Текст книги "CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии"

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 42 страниц)

Цвет дает ценную дополнительную информацию о наблюдаемых объектах. Но важнее то, что человеческий глаз фиксирует цветовую информацию быстрее, чем мелкие детали объекта. Впрочем, недостатком цветных телекамер были худшие (по сравнению с черно-белыми телекамерами) эксплуатационные показатели в условиях слабой освещенности. Это связано с использованием инфракрасного отсекающего фильтра на ПЗС-матрицах цветных телекамер, который ослабляет свет и убирает невидимое излучение инфракрасного диапазона. На этом мы остановимся более подробно в соответствующей главе, посвященной телекамерам, а сейчас отметим, что постоянное усовершенствование технологии ПЗС значительно улучшает работу цветной камеры при минимальном освещении. Если еще несколько лет назад мы имели показатель 10 лк @ F1.4, то сегодня могут «видеть» при 1 лк @ F1.4 на объекте и даже меньше.

Как уже говорилось, цвета, которые мы видим, соответствуют волнам света разной длины.

Например, видимый нами красный цвет – это излучение с соответствующими длинами волн, отраженное от красного объекта, на который падает белый свет. Черный поглощает волны почти любой длины, тогда как белый большинство из них отражает.

Наука цветов очень сложна, и становится еще сложнее, когда окружающие нас естественные цвета воспроизводятся при помощи покрытия ЭЛТ люминофором.

Идея создания цветов в телевизоре заключается в смешении путем сложения (аддитивном) соседних люминесцентных точек трех основных цветов. Эти крошечные точки очень малы и представляют собой элементы маски экрана ЭЛТ-монитора. Такая же концепция используется и при смешивании цветов в плазменных панелях и ЖК-мониторах, но, поскольку в видеонаблюдении по-прежнему наиболее распространены ЭЛТ-мониторы, мы детально рассмотрим именно их.

Фактическое смешивание цветов происходит тогда, когда мы смотрим на монитор с нормального расстояния (в пару метров), и глаз воспринимает итоговый цвет каждой из этих трех точек.

Для сравнения, в живописи и печати цвета получаются в результате смешения путем вычитания цветов (субстрактивного).

При аддитивном смешении цвет получается путем покрытия ЭЛТ люминофором, и сложение цветов делает итоговый цвет ярче. Поэтому, чтобы получился белый, должны присутствовать все три цвета в соответствующей пропорции. Получающиеся в результате цвета производятся путем сложения цветов.

Когда цвета смешиваются путем вычитания, мы используем бумагу или акриловое волокно в качестве вторичного источника света (отраженного), и цвета смешиваются в нашем глазу после того, как они отражаются от поверхности. Если мы смешиваем (путем сложения) все основные цвета, то получаем более темные цвета, а не более яркие. Цвета смешиваются отраженным светом, чей цвет определяется пигментом, который поглощает (вычитает) длину волны его поверхности.

Но вернемся к телевизору. В качестве основных, как уже упоминалось, используются три цвета: красный, зеленый и синий (RGB).

Рис. 2.13. Цветное изображение в телевидении создается при помощи тройных точек из кристаллического люминофора (RGB)

Теория телевидения и многочисленные эксперименты демонстрируют, что с помощью этих трех основных цветов можно передать большинство естественных цветов (но не все).

Очевидно, внутри цветной ЭЛТ имеются три разных люминесцентных слоя, каждый из которых излучает собственный цвет во время электронного облучения.

Три основных люминесцентных слоя имеют различные свойства яркости, то есть равная интенсивность пучка производит неравную яркость. Чтобы компенсировать эти несоответствия основных люминесцентных слоев, все цветные телевизоры и мониторы оснащены специальной матричной схемой, которая умножает каждый цветовой канал на соответствующее корректирующее число.

Это демонстрирует самое известное уравнение яркости цветного ТВ, которое с помощью электроники применяется к трем основным сигналам в ЭЛТ:

L = 0.3R + 0.59G + 0.11B (28)

Рис. 2.14. Теневая маска RGB

Синий люминофор производит больше света, чем другие два, и поэтому, чтобы уменьшить его яркость и уравнять с двумя другими элементами, его надо умножить на 0.11. В этой книге мы не будем слишком углубляться в теорию цветов в телевизоре, поскольку это тема отдельной книги, но читателю важно оценить сложность проблемы и понять, что все цвета в телевизоре получаются путем визуального аддитивного смешения (сложения) трех основных цветов люминофора ЭЛТ: красного, зеленого и синего.

