Уважаемые посетители, рекомендуем посмотреть нашу новую статью по выбору объективов для камер наблюдения . В этой статье рассмотрен выбор объективов для камер высокого разрешения и преведены примеры качества распознавания в зависмости от расстояния и угла обзора.

Основная дилемма при выборе камеры для системы видеонаблюдения, это фокусное расстояние линзы, именно от него зависит то, что Вы в итоге увидите. С одной стороны человеку надо видеть все вокруг, т.е. иметь максимальный угол обзора, с другой стороны нужна детализация изображения, которой можно добиться, только уменьшая угол обзора.

Для примера, устанавливаем две одинаковые камеры с фокусом 8мм и 3.6мм, на широкоугольной камере взгляд «цепляется» за какой то элемент на изображении, например автомобильный номер - он не виден. Но зато он виден на узкоугольной камере с фокусом 8мм и создается впечатление, что камера с объективом 3.6 хуже, хотя на самом деле камеры одинаковые, за исключением объективов.

Как же подобрать необходимый фокус объектива камеры видеонаблюдения? Самый простой способ, это купить камеру с варифокальным объективом.

Варифокальный объектив.

Это объектив, который позволяет произвести изменение фокусного расстояния и подстроить на месте тот угол обзора, который необходим. Но у варифокального объектива есть ряд существенных минусов:

1.Высокая цена объектива
2.Больший размер, по сравнению с объективом, имеющим фиксированный фокус и как следствие, больший размер самой камеры.
3.Сложность в точной фокусировки изображения. На небольшом тестовом мониторе, который можно подключить к камере, изображение мелкое и невозможно точно настроить, а просмотр на большом мониторе не всегда возможен.
4.Изображение с варифокального объектива несколько хуже, чем с фиксированного.

Как выбрать нужный фокус?
Необходимо нарисовать план помещения или объекта, отметить место планируемой установки камеры, оценить, под каким минимальным углом обзора будет видно все, что Вам необходимо. Сверить по таблице какой фокус соответствует Вашему углу.

Если на бумаге Вам работать сложно, то советую программу IP Video System Design Tool 7, имеющую бесплатный триальный период, на которой можно быстро нарисовать план, разместить камеры и подобрать нужный фокус.


Всегда ли нужно идти на компромисс?
Как уже ранее было отмечено, нам необходимо выбрать одно из двух - либо детализацию, либо угол обзора. Какие еще есть варианты? Если брать аналоговые камеры, то одним из вариантов решения является выбор видеорегистраторов и камер в стандарте 960Н, это широкоформатный стандарт, который позволяет видеть в 1.33 раза более широкую картинку с камеры при том же фокусе объектива. Либо переход на IP видеонаблюдение, поскольку детализация HD камеры с разрешением 1280х720 по пикселям в 2.5 раза выше, чем у аналоговой камеры и примерно в 4 раза выше по субъективному взгляду на изображение. Дело в том, что при размерности матрицы аналоговой камеры в 0.4 мегапикселей, после преобразования изображения в аналоговый сигнал происходят определенные потери. При передачи изображения по кабелю также происходят потери и при кодировании кодеком H.264 еще раз происходят потери качества. В результате мы имеем реальное соотношение, близкое к 1:4.
Таким образом, изображение с одной камеры 720р и объективом 3.6мм будет более информативно, чем изображение с двух аналоговых камер с фокусом 8мм. Если же надо еще большую детализацию, то можно выбрать FullHD камеру с разрешением 1920х1080.
При этом стоимость одной IP HD камеры примерно равна стоимости двух аналоговых камер, но затраты на монтаж делают установку одной IP камеры вместо двух аналоговых более выгодным.

Особенности широкоугольных объективов.

В рамках статьи хочу отметить, что чем выше угол обзора, тем выше нелинейные искажения по краям изображения. И даже хорошие объективы дают такой эффект.

