledování, poskytující bezpečnostním zařízením, u kterých roste jejich důležitost dramatické zdokonalení kvality obrazu ve více dimenzích včetně hloubky zorného pole, čirosti a úrovně detailů – a nejen jasu. Na rozdíl od některých pokroků v technologiích zobrazování, kde zdokonalení byla pouze zřejmá z pohledu specialisty nebo za mimořádných podmínek, jsou výhody irisové clony P oproti konvenční irisové cloně ovládané stejnosměrným proudem ihned zřejmé i pro náhodného pozorovatele, což je vidět na následujících vyobrazeních:
Porovnání záběru pořízeného pomocí objektivu s konveční irisovou clonou a s irisovou clonou P
Konvenční objektiv
Objektiv s irisovou clonou P-iris Computar
F2
F3
F7
F25
Nejdůležitější skutečností je, že irisová clona P umožňuje kamerám poskytovat nutný standard kvality obrazu, a to i za světelných podmínek, které by jiné typy automatických irisových clon nezvládly odpovídajícím způsobem. Kromě vždy samozřejmě toho nelepšího designu se od objektivů s irisovými clonami P v širokém měřítku předpokládá, že se stanou hlavním směrem volby a průmyslovým standardem podle toho, jak se u kamer pro sledování neustále zvyšují jejich počty pixelů a jak uživatelé požadují neustále vyšší kvalitu obrazu. Doufáme že tento článek přispěl k Vašemu přehledu ve světě CCTV. Za CBC napsal: Jan Rosa, 16.4.2012
CBC – CZ/SK, Image & Information Technology Division (divize technologií zpracování informací a obrazu) Pomořanská 472/2,Praha 8 - 181 00 • Tel.: +420 777 830 730 Mail:
[email protected] • www.cbc-de.com