Цветовая температура и источники света

В телевидении и фотографии, когда говорят об источниках света, пользуются термином «цветовая температура».

Цветовая температура – это температура, до которой нагрето воображаемое абсолютно черное тело, излучающее свет вследствие нагрева.

Согласно физической теории, спектр света, произведенного нагреванием, зависит главным образом от температуры тела, а не от материала. Это важнейшее утверждение было доказано Максом Планком, который вывел формулу, объясняющую взаимосвязь между максимальными длинами излучаемых волн и температурой, до которой нагрето тело:

λ_m = 2896/T (29)

Здесь λ_m  – длина волны, а Т – температура в градусах Кельвина.

Рис. 2.15. Типичный источник света 3200° К с вольфрамовой лампой, используемый при фотосъемках

Из диаграммы на рис. 2.16 видно, что максимальные значения различных температур находятся вне видимого спектра, то есть в инфракрасной области. Для нити накаливания из вольфрама рабочая цветовая температура приблизительно равна 2800° К, и больше чем 3/4 энергии излучается в инфракрасной области в виде теплового излучения. Тепло – это не что иное, как инфракрасный свет. Более высокую температуру для вольфрамовой лампы использовать нельзя, потому что точка плавления вольфрама равна примерно 3500° К. Увеличение температуры выше 2800° К значительно сократит срок службы вольфрамовой лампы. Чтобы минимизировать горение нити, в современных вольфрамовых лампах воздух из лампочки выкачивается.

Рис. 2.16. Спектральная характеристика черного тела при различных температурах

Вольфрамовые лампы годятся для ч/б камер, так как они более чувствительны к инфракрасной части спектра. Цветным камерам нужно обеспечивать компенсацию желтого/красноватого цвета, производимого источником света в 2800° К.

Для более точного тестирования камер очень часто используются источники света с цветовой температурой примерно 3200° К. Их можно приобрести в магазинах, торгующих профессиональной фототехникой. Имеется достаточно простое правило, которое позволит вам посчитать цветовую температуру и световой поток таких источников света:

– вольфрамовая лампа 500 Вт → 3200° К (примерно 27 люменов/Вт)

– вольфрамовая лампа 200 Вт →2980° К (примерно 17.5 люменов/Вт)

– вольфрамовая лампа 75 Вт → 2820° К (примерно 15.4 люмена/Вт)

В фотоаппаратах это компенсируется синими (дополнительный цвет) оптическими фильтрами, помещенными непосредственно на объектив, тогда как в электронных камерах это делается с помощью электроники: информация об основных цветах меняется до определенного процентного соотношения.

Большинство телекамер, которые используются для видеонаблюдения, имеют функцию «автоматический баланс белого» (automatic white balance, AWB). Это означает, что цветовая температура автоматически настраивается при включении телекамеры, когда она «увидит» достаточную область белого цвета. Более совершенные телекамеры умеют перенастраивать баланс белого «на лету».

Для этого не требуется выключения и повторного включения телекамеры. Такая функция обычно называется автоматическим отслеживанием баланса белого (automatic tracking white, ATW), и она особенно полезна в поворотных телекамерах, которые ведут наблюдение за большими площадями, где, например, могут быть зоны, освещенные как вольфрамовыми, так и неоновыми лампами.

Рис. 2.17. Стандартные источники света

Солнце, как естественный источник света, имеет очень высокую физическую температуру, но эквивалентная цветовая температура света, которую мы получаем на поверхности Земли, колеблется в зависимости от времени суток и погодных условий. Это происходит в результате отражения и преломления света в атмосфере. Как видно из рис. 2.19 «Цветовая температура для различных источников света», в ясный полдень цветовая температура достигает более 20000° К, тогда как в облачный день она понижается почти до 6000° К. Именно поэтому фотографии, снятые на закате, кажутся красноватыми.

