Статьи

К списку статей

Глубина резкости в системах охранного телевидения

Термин глубина резкости хорошо известен всем, кто хоть раз сталкивался с фотографией или посещал выставки профессиональных фотографов. Умело используя глубину резкости, фотографы создают высокохудожественные снимки, выделяя главный сюжет и сглаживая все, что находится на втором плане. Такие возможности открылись перед фотографами с появлением на корпусе объектива шкалы, с нанесенными на ней расстояниями глубины резкости. Для создания такой шкалы была создана методика расчета, использующая в качестве переменных расстояние наводки на резкость, диафрагменное число, фокусное расстояние объектива, а так же диаметр допустимого кружка рассеяния. Из перечисленных параметров только диаметр допустимого кружка рассеяния для нас является новым, но о нем немного позже. В отличие от фотографических объективов, объективы, используемые в системах видеонаблюдения, не имеют шкалы глубины резкости. Объясняется это тем, что для объективов имеющих автоматическую диафрагму не существует постоянного значения глубины резкости. В таких объективах она меняется в зависимости от значения диафрагмы, которая обусловлена реальной освещенностью на объекте. Для объективов с ручной диафрагмой, отсутствие шкалы глубины резкости можно объяснить, скорее всего, невостребованностью потребителями систем охранного телевидения этого параметра.
В данной статье мы попытаемся сформулировать подход к нахождению численного значения допустимого кружка рассеяния и на примерах показать, как изменяется глубина резкости, при различных вариантах использования диафрагменных чисел и расстояний наводки на резкость.
Глубиной резкости называется свойство объектива изображать в одной плоскости и практически с одинаковой резкостью предметы, удаленные от объектива на различные расстояния.
Рассмотрим, что такое глубина резкости при формирования изображения на ПЗС матрице видеокамеры. Назовем пространство перед объективом - "Предметное пространство", а пространство между объективом и видеокамерой - "Пространство изображений". Пусть у нас имеется три точечных источника изображения "B", "C" и "D" (рис.1), находящихся на разном удалении от видеокамеры. Наведем резкость объектива на точку "В". Объектив сфокусирует ее в точке "В'" на ПЗС матрице. Монитор, подключенный к видеокамере, сформирует резкое изображение точечного источника. Точки "С" и "D", лежащие в других плоскостях так же сфокусируются в точках "С'" и "D'", а на ПЗС матрице создадут не точки, а кружки диаметром ∂. Монитор тоже отобразит их на экране. В зависимости от того, на сколько точки "D" и "C" отстоят от точки наводки на резкость "B", кружки будут иметь разный диаметр. Из этих построений следует, что оптическая система, формируя изображение, не имеет никакой глубины резкости. Резкими будут только те точки, которые лежат в плоскости наводки на резкость. Это подтверждает и основное уравнение линзы.
Рис. 1
Разное удаление от видеокамеры
Но из практики мы хорошо знаем, что глубина резкости существует и более того ею можно управлять, выбирая нужный диапазон в зависимости от поставленных задач. Так чем же определяется глубина резкости и от чего она зависит? На самом деле глубина резкости это следствие ограниченных возможностей человеческого зрения. Если напечатать на листе бумаги кружки с разным диаметром но меньше 0,1 мм и рассматривать их невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения (25 см), то нам будет казаться, что все они одного размера. Другими словами человеческий глаз не в состоянии различить ни размеры кружка, ни тем более их содержание, если диаметр кружка равен или меньше 0,1 мм.
Допустим, что отображаемый на мониторе кружок ∂ (рис.1), который передает изображение точек "C" или "D", имеет на мониторе такой размер, что глаз не в состоянии отличить его от точки "B". Тогда точки D' и B' сфокусированные рядом с ПЗС матрицей, на мониторе будут тоже резкими, потому, что мы видим их не как кружек, а как точку. Следовательно, и в предметном пространстве точки D, B и все предметы между ними будут резкими, а расстояние между плоскостями D и C будет называется глубиной резкости. Параметр "∂" в профессиональной терминологии называться кружком рассеяния. Наша задача состоит в том, чтобы связать размер кружка рассеяния с характеристиками человеческого зрения в зависимости от диагоналей мониторов и расстояний, с которых оператор анализирует изображение. В дальнейшем размер этого кружка будет использоваться для расчета глубины резкости и гиперфокального расстояния, а сам кружек будет называться допустимым кружком рассеяния.
Как, мне кажется, в фотографии методология в обосновании диаметров допустимых кружков рассеяния может помочь выбрать их размеры и для систем охранного телевидения.
Из чего исходили классики в фотографии? Прежде всего, они выбрали критерий и, руководствуясь им, проводили все расчеты. Критерий самый банальный - это разрешающая способность человеческого глаза или свойство человеческого зрения видеть мелкие предметы на изображении. И действительно, человеческое зрение имеет конечные возможности, которые определяются минимальным углом α (рис.2), под которым глаз способен различать мелкие детали на изображении. В зависимости от удаления предмета рассматривания, линейные размеры нечувствительности глаза увеличиваются. Для средне статистического человека глаз в состоянии различать мелкие детали с углом зрения не менее 0,017 градусов, что соответствует диаметру кружка рассеяния 0,074 мм на расстоянии рассматривания 25 см. В то же время на расстоянии в один метр диаметр кружка будет уже 0,3 мм. Зная предельный угол зрения глаза и, задавшись расстоянием просмотра можно построить таблицу минимальных кружков рассеяния.
Рис. 2
Предельный угол зрения глаза
В фотографии размеры кружков рассеяния были определены как раз таким способом (Таблица 1). Однако предельный угол зрения человек не всегда способен или хочет реализовать, тем более, что у каждого человека зрение абсолютно индивидуально. Наверно поэтому, а может быть и из многолетнего опыта работы, размеры кружков рассеяния в фотографии приняли в 1,33 раза больше чем теоретически обоснованные. Такой размер кружков соответствует углу зрения глаза 0,023 градуса. В таблице 1 это столбец "Практический".
Таблица 1
Предмет рассматривания Расстояние просматривания, м Диаметр кружка рассеяния, мм
Теоретический Практический
Негатив 0,1 0,03 0,04
0,15 0,04 0,06
0,2 0,06 0,08
Фотография 0,25 0,07 0,1
0,3 0,09 0,12
0,4 0,12 0,16
0,5 0,15 0,2
Выставочные фотографии 0,75 0,22 0,3
1 0,29 0,4
1,5 0,44 0,6

