Що таке «фокусна відстань» у відеоспостереженні?

Цей перший матеріал буде про таке важливе питання в як «фокусна відстань». Як би Ви пояснили це поняття?

Більшості людей взагалі немає потреби заглиблюватися в цю тему – бо фотографуємо ми і знімаємо відео з допомогою технологічно просунутих смартфонів – а там все налаштовано статично – один раз і назавжди – торкаєшся на екрані в точку на яку хочеш навести фокус – і готово, можна знімати.

Але у системах відеоспостереження – інакше. ІР-відеокамери мають моторизовані об’єктиви не тільки із фізичним зумом, а ще й додатково цифровим. І якщо інженер, що монтує камери на об’єкті, не буде обізнаний із поняттям «фокусна віддаль», то вся система відеоспостереження працюватиме некоректно, і не буде видавати оптимальні результати. Тому, що ж таке фокус, і пов’язана з ним фокусна віддаль?

Отже по-черзі. Що таке об’єктив відеокамери (в тім числі і ІР-камери спостереження)? Цей пристрій має єдину функцію – захопити зображення «живого» об’єкту (будь-то людина, автомобіль, природний ландшафт чи пролітаюча комаха) і спроектувати його на площину, з якої цей об’єкт може «зчитати» система запису відео. В нашому випадку – це матриця відеокамери.

З чого безпосередньо складається об’єктив відеокамери? З лінзи чи хитро скомпонованої системи з декількох лінз, дзеркал і інших атрибутів. Однак навіть в останньому випадку лінзи скомпоновані таким чином, що всі вони (навіть рухаючись одна відносно іншої) ВСЕ РІВНО ВОЛОДІЮТЬ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ОДНІЄІ СУКУПНОІ ЛІНЗИ. Тобто промінь світла, проходячи через серію лінз буде змінений так, ніби він пройшов лише через одну лінзу. Багато лінз потрібно лише для того, щоб реальний об’єкт, який ми знімаємо, максимально «наблизити» до площини матриці.

Отже лінза: це скло різної форми (від круглої, квадратної до фігурної), але з однією особливістю – його товщина в центрі кола/квадрата та на кромці ЗАВЖДИ відрізняється. Відповідно лінзи бувають:

• Опуклі – коли скло посередині товсте, а до країв стоншується;
• Вгнуті – по краях скло товсте, а посередині тонке;
• Комбіновані – одна сторона такої лінзи може бути повністю плоскою, а протилежна опуклою чи вгнутою – такі лінзи часто можна побачити в окулярах, особливо для далекозорих людей (там лінзи вгнуті).

Як відомо, світло ЗАВЖДИ рухається прямолінійно (тому снайпери користуються лазерним прицілом – червоний промінь чітко покаже точку, куди потрапить куля).отже промінь світла від об’єкта зйомок буде рухатися без зміни напрямку і через повітря, і навіть через саму лінзу. Однак завдяки тому що лінза має опуклу форму, промінь світла переломлюється в момент коли переходить із середовища повітря в середовище скла, і вдруге, коли виходить з тіла лінзи знову в середовище повітря.

Щоб не заплутувати самих себе і полегшити розуміння дії подвійного переломлення світла при проходженні через лінзу, фахівці домовилися проводити через вертикальну площину лінзи лінію, і називати цю лінію «лінією площини лінзи». Тож вважається що при проходження цієї лінії площини лінзи промінь світла переломлюється один раз на кут що дорівнює сумі кутів переломлення при входженні в тіло лінзи і при виході з нього.

Що ж, із вертикальною площиною лінзи розібралися, тепер настала черга для прояснення горизонтальної площини лінзи. Як всі знають (хто принаймні тримав лінзу в руках), промені світла переломлюються в ній не абияк, а сходяться до центру в якійсь умовній точці за самою лінзою. Однак є в лінзі точка, в якій промінь не переломлюється зовсім – тобто проходить через лінзу не змінюючи напрямку. І ця точка в самому геометричному центрі кола лінзи. Ще він називається центром симетрії лінзи – бо з цієї точки до країв лінзи однакова віддаль. Так ось ця точка називається оптичною віссю лінзи.

Отже підсумовуючи – якщо промінь світла входить в лінзу під прямим кутом і чітко по центру кола лінзи, то він проходить через оптичну вісь лінзи.

Якщо ж ми умовно «розріжемо» тіло лінзи на два рівні круги (так же як ми розрізаємо товстий шмат ковбаси на два тонші кусочки), то ми пройдемо через лінію площини лінзи.

А тепер – головне. Уявіть що промені світла прийшли до нас із безкінечності, із такої великої віддалі, що важко уявити, наприклад від нашого Сонця. Звісно, що пучок таких променів буде строго паралельним – кожен окремий промінь буде паралельним іншому. Отже, лінза буде лінзою лише в тому випадку коли ВСІ промені світла, що входять в скло паралельно оптичній осі переломляться так, що ЗІЙДУТЬСЯ ЗА ТІЛОМ ЛІНЗИ В ОДНУ УМОВНУ ТОЧКУ. Вона і буде називатися фокусом лінзи (F). Ця точка – фокус лінзи – буде ЗАВЖДИ лежати на лінії оптичної осі лінзи, бо як ви пам’ятаєте, промінь що проходить через цю вісь під прями м кутом до лінії площини лінзи – ніяк не переломлюється.

