(выдержка из книги «Практическое пособие по CCTV»)
1. Диафрагма в объективе
Диафрагмой называется непрозрачная преграда с отверстием, расположенная на пути светового потока.
Рис. 1. Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий.
Она предназначена для регулирования количества света, попадающего на ПЗС-матрицу видеокамеры. Диафрагма состоит из лепестков, количество которых может быть от 3 до 20. Чем больше лепестков в диафрагме, тем больше отверстие диафрагмы приближается к окружности, создавая тем самым равномерно освещенное световое пятно на ПЗС-матрице. Шкала диафрагмы стандартизована и образует следующий ряд относительных отверстий:
1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16; 1:22; 1:32; 1:45; 1:64.
Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий, приведен на рис. 1. Знаменатели относительных отверстий (2; 2,8; 4; 5,6) называются диафрагменными числами.
Значение диафрагмы влияет на такие параметры, как:
– аберрация – чем меньше отверстие диафрагмы, тем ниже уровень аберраций и выше разрешение, но только до определенного предела (обычно 1:8 – 1:11), далее разрешение опять падает из-за влияния дифракции;
– глубина резкости – чем меньше отверстие, тем больше глубина резкости.
К сожалению, значение диафрагм на объективах, используемых в CCTV, определить невозможно в связи с тем, что на корпусе объектива отсутствует шкала диафрагменных чисел.
По управлению диафрагмой объективы CCTV можно разделить на группы в соответствии с рис. 2:
Рис. 2. Группы объективов по управлению диафрагмой.
Объективы без диафрагмы используются только с видеокамерами, имеющими автоматический электронный затвор (Shutter).
Объективы с диафрагмой подразделяются в свою очередь на объективы с ручной диафрагмой и объективы с автоматической диафрагмой.
Объективы с ручной диафрагмой используются в местах с постоянной освещенностью (в помещениях с искусственным освещением). Такие объективы можно использовать и на улице, но с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.
Объективы с автоматической диафрагмой управляют световым потоком за счет сигналов, приходящих от видеокамеры. Такие объективы используются в условиях больших перепадов освещенности и внешне отличаются от остальных объективов наличием кабеля с разъемом, который подключен к видеокамере.
По сигналам управления, приходящим от видеокамеры, объективы с автоматической диафрагмой подразделяются на:
– управление диафрагмой в соответствии с изменяющимся видеосигналом (Video Drive);
– управление диафрагмой постоянным током (Direct Drive).
Управление диафрагмой по видеосигналу (Video Drive) означает, что анализ видеосигнала и управление мотором диафрагмы осуществляет специальное устройство, размещенное в объективе.
Управление диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) означает, что схема принятия решения о положении диафрагмы находится в видеокамере, а в объективе имеется только мотор как исполнительное устройство.
На корпусе объективов с управлением диафрагмой по видеосигналу присутствуют два регулирующих элемента. Обозначаются они как «Level» и «ALC».
Регулировка «Level» используется для настройки режима работы электронной схемы объектива по реальной освещенности. При вращении регулятора «Level» мы искусственно изменяем значение диафрагмы. На мониторе изменение положения регулятора «Level» воспринимается как изменение яркости изображения.
Регулятор «ALC» имеет две области регулирования. Это область средних значений (обозначается «А») и область пиковых значений (обозначается «Р»).
Регулятор «ALC» используется для устранения обратной засветки в высококонтрастных сюжетах.
Объективы с управлением диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) не имеют на своем корпусе никаких регулировок. Настройка таких объективов осуществляется на видеокамере, которая должна иметь уже известные нам органы настройки «Level» и «ALC».
2. F-число объектива
F-число объектива указано на корпусе любого объектива в виде F/1.3. Этот параметр не что иное, как диафрагменное число. (Диафрагменные числа определяют величину отверстия диафрагмы.)
F-число – это параметр объектива, при котором диафрагма полностью открыта. Отметим, что чем больше диафрагменное число, тем меньше света попадает на ПЗС-матрицу. Например, объектив с F числом F/4 пропускает значительно меньший световой поток чес объектив с F числом F/2,8 Часто объективы с низким F-числом называют светосильными объективами или быстрыми объективами (faster lens). Это связано с тем, что на заре фотографии сократить время экспозиции пленки пытались путем увеличения количества света (низкое F-число), проходящего через объектив.