Крайним случаем широкоугольного объектива является так называемый объектив «рыбий глаз» имеющий максимальный угол обзора. Такие объективы устанавливаются, например, в центре под потолком помещения и способны обозревать всю комнату одной камерой.

Основные сведения:

Как известно, LCD дисплеи имеют ограниченный угол обзора. Контрастность изображения сильно зависит от угла падения взгляда на LCD панель. При определённых углах контраст достигает максимума, и изображение легко читается, при других контраст резко падает и чтение информации с экрана сильно затруднено. Физические размеры допустимого угла обзора, в дальнейшем - угла обзора, определяются несколькими факторами, основными из которых являются тип “жидких кристаллов” и циклы запитки. Поскольку угол обзора, как правило, меньше чем хотелось бы, то каждый модуль LCD приобретает опорное направление обзора в процессе его производства. Чаще всего оптимальный угол обзора смещён относительно нормали к поверхности модуля.

Несколько типов LCD модулей предлагаются производителямис установкой опорного направления под разными углами или позициями дляохвата как можно большего числа различных применений модулей. Термин “опорное направление” или “угол смещения” часто путают с понятием “угол обзора”.

Определение “угла смещения” и “угла обзора”

Углом смещения считается угол между нормалью к поверхности LCD и направлением, с которого дисплей обеспечивает наилучшее изображение и максимальный контраст см. рис.1.

Этот угол определяется конструктивом дисплея и может устанавливаться в процессе производства в любом направлении или ориентации. Ориентацию угла смещения дисплеев часто формулируют с помощью опорных направлений циферблата стрелочных часов. Если направление лучшего обзора находится выше дисплея, говорят о смещении на 12:00 или об основном смещении. Hantronix предлагает стандартные LCD дисплеи с обоими позициями угла смещщения и на 12:00, и 6:00, а так же изготавливает заказные модули с любыми углами смещения.

Рис.1 Определение угла обзора (Viewing angle)

Уголом обзора считают угол формирующийся с обоих сторон от угла смещения в пределах которого контраст дисплея остаётся достаточно высоким. Hantronix ограничивает это снижение контраста в пределах угла обзора как отношение 1.4:1. STN цифровой дисплей с циклом запитки 1/16 имеет угол обзора в пределах 20 градусов, и угол смещения 25 градусов. Когда этот дисплей виден под углом 25 градусов выше нормали (как это показано на рис.1.) он имеет максимальную контрастность и наилучшее изображение. В этом примере дисплей имеет смещение на 12:00, т.е. смещение основного типа. При смещении глаз наблюдателяотносительно дисплея на дополнительный угол в пределах 30 градусов контрастность дисплея уменьшается, но изображение остаётся достаточно чётким и легко читаемым. Дальнейшее увеличение этого угла приводит к существенному снижению качества изображения.

Регулировка контраста и её влияние на угол обзора

Регулировка напряжения контраста, VL, устанавливает угол смещения в определённое положение, но не влияет на угол обзора. Дисплей с углом смещения на 12:00 может быть оптимизирован на угол в 6:00 регулировкой напряжения контраста. Но 12:00 “часовой” дисплей установленный в позицию 6:00 угла смещения не будет обладать таким же высоким контрастом как 6:00 “часовой” в позиции на 6:00 и наоборот.

Разработчики часто желают иметь LCD дисплеи, оптимизированные для нулевого угла смещения, когда контраст максимален при нормальном падении взгляда наблюдателя на панель.

Оба типа модулей и 12:00 и 6:00 могут использоваться для этой цели, а напряжение контрастапросто регулируется для оптимизации дисплеев при заданном угле наблюдения.

Например, в приведённых ранее дисплеях, угол обзора обоих типов дисплеев и 12:00 и 6:00 перекрывает перпендикуляр к поверхности дисплеев.