Нетрудно заметить, что самый маленький кружок рассеяния относится к негативу при минимальном расстоянии просмотра. И это вполне естественно, так как при увеличении негатива до размеров даже среднего формата фотографии, кружок рассеяния так же увеличится пропорционально выбранному масштабу и может превысить свое допустимое значение. В результате чего расчетная глубина резкости не будет соответствовать ее действительному значению. Хочется обратить внимание читателей, что в фотографии при обосновании параметра допустимого кружка рассеяния никакие технические характеристики объективов, фотопленок или фотокамер не использовались.
Если подходить к выбору кружка рассеяния, для охранного телевидения используя опыт фотографии, то правильней было бы пересчитать размер кружка рассеяния на мониторе к его размеру на ПЗС матрице. Кружок рассеяния на мониторе можно выбрать, руководствуясь предельным разрешением человеческого зрения в зависимости от удаления оператора от монитора. Но однозначно определить с какого расстояния оператор будет смотреть на монитор, а тем более значение диагонали монитора предвидеть достаточно трудно. Тем не менее, удаление оператора от монитора, при проектировании рабочего места регламентируется медицинскими ограничениями (Таблица 2), которые составляют величину порядка 4-х диагоналей экрана. Для детального изучения изображения оператор обычно смотрит на монитор с минимальных расстояний и использует для этих целей специальные просмотровые мониторы, имеющие увеличенную диагональ экрана. Но смотреть на монитор 21" с очень близкого расстояния не имеет смысла, так как оператор в этом случае видит не картинку, а структуру кинескопа. Поэтому для просмотровых мониторов существуют расстояния наилучшего просмотра картинки. Эти расстояния получены на основе свойства человеческого зрения, видеть изображение с высоким разрешением при минимальном зрительном напряжении. Это возможно только с расстояний, при которых угол зрения глаза находится в пределах 20 градусов. В таблице 2 эти расстояния сведены в столбец "Наилучший просмотр". На основании этих рассуждений получены значения кружков рассеяния (Таблица 3) для расстояний наилучшего просмотра (верхняя строка) и расстояний, нормируемых медицинскими ограничениями (нижняя строка). В расчетах использовался угол зрения глаза равный 0,017 градусов.