І нарешті: відстань від оптичного центру лінзи до цієї точки ((F) – фокусу лінзи) і буде ФОКУСНОЮ ВІДДАЛЛЮ ЛІНЗИ (f).

Якщо беремо конкретно фото- чи відеокамеру, то фокусом об’єктиву буде фокус умовної «сукупної» лінзи, що складається із суми всіх лінз в об’єктиві. І буде ця точка фокусу об’єктива (F) розташовуватися чітко на площині матриці. Ось тому категорично не можна націлювати об’єктив чітко на Сонце – бо промені Сонця, які крім світлової енергії несуть ще й потужну теплову енергію, будуть фокусуватися чітко на площину матриці і спроектують там «мінісонце», яке легко спалить матрицю. Це ми легко можемо побачити, якщо спрямуємо сонячні промені через лінзу на суху траву, листя чи папір.

І до практики. Як нам спроектувати реальний об’єкт – наприклад дерево – через лінзу на матрицю фотокамери? Нехай стовбур дерева на рівні землі буде точкою А, а вершечок крони нашого дерева буде точкою В. З точкою А все просто – вона розташована на лінії оптичної осі лінзи – а значить всі лінії від точки а будуть проходити і через лінзу і через точку фокусу (F) не переломлюючись. Із точкою В складніше. Проведемо з неї лінію, паралельну оптичній осі лінзи. Вона переломиться і теж пересіче точку фокусу (F). Потім проведемо з точки В ще одні лінію але через оптичний центр лінзи – ця лінія не переломиться і значить НЕ ПРОЙДЕ через точку фокусу (F). Де дві лінії, надіслані із точки В пересічуться за лінзою, там утвориться точка В₁.

З уроків геометрії в школі ми знаємо, що якщо проектована точка була вище осі абсцис, то її проекція буде симетрично нижче цієї осі. Ось тому кожен хто дивився через будь-який об’єктив напряму, звернув увагу що зображення там перевернуте догори ногами. Тобто на площину матриці наше дерево буде проектуватися вершиною крони вниз, а корінням доверху. І лише потім відповідні механізми знову обернуть його в правильному напрямку. Але ці процеси вже є темою для окремої статті.

І до практики – в камерах відеоспостереження, говорячи згрубша, бувають два види об’єктивів:

• Монофокальні – з фіксованим оптичним фокусом;
• Та варіофокальні – з можливістю зміни фокусної віддалі як на фізичному рівні – тобто збільшуючи чи зменшуючи віддаль між лінзами в об’єктиві, так і в цифровому форматі – коригуючи фокусну віддаль з допомогою програмного забезпечення.

Використовувати об’єктиви першого чи другого типу – клієнт вирішує сам – в залежності від того, з якою метою буде використовуватися конкретна камера відеоконтролю. В деяких випадках краще підходять об’єктиви статичного типу – наприклад в тому випадку, коли камера повинна бути сфокусована виключно на одну точку в просторі. Такий монофокальний об’єктив потрібен наприклад для чіткішого «захоплення» обличчя людини. Наприклад модель TD–5423E1 (FT/PE/VT1) завдяки статичному фокусу має можливість робити термоскринінг (вимірювання температури людини) одночасно в 10-ти осіб.

Кожен хто дивився через будь-який об’єктив напряму, звернув увагу що зображення там перевернуте догори ногами. Тобто на площину матриці наше дерево буде проектуватися вершиною крони вниз, а корінням доверху. І лише потім відповідні механізми знову обернуть його в правильному напрямку. Але ці процеси вже є темою для окремої статті.

Варіофокальні об’єктиви навпаки – потрібні коли умови застосування ІР-відеокамери час від часу будуть змінюватися. Тобто зранку об’єктив відеокамери буде сконцентрований на вузенькій ділянці простору (наприклад на «вертушці» на прохідній – коли люди приходять на роботу), а весь день камера буде знімати всю вулицю перед в’їздом на підприємство. Варіофокальний об’єктив зі змінною фокусною віддаллю дозволяє легко змінювати як масштаб області перегляду, так і кути огляду.

Найчастіше вживаним у варіофокальних об’єктивах є фокусний діапазон f =2,8 – 12 мм. його має така модель, як TD-9452S3A (D/AZ/PE/AR3). Перше, мінімальне число (f =2,8 мм.) значить що камера налаштована для максимально широкого кута огляду (для прикладу, якщо f=1,07 мм., то камера здійснює панорамну зйомку на 180º). Вона знімає без деталізації великі площі території. А якщо фокусна віддаль f перелаштована на 12 мм. – це значить що камеру налаштували знімати вужчу ділянку простору, але з приближенням, із фокусуванням на віддалених об’єктах чи подібне.

А є ще камери із гігантським діапазоном коригування фокусної віддалі. Наприклад у моделі TD-8443ІS (PE/25M/AR10) SPEEDDOME. Тут f=4,8 – 120 мм., плюс 25-кратний оптичний зум. Ця камера забезпечить максимально можливу деталізацію зображення – наприклад коли потрібно відслідкувати купюри в касах банків, або штрих-коди на товарах в дорогих магазинах. І навпаки – за потреби ця ІР-відеокамера може бути налаштована на панорамну зйомку об’єкта в діапазоні 360º.