Процедура регулировки контраста

Однажды установленный угол смещения дисплея в соответствии с его конструктивом, может, однако, корректироваться в последствии в соответствии с его применением. Это подтверждается результатами разработки множества прототипов изделий с LCD дисплеями. Для такой регулировки необходим потенциометр с сопротивлением около 10 Ком, соединённый с шинами питания модуля, как показано на рис.2, для двух вариантов питания, одно и двухполярного.

Движок потенциометра при этом соединён с входом VL модуля. LCD устанавливают в положение при котором он виден под необходимым углом смещения. Регулируя положение движка потенциометра, а вместе с ним и напряжение VL, добиваются оптимальной контрастности изображения. Напряжение VL при этом может быть измерено и зафиксировано.

В последствии потенциометр может быть заменён в изделии на делитель из двух резисторов, вырабатывающий необходимое напряжение VL.

Рис.2.

Выбор необходимого модуля для изделия

Большинство выпускаемых электронных изделий, при эксплуатации, имеют определённое пространственное положение. Для устройств располагаемых на столе, таких как калькуляторы, дисплеи в основном видны сверху. Обычно это так же справедливо и для малых измерительных приборов. Для этих применений необходимо отдать предпочтение LCD модулям 6:00. для изделий где LCD модуль расположен вертикально, например, на приборном щитке автомобиля или самолётапредпочтение следует отдать модулям 12:00.

Заключение

Выбор LCD дисплеев, с точки зрения угла обзора, очень важен, однако, разработчик должен иметь в виду, что установка контраста не менее важна, поскольку оба этих параметра совместно влияют на качество изображения выбранного модуля, и в конечном итоге на привлекательность вашей разработки.

Исходный файл:

Если качество изображения на ЭЛТ-мониторе не страдает при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих LCD-панелях даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи.

Угол обзора - это угол относительно перпендикуляра к центру панели, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре панели падает до 10:1.

Недостатки такого подхода к оценке углов обзора:

Искажения изображения становятся заметны при падении контрастности уже до 100:1, т. е. используемый показатель мягок, т.к. заметить отличие картинки от идеальной можно и при меньших углах обзора. Отдельные производители указывают углы обзора для предельной контрастности не 10:1, а вдвое меньше - 5:1, в результате чего "легким движением руки" TN+Film-панель с углами обзора 150/140 градусов превращается в панель с углами уже 160/160 градусов.

Измерения контрастности проводятся в центре экрана, в то время как пользователь, находящийся перед монитором, видит края экрана под другим углом, нежели центр.

Производитель панели указывает контрастность, наблюдаемую при взгляде строго перпендикулярно экрану, и под каким углом эта контрастность упадет до 10:1, но мы ничего не знаем о том, как она изменяется между этими двумя точками.

При измерении углов обзора учитывается только падение контрастности, но не искажение цветопередачи.

Указывается суммарный угол обзора в обе стороны от нормали (т.е. с вертикальным углом обзора суммируются предельные углы при взгляде на панель сверху и при взгляде снизу). Например, для моделей на TN+Film-матрицах угол обзора сверху существенно больше, однако при взгляде сверху нижняя часть изображения сначала выцветает, а потом, по мере увеличения угла, инвертируется (белый цвет приобретает характерный синеватый оттенок и становится темнее светлых оттенков серого). В результате, в паспортных характеристиках указан большой угол обзора по вертикали, в реальности малейшее отклонение экрана монитора назад приводит к заметному потемнению его верхней части.

Углы обзора по вертикали и горизонтали (т.е. именно те углы, которые указываются в характеристиках) максимальны, в то время как "диагональные" углы обзора существенно меньше.

Выводы. Техническая характеристика монитора "углы обзора" мало говорит о том, как будет выглядеть изображение на экране. С углами связано такое количество ограничений и допущений для различных типов матриц, что единственный пригодный для покупателя способ оценки качества монитора - это посмотреть на различные образцы воочию, не полагаясь на скупые паспортные данные, и принять решение.