Чем ниже цветовая температура, тем более красными будут снимки, и чем выше цветовая температура, тем больше будет синего цвета.

Искусственные источники света имеют различные цветовые температуры, в зависимости от источника. Вышеупомянутая формула (29) применима только к тепловым источникам, то есть к источникам света, в которых металл нагрет до высокой температуры. Однако существуют и газовые источники света, в которых происхождение света имеет другой характер. Например, свечение неона или паров ртути возникает под воздействием электромагнитного поля. Атомы возбуждаются энергией, достаточной для того, чтобы вызвать определенные реакции атома, и энергия высвобождается в форме света. Вследствие квантового поведения атомов этот свет имеет дискретный характер. Длины волн будут зависеть от используемого газа. Некоторые стеклянные электронные лампы, в которых используются такие газы, изнутри покрыты флуоресцентным порошком, который способен поглощать некоторые основные волны и затем восстанавливать непрерывный вторичный спектр видимого света.

Газовые источники света можно также описать их цветовой температурой, только в этом случае мы используем так называемую корреляционную цветовую температуру.

В целях получения контрольной точки и правильного воспроизведения цветов были определены стандартные источники белого света. На практике используется несколько определений (стандартов). Эти стандартные источники белого света обозначаются как А, В, С, D₆₅₀₀ и W.

Источник А – самый обычный стандарт, поскольку он представлен вольфрамовой лампой, которая для уменьшения горения нити заполняется газом. Именно поэтому большинство других, позднее разработанных, стандартов основано на источнике А.

Как уже упоминалось, при определенной температуре характеристики вольфрамовой лампы во многом совпадают с излучением абсолютно черного тела. Это означает, что спектр источника А, при определенной температуре, может быть представлен только одной характеристикой – температурой, равной температуре абсолютно черного тела. Если быть точными, реальная температура вольфрама и абсолютно черного тела, при которой их спектры считаются идентичными, не совсем одинакова. Абсолютно черное тело приблизительно на 50° К горячее. Характеристика спектра стандартного источника А определяется как цветовая температура 2854° К, тогда как реальная температура нити – приблизительно 2800° К. Однако это различие незначительно, и теоретическое приближение правомерно и принимается в качестве дескриптивного фактора для цветовой температуры таких источников.

Источник стандарта В излучает белый свет, аналогичный прямому солнечному полуденному свету.

Источник В можно получить, фильтруя свет из источника А через специальный светофильтр.

Точно так же, используя другой тип светофильтра, можно получить стандартный источник света С.

Как видно из диаграммы, характеристики источников В и С нельзя представить в виде цветовой температуры абсолютно черного тела. Однако если цвет абсолютно черного тела выглядит аналогично источнику В или С, мы пользуемся термином «корреляционная цветовая температура». Так, корреляционная температура источника В равна 4880° К, источника С – 6740° К.

В 1965 г. Международный комитет по свету (CIE) предложил новый стандартный источник света, который, предположительно, представлен средней цветовой температурой дневного света и обозначается как стандарт D. Рекомендуемая корреляционная цветовая температура для стандарта D равна 6500° К, поэтому данный стандарт обозначается D₆₅₀₀. Этот источник света нельзя получить посредством изменения источника А, но его спектральная характеристика приближается к некоторыми другим физическим источникам, как в случае соразмерного смешения трех люминесцентных слоев ЭЛТ цветного монитора. Говоря о системах видеонаблюдения, нам важно помнить этот факт, поскольку D₆₅₀₀ часто рекомендуется для цветных мониторов.

Рис. 2.18. Рассеяние спектральной энергии различных источников света

Рис. 2.19. Цветовая температура различных источников света

Наконец, существует еще один, фиктивный источник света с однородным распределением излучаемой энергии, которая внешне напоминает плоскую горизонтальную линию. Он используется только для вычислений и обозначается кодом W. Человеческий глаз легко приспосабливается к разнице цветовых температур, и наш мозг автоматически компенсирует цветовые вариации различных источников света. Светочувствительные слои пленки, ЭЛТ и ПЗС-матрицы несколько отличаются друг от друга. При использовании пленочных фотоаппаратов для корректировки цветовой температуры нужно пользоваться специальной пленкой или оптическими фильтрами. При работе с телекамерами компенсация производится при помощи электроники (вручную или автоматически).