Таблица 2
Диагональ монитора Рекомендуемое расстояние (м)
медицинские ограничения наилучший просмотр
9" 0,91 0,5
12" 1,22 0,7
14" 1,42 0,8
17" 1,73 1
21" 2,13 1,2

Таблица 3
Диагональ монитора (дюйм) Расстояние просматривания, (м) Диаметр кружка рассеяния на ПЗС матрице, мкм
Формат кристалла матрицы
1/4 1/3 1/2 2/3
9 0,5 2,8 3,9 5,2 7,1
0,91 5,0 7,1 9,4 12,0
12 0,7 2,9 4,1 5,4 7,5
1,22 5,0 4,0 9,2 13,0
14 0,8 2,8 4,0 5,3 7,3
1,42 5,0 7,1 9,5 13,0
17 1 2,9 4,1 5,5 7,6
1,73 5,0 7,0 9,5 13,0
21 1,2 2,8 4,0 5,3 7,0
2,13 5,0 7,0 9,5 13,0
Усредненные значения по:
наилучшему просмотру 2,8 4,0 5,3 7,3
медицинским ограничениям 5,0 6,4 9,4 12,8

В качестве допустимых кружков рассеяния для различных форматов ПЗС матриц можно использовать усредненные значения по наилучшему просмотру. В связи с тем, что это расчетные значения, а практика, как правило, вносит свои коррективы, то вполне возможно, что кружки рассеяния могут быть большего размера, хотя бы как в фотографии в 1,33 раза.
Определив допустимые размеры кружков рассеяния можно попробовать рассчитать глубину резкости и гиперфокальные расстояния.
Продолжение статьи
А. Гонта
"Алгоритм Безопасности" № 1, 2005 год.



Видеонаблюдение

Внешний вид AN5-21B3.6I Внешний вид AN5-21B3.6I
Уличная аналоговая видеокамера
- 1/3" Pixel plus 1099 - 800 ТВЛ - 3,6 мм - ИК- 20 м
1 947

Производитель Axycam
Внешний вид AD4-P37B3.6I-MG Внешний вид AD4-P37B3.6I-MG
  • - 1/4" 1Мр H42
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
Доступно: 57 шт.
1 250

Производитель Axycam
Внешний вид AN4-37B3.6I-MG white Внешний вид AN4-37B3.6I-MG white
  • - 1/4" 1Мр H42
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
Доступно: 179 шт.
1 350

Производитель Axycam
Внешний вид AD-P31B3.6I-AHD Внешний вид AD-P31B3.6I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
1 233

Производитель Axycam
Внешний вид AD-P31B2.8I-AHD Внешний вид AD-P31B2.8I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8mm
  • - подсветка - 20м
1 363

Производитель Axycam
Внешний вид AN5-31B3.6I-AHD white/dark grey Внешний вид AN5-31B3.6I-AHD white/dark grey
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
2 402

Производитель Axycam
Внешний вид AD-31B3.6I-AHD Внешний вид AD-31B3.6I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 25м
2 012

Производитель Axycam
Внешний вид AD7-31V12I-AHD Внешний вид AD7-31V12I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8-12mm
  • - подсветка - 25м
3 310

Производитель Axycam
Внешний вид AD-P33B3.6NIL Внешний вид AD-P33B3.6NIL
Купольная металлическая IP камера
Доступно: 1 шт.
4 024

Производитель Axycam
Внешний вид AN4-37V12I-MG Внешний вид AN4-37V12I-MG
  • - 1/4" 1Мр H42
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8-12mm
  • - подсветка - 40м
4 219

Производитель Axycam
Найдено товаров: 1722
1 2 3 4 5

Возврат к списку

Создание проекта системы видеонаблюдения всего за несколько минут;
Все РЕАЛЬНО: в т.ч. сектора наблюдения, параметры кабельных трасс;
Загрузка готовых планов и их масштабирование;
Спецификация обрудования и смета создается автоматически;
Дружелюбный интерфейс;
Индивидуальные настройки программы и оборудования.
Техподдержка встроена непосредственно в программу.
Регистрация занимает одну минуту.

ОТ ЗАПРОСА ДО ОФОРМЛЕННОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ - 15 МИНУТ