Яркость и контрастность

Яркость - это яркость белого цвета (т. е. на матрицу подается максимальный сигнал) в центре экрана.

Контрастность - это отношение уровня белого цвета к уровню черного в центре экрана.

Говорить о "яркости" и "контрастности" монитора некорректно, т.к. в качестве этих параметров производители мониторов в большинстве случаев заявляют паспортные параметры панели, предоставленные им производителями этих панелей. Если на время отклика и углы обзора электроника всего устройства не оказывает существенного влияния, то в случае с яркостью и контрастностью ситуация меняется.

Физика процесса. Проблема с контрастностью LCD-панелей вытекает из принципа их действия. В отличие от абсолютного большинства электронных устройств отображения информации, по отношению к свету матрица является не активным, а пассивным элементом. Она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать световой поток, проходящий через нее. Поэтому позади LCD-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет прозрачностью, ослабляя свет от модуля подсветки в заданное количество раз. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации с помощью жидких кристаллов, расположенных между двумя сонаправленными поляризаторами. Сонаправленность поляризаторов означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он преодолеет второй поляризатор без потерь. Если же плоскость поляризации была повернута жидкими кристаллами, то второй поляризатор задержит световой поток, и соответствующая ячейка будет выглядеть черной. Из-за неидеальности поляризаторов и расположения кристаллов задержать весь свет невозможно, поэтому какой-то процент светового потока всегда будет проходить через матрицу, слегка "подсвечивая" черный цвет монитора.

Измерения контрастности выполняются производителями панелей, а не мониторов. На специальном стенде панель подключается к источнику тестового сигнала, а лампы подсветки питаются током определенной величины, и получаются эталонные значения. В реальном мониторе добавляется влияние его электроники, которая: - тактируется генератором сигналов, отличным от лабораторного; - управляется пользователем, регулирующим яркость, контрастность, цветовую температуру и другие параметры.

Даже заявляемая многими производителями панелей контрастность 500...1000:1 далека от идеала. При такой контрастности монитор не может обеспечить глубокого черного цвета. Если посмотреть на экран при неярком внешнем освещении, то он может выглядеть темно-серым, но не черным.

Пользователь самостоятельно способен регулировать яркость и контрастность, что влияет на параметры изображения.

Некорректно говорить, что пользователь меняет яркость и контрастность ручками "Brightness" и "Contrast", т.к. непонятно - яркость чего он регулирует и за счет чего меняется контрастность. Регулировкой "Contrast" пользователь меняет яркость белого цвета (и всех оттенков серого, но вот черный цвет остается неизменным), а регулировкой "Brightness" - яркость как черного, так и белого одновременно.

В большинстве мониторов регулировкой "Brightness" изменяется яркость ламп подсветки. Встречается регулировка яркости с помощью матрицы - при увеличении яркости пользователем монитор добавляет к подаваемому на матрицу сигналу постоянную составляющую. При таком способе регулировки страдает контрастность, т. к. лампы подсветки всегда работают на мощности, необходимой для обеспечения максимально возможной для монитора яркости. Поэтому на небольшой яркости, даже если добавляемая к сигналу постоянная составляющая будет равняться нулю, такой монитор покажет заведомо более высокий уровень черного. Регулировка яркости с помощью матрицы негативно влияет и на время отклика.

У матриц с невысокой контрастностью часто страдает равномерность подсветки. Это проявляется в виде светлых или темных полос или пятен (светлые пятна могут соответствовать расположению ламп подсветки), иногда в виде светлых полос у края матрицы.

Вывод: - целесообразно сравнивать два монитора на матрицах одинакового типа по паспортному значению контрастности; - сравнивать мониторы на разных типах матриц и делать какие-то выводы о контрастности по одним заявленным производителем монитора цифрам вряд ли стоит; - снова приходится выбирать на качественном уровне - "лучше-хуже".