Наконец, как уже упоминалось, необходимо учитывать цветовую температуру экрана монитора. Температура большинства ЭЛТ равна 6500° К, но некоторые могут иметь более высокую (9300° К) или низкую (5600° К) температуру.

Инерционность зрения и концепция кинофильмов

Говоря о системах видеонаблюдения, нам очень важно знать, как работает человеческий глаз, и как будет видно далее из текста, фактически мы используем аномалию человеческого глаза, чтобы «обмануть» мозг, заставив его думать, что мы смотрим «фильмы». Эта аномалия заключается в инерционности человеческого зрения. Инерционность – самый важный «дефект глаза», используемый в кинематографии и телевидении. Глаз не сразу реагирует на изменения интенсивности света. Происходит задержка в несколько миллисекунд, в течение которых мозг получает информацию относительно наблюдаемого объекта. Это отставание тем больше, чем лучше освещен объект.

Не все области сетчатки имеют одинаковую инерционность. Центральная область вокруг желтого пятна имеет большую инерционность. Инерционность зависит также от спектральных характеристик источника света, то есть от его цвета и яркости.

Все вышесказанное имеет большое значение для идеи кинофильма. Как видно из графика на рис. 2.20, инерционность зрительного восприятия очень сильно зависит от интенсивности света, или яркости той области, на которую мы смотрим. Чем ярче эта область, тем быстрее нужно менять картинки, чтобы мерцание не было заметно.

Рис. 2.20. Кривая инерционности зрительного восприятия.

В основе первых кинофильмов начала XX века, мультипликационных фильмов и даже «перекидных книжек», которыми мы играли в детстве, лежит концепция инерционности зрения. Когда расположенные в логической последовательности картинки мелькают у нас перед глазами со скоростью, равной инерционности зрения или превышающей ее, мы видим непрерывно движущуюся картинку, хотя она состоит из отдельных изображений.

Кинокамера записывает изображения со скоростью 24 кадра в секунду. Обычно этого достаточно для пленки, которая заряжается в проекторы с очень слабой интенсивностью света – подобно тем, какие использовались на заре существования кинематографа. Для большой аудитории необходимы более сильные проекторы большого размера и более яркие экраны (такие, которыми мы пользуемся сегодня). Поэтому необходимость увеличения первоначальной скорости 24 кадра в секунду очевидна.

С точки зрения фотографии, которая во многом совпадает с кинематографической, непрактично увеличивать частоту смены кадров в кинокамере больше 24 кадров в секунду, поскольку тогда придется сокращать время экспонирования каждого кадра пленки. Это возможно либо при условии более высокой чувствительности пленки, что приводит к увеличению ее зернистости, либо при увеличении отверстия диафрагмы объектива, в результате чего получаются не очень качественные снимки при более низком уровне освещенности, а также уменьшенной глубине резкости. Для кинематографистов ни одно из этих двух условий неприемлемо, поэтому был найден другой выход: увеличение частоты кинопроекции (а не записи) с 24 до 48 кадров. Просто, как все гениальное.

Это оказалось возможным благодаря так называемому затвору «Мальтийский крест», который представляет собой круговой лепесток диафрагмы, вырезанный в форме мальтийского креста. Он вращается перед проекционной лампочкой и не только блокирует свет, когда пленка движется от одного

– Система цветного ТВ PAL: 625 строк развертки / 50 чересстрочных изображений в секунду.

– Система цветного ТВ NTSC: 525 строк развертки / 60 чересстрочных изображений в секунду.

– Система цветного ТВ SECAM: 625 строк развертки (раньше было 819) / 50 чересстрочных изображений в секунду.

Хотя в этих системах число строк в кадре и кадров в секунду различно, с точки зрения создания кадров используется общая идея – кадр за кадром и строка за строкой разворачиваются на высокой скорости, и благодаря концепции инерционности зрения мы видим фильм. Система NTSC (525 строк и 30 кадров в сек.) распространена, главным образом, в Соединенных Штатах, Канаде, Гренландии, Мексике, на Кубе, Филиппинах, в Панаме, Японии, Пуэрто-Рико и большинстве стран Южной Америки. Стандарт NTSC был разработан в 1941 г., первоначально – для черно-белого (монохромного) телевидения. Система ТВ-передачи цвета впервые была осуществлена в США в 1953 г.

Больше половины стран в мире используют одну из двух систем с 625 строками и 25 кадрами: PAL (Phase Alternating Line) или SECAM (Sequential Couleur Avec Memoire или Sequential Color with Memory).

Стандарт PAL был представлен в начале 1960-х гг. и принят в большинстве европейских стран, Австралии, Новой Зеландии, Китае, Индии и во многих странах Африки и Ближнего Востока. Стандарт PAL использует более широкую полосу пропускания канала, чем система NTSC, что позволяет получать более качественную картинку. Кроме того, кодирование цвета в PAL разрабатывалось позднее NTSC и обеспечивает более точное воспроизведение цвета и обладает лучшей помехозащищенностью.

Стандарт SECAM также появился в начале 1960-х гг. и распространен во Франции и других странах Европы, включая страны бывшего СССР. Система SECAM использует ту же ширину полосы, что и PAL, но передает цветовую информацию последовательно. Дополнительные 100 строк в системах SECAM и PAL придают видеоизображению больше четкости и яркости, но смена всего 50 разверток в секунду (в сравнении с 60 развертками в NTSC) может оставлять на экране небольшое мерцание.

С появлением новых цифровых стандартов телевидения (DTV) стало возможным использование как чересстрочной, так и прогрессивной развертки. В этом случае они обычно обозначаются латинскими буквами «i» (чересстрочная развертка) или «р» (прогрессивная развертка). Так, например, сокращение «1080i» обозначает формат телевидения высокой четкости (HDTV) с форматом кадра 1920x1080 пикселов и чересстрочной разверткой.

3. Оптика в системах видеонаблюдения

Некоторые считают качество оптики в системах видеонаблюдения доказанным. С повышением разрешающей способности телекамер и с миниатюризацией ПЗС-матриц мы все ближе подходим к пределу разрешающей способности, определяемому оптикой, поэтому нам требуется знать несколько больше, чем среднему технику. В этой главе обсуждаются, опять же в упрощенном виде, наиболее общие оптические термины, концепции и устройства, используемые в системах видеонаблюдения.

Преломление

Самая первая и основная концепция, с которой следует ознакомиться, это концепция преломления и отражения.

Когда луч света, распространяющийся в воздухе или вакууме, попадает в плотную среду, вроде воды или стекла, его скорость снижается в η раз (η всегда больше 1); η называется показателем преломления. Различные среды (прозрачные для света) имеют различные показатели преломления. Например, скорость света в воздухе составляет 300000 км/с (и почти столько же в вакууме). А когда луч света проходит через стекло, показатель преломления которого равен 1.5, скорость уменьшается до 200000 км/с.

Согласно волновой теории света уменьшение скорости света отражается в уменьшении длины волны. Это явление представляет собой основу концепции преломления. Если луч света падает на поверхность стекла перпендикулярно, длина световой волны уменьшается, но когда луч покидает стекло, скорость восстанавливается до нормального значения, т. е. восстанавливается начальная «воздушная длина волны», и свет продолжает распространяться в том же направлении. Однако же, если луч света падает на поверхность стекла под любым другим углом, получаются интересные вещи: луч (в этом случае он рассматривается с точки зрения волновой природы света) имеет фронт, который не одновременно пересекает стекло (потому что падает под углом). Часть фронта, которая первой попадает в новую среду, «замедляется» первой. Конечным результатом становится преломление луча света, т. е. луч слегка отклоняется от первоначального направления. Величина отклонения зависит от оптической плотности среды.

Чем плотнее среда, т. е. чем выше показатель преломления, тем больше луч отклоняется от первоначального направления.

Существует очень простое соотношение между углами падения и отражения и показателями преломления двух различных сред. Это соотношение было открыто голландским физиком Виллеброр-дом Снелиусом в начале XVII века. Используя простые вычисления, мы можем определить углы отражения в различных средах. Мы рассмотрим это позже, при вычислении углов полного отражения и числовой апертуры в волоконной оптике.