Объектива. Но большинство производителей, не совсем честно заявляют этот параметр в технических характеристиках своих устройств или указывают угол обзора по диагонали - параметр, который впринципе никому не нужен.

Мы попытались разобраться в этом вопросе и выяснить какой же реальный угол обзора у популярных автомобильных видеорегистраторов.

Метод измерения угла обзора видеокамеры довольно прост. На стену вешается такая картинка:

Напротив центра, обведенного красным кружком строго на расстоянии d от картинки располагается объектив видеокамеры (в нашем случае автомобильного видеорегистратора). Результат будет виден на горизонтальной линии, находящейся в экваторе кадра, где геометрические искажения минимальны.

Если вы сами будете проводить подобные измерения, то распечатав данный рисунок следите за тем, чтобы его пропорции сохранились. Это легко сделать - проверив угол в 90° приложив к нему угол листа бумаги. Они должны совпадать. Те, у кого есть Autocad, могут скачать оригинал рисунка .

Полученные нами результаты мы приводим ниже.

Как видно из таблицы у большинства видеорегистраторов стандартный угол обзора по горизонтали - 72° ( объектива f=3,6мм), вопреки заявленным 120°, у DVR-027 угол несколько шире - около 80°, и один из самых широкий угол обзора у регистратора DVR-D5000 - 95°. Самый широкий угол обзора у автомобильного видеорегистратора - проядка 115 градусов по горизонтали. Самый широкий угол обзора у Full HD видеорегистраторов пока у и - более 100 градусов по горизонту.

Обратите внимание насколько искажена картинка получается при столь широкоугольном объективе (да и детализация кадра при этом страдает). Прямые линии превращаются в дуги, прямые углы отсутствуют. Особенно это видно по краям кадра. Проявляется так называемый эффект "рыбьего глаза", когда при угле обзора более чем в 90 градусов кадр становится как бы выпуклым, как у дверного глазка, у которого угол обзора около 130 градусов.

Если раньше вы не обращали внимания на этот эффект - взгляните в ваш дверной глазок - увидите, что дверь (окно) напротив имеет форму не прямоугольника, а бочки (поэтому эти искажения и называют бочкообразными). И при этом угол дверного глазка не 180°, как многие ошибочно полагают, иначе вы бы в него видели косяки собственной двери. Можно себе представить, как выглядело бы видео с автомобильного видеорегистратора с реальным углом по ГОРИЗОНТАЛИ в 120°.

Вот как выглядит кадр с объектива с фокусным расстоянием 2.5 мм, угол обзора у которого по горизонтали - 120 градусов, по диагонали в 150°:

Мы и в дальнейшем планируем выкладывать подобную информацию о других автомобильных видеорегистраторах. Если вы хотите узнать и у него есть экран - приезжайте к нам в - мы протестируем его.

Со времени первой публикации этой страницы были произведены еще измерения углов обзора у разных автомобильных видеорегистраторов. У большинства Full HD видеорегистраторов можно увеличить угол обзора, путем уменьшения разрешения записи. Например из таблицы видно, что видеорегистратор в Full HD разрешении (1920х1080 пикселей) имеет стандартный угол обзора - 73 градуса, а вот в разрешении HD (1280x720) угол обзора уже у него 98 градусов. Таким образом, пользователю предоставляется выбрать для себя, что важнее - широкий угол обзора или высокое разрешение.

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.

Цель эксперимента: наглядно показать зависимость углов обзора видеокамеры от используемых объективов.

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:

Объектив 3,6 мм,

Объектив 2,8 мм,

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.

Угол обзора с объективом с фокусным расстоянием 1.9 мм

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

a = 2arctg (d/2f),

a - угол обзора видеокамеры, в метрических градусах;
arctg - тригонометрическая функция (арктангенс);
d - ширина матрицы в миллиметрах;
f - эффективное фокусное расстояние объектива в миллиметрах;

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.