На рис. 3.1 основы преломления пояснены графически; здесь предполагается, что на стекло падает монохроматический (одной частоты) луч света. На рисунке также показано, что определенный процент падающего света всегда отражается обратно в воздух (или вакуум), но в случае стекла этот процент очень мал.

Теория преломления и отражения будет использоваться в последующих разделах, когда мы будем рассматривать теорию линз и волоконной оптики.

Рис. 3.1. Рефракция света и закон Снелиуса

Линзы как оптические элементы

Есть два основных типа линз: выпуклые и вогнутые.

Линзы первого типа, выпуклые, имеют положительное фокусное расстояние, т. е. действительный фокус, и называются такие линзы увеличивающими, так как они увеличивают изображение объекта.

Линзы второго типа, вогнутые, имеют отрицательное фокусное расстояние, т. е. мнимый фокус, они уменьшают изображение объекта.

Каждая линза характеризуется следующими основными параметрами:

• оптическая плоскость (плоскость, проходящая через центр линзы);

• оптическая ось (ось, перпендикулярная оптической плоскости и проходящая через ее центр);

• фокус (точка пересечения лучей, падающих параллельно оптической оси);

• фокусное расстояние (расстояние между оптической плоскостью и фокусом в метрах);

• диоптрии (величина, обратная фокусному расстоянию, выраженному в метрах).

В зависимости от физических размеров и типа поверхности существует множество различных типов линз: плосковыпуклые, выпукло-вогнутые, плосковогнутые и т. д. Название типа многое говорит о физическом строении линз, при этом «плоско» означает, что одна из двух поверхностей линзы плоская.

Чтобы скорректировать различные искажения (аберрации), вызванные рядом факторов, приходится объединять различные типы линз.

В качестве примера, поясняющего необходимость коррекции, давайте рассмотрим солнечный луч, падающий на призму (рис. 3.5).

Нам всем знаком эффект радуги, возникающей на второй стороне призмы. Эффект возникает из-за того, что «белые» солнечные лучи содержат все длины волн (т. е. цвета), которые только может различать человеческий глаз. Поскольку все эти лучи входят в стекло призмы с показателем преломления п^^, то различные длины волн меняются в несколько разной степени (пропорционально их частоте), таким образом создавая радугу на второй стороне призмы. Это реальное разложение белого света. Красному цвету соответствует самая большая длина волны (низкая частота), и поэтому его преломление наименьшее. Фиолетовому цвету соответствуют самые короткие волны (наибольшая частота), и поэтому он больше всего преломляется.

Рис. 3.3. Выпуклая и вогнутая линзы

Аналогичный эффект возникает в изумительной радуге после дождя, когда происходит преломление и отражение солнечных лучей в капельках дождя.

Несмотря на впечатляющий эффект этого явления, оно нежелательно при создании линз.

Выпуклая линза может быть аппроксимирована большим количеством маленьких призм, прилегающих друг к другу и образующих мозаику. Понятно, что изображение, созданное такой линзой на основе дневного света (что происходит наиболее часто), будет разлагаться на основные цвета так же, как это происходит в случае разложения света призмой.

Это означает, что когда белые лучи падают на простую выпуклую линзу, то разным цветам будут соответствовать разные фокусные расстояния. Это нежелательный эффект, называется он цветовым искажением линзы или хроматической аберрацией.

Итак, следует четко понимать, что причины хроматической аберрации кроются не столько в недостатках изготовления линзы (хотя и это не исключено), сколько в физическом процессе разложения белого света на основные длины волн при прохождении света сквозь единичный элемент линзы.

Рис. 3.4. Различные оптические элементы

Рис. 3.5. Разложение белого света призмой

Хроматическая аберрация может быть минимизирована объединением выпуклых и вогнутых линз, при этом белый луч вначале разделяется выпуклой линзой на «дисперсную радугу», а затем «собирается обратно» вогнутой линзой благодаря обратному эффекту вогнутой линзы (относительно угла падения).

Если две линзы (выпуклая и вогнутая) тщательно подобраны (по толщине и фокусным точкам), то лучи всех цветов собираются в одном и том же фокусе. Этого можно достичь лишь благодаря тщательному подбору выпукло-вогнутых пар, сохраняющих требуемое фокусное расстояние, как у одноэлементной линзы. Для скрепления двух линз используется специальный прозрачный клей.

Мы привели здесь самый простой пример того, почему для создания линзы с определенным фокусным расстоянием требуются многочисленные оптические элементы.

Имеется множество других оптических искажений, не только хроматическая аберрация, но и геометрическая («подушкообразное» и «бочкообразное» искажения), сферическая и пр. Название само подсказывает, какой тип искажения накладывается на изображение. Эти искажения могут быть исправлены добавлением в систему дополнительных оптических элементов.

При проектировании линз оптикам приходится балансировать между максимально возможной коррекцией (чтобы получить изображение высокого качества) и минимальным числом оптических элементов (с целью экономии и технологической приемлемости).

Можете себе представить, сколько возможных комбинаций придется перебрать, если вы проектируете объектив с заданным фокусным расстоянием, состоящий из полудюжины (или более) различных оптических элементов. Раньше оптикам при проектировании линз с заданным фокусным расстоянием и размерами приходилось работать совместно с математиками и проделывать сотни и сотни вычислительных операций вручную. Физические размеры, фокусное расстояние, абсолютное и относительное расположение элементов – это все переменные. Единственный способ найти подходящую комбинацию для известного фокусного расстояния – это мучительно долгий итерационный процесс.

Рис. 3.6. Коррекция хроматической аберрации

Рис. 3.7. Система линз с диафрагмой

Очевидно, желаемым результатом было получение объектива хорошего качества с минимальным количеством оптических элементов. Поскольку задача эта довольно непростая, то производители регистрировали конкретную конструкцию объектива, выполненного по их «рецепту»: сколько линз использовано, чему равно фокусное расстояние, как расположены оптические элементы. Вот почему в кинематографии и фотографии мы все еще можем встретить линзы конкретных производителей, вроде «Planar», «Xenar». Такие имена – это запатентованные проекты объективов для конкретных размеров и фокусного расстояния.

Сегодня, в век компьютеров, существует множество профессиональных программ для оптического моделирования. Оптимальные результаты вы можете получить всего за несколько минут, при этом в систему будет включено лишь необходимое число оптических элементов, но достаточное для корректировки всех оптических искажений.

Вот почему объективы с определенным фокусным расстоянием (одинаковым углом зрения) имеют столь разные цены, размеры и качество изображения.

Качество объектива зависит от многих факторов и не стоит считать его гарантированным. Особенно важно это для вариообъективов, ведь при их проектировании так много переменных. Вариообъективы широко используются в наиболее крупных системах видеонаблюдения, так что при их выборе нужно быть очень внимательным.

Простых правил на этот счет не существует, и лучшее, что можно предложить – провести тестирование и сравнение.

Рис. 3.8. Типичная маркировка объектива для видеонаблюдения

Факторы, определяющие качество объективов, можно свести к ряду моментов:

1. Конструкция объектива:

• число элементов;

• взаимное расположение;

• коррекция аберрации на этапе проектирования.

2. Производство оптических элементов:

• тип стекла;

• технология и тип стеклопроизводства (нагревание, охлаждение, беспримесность);

• точность шлифовки и полировки (это очень важно);

• просветляющее покрытие стекла (микронное покрытие, минимизирующее потери, вызванные отражением).

3. Механическая конструкция объектива:

• фиксация положения объектива и стабильность (к ударам, температуре…);

• механические движущиеся части объектива (особенно, трансфокатор, фокусировка, лепестки диафрагмы);

• внутреннее отражение света (черное поглощающее покрытие);

• шестерни для объективов с сервоприводом (пластмасса, металл, точность).

4. Электроника (у автодиафрагм и объективов с сервоприводом):

• качество электроники автоматической диафрагмы (усиление, стабильность, точность);

• энергопотребление (для автоматической диафрагмы, как правило, низкое, но некоторые старые модели могут требовать больше, чем может дать телекамера, поскольку телекамера питает объектив с автодиафрагмой);

• схема трансфокатора и фокусировки (напряжение: 6 В, 9 В или 12 В, трех или четырехпроводный кабель управления).