Шкала диафрагменных чисел разработана таким образом, чтобы освещенность при переходе к соседним значениям изменялась в два раза. Эту разницу между соседними делениями шкалы диафрагмы называют ступенями или F-stop.
Значение, обратное F-числу, называется относительным отверстием.
3. Относительное отверстие
Относительное отверстие это отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию.
Иногда вместо F-числа на объективах указывается величина относительного отверстия, которое записывается как 1: 1.3.
Относительное отверстие объектива уменьшают ирисовой диафрагмой, позволяющей плавно менять её величину. На оправу объективов (в основном, фотографических) нанесена шкала из знаменателей относительных отверстий (диафрагменные числа), соответствующих различному значению отверстия диафрагмы. Перевод ирисовой диафрагмы на одно деление изменяет относительное отверстие в 1,4 раза, что дает увеличение или уменьшение освещенности оптического изображения в два раза, за исключением первых двух чисел ирисовой диафрагмы, у которых такого изменения может и не быть.
По величине относительного отверстия объективы делятся на:
сверхсветосильные от 1: 0,7 до 1: 2;
светосильные от 1: 2,8 до 1: 4,5;
малосветосильные от 1: 5,6 до 1: 16.
4. Принцип работы автоматической диафрагмы
Автоматическая диафрагма в объективах обеспечивает возможность видеокамере иметь на ПЗС-матрице постоянный уровень освещенности, независимо от ее изменения на объекте. Для решения такой задачи автоматическая диафрагма должна иметь в своем составе устройство управления диафрагмой и блок анализа уровня освещенности на ПЗС-матрице. В качестве элемента управления диафрагмой используется миниатюрный электромотор, а освещенность на ПЗС оценивается по видеосигналу, формируемому видеокамерой. Чтобы привязать уровень освещенности на объекте к допустимому уровню освещенности на ПЗС-матрице, на объективе есть регулировка «Level». Если эта регулировка выставлена неправильно, то изображение на мониторе может быть или очень темным, или настолько ярким, что некоторые места изображения будут пересвеченными. Поэтому правильным положением регулятора «Level» можно считать такое, при котором при вращении регулятора изображение из пересвеченного становится нормальным. После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой (подробно см. в разделе «Настройка и регулировка объектива»).
Рис. 3. Принцип работы автоматической диафрагмы.
Рассмотрим, как работает автодиафрагма. Установим перед видеокамерой тест-таблицу (рис. 3а), состоящую из полос разной яркости. К видеокамере подключим монитор, и наша тест-таблица будет отображаться на экране в виде шести градаций яркости (рис. 3b). Ко второму выходу монитора подключим осциллограф и настроим его на отображение одной строки. На экране осциллографа изображение тест-таблицы будет выводиться в виде шести равномерно расположенных ступенек (рис. 3с). Нижняя ступенька соответствует черной полосе на тест-таблице, а самая верхняя – белой полосе. Ступеньки, находящиеся между ними, передают промежуточные градации яркости. Для наглядности справа от осциллограммы изображена вертикальная полоска с яркостями соответствующих ступенек.
А теперь представим себе, что по каким-то причинам уровень яркости белой полосы на нашей тест-таблице значительно возрос. Такое увеличение яркости на входе видеокамеры будет присутствовать и в ее выходном сигнале (рис. 4а) в виде существенно увеличенной амплитуды белой полосы относительно «уровня белого». Поэтому автодиафрагма сразу же начнет уменьшать отверстие диафрагмы, тем самым, уменьшая и амплитуду выходного сигнала до такого значения, когда амплитуда белой полосы вернется к «уровню белого» видеосигнала (рис. 4b).
Рис. 4. Яркостные уровни белой и черной полосы
Но с уменьшением амплитуды белой полосы пропорционально уменьшаются уровни и всех остальных градаций яркости. В результате вместо шести градаций с равномерным изменением яркости на экране мы получаем три градации, причем большая часть экрана становится черной (рис. 4с). Такой случай характерен при работе камеры в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения, находящийся на переднем плане, представляет темное пятно, а фон – это ярко освещенный задний план.
Частично исправить такую ситуацию может регулятор «ALC». Вращая его, мы заставляем автоматическую диафрагму объектива «не обращать внимания» на яркий участок в кадре и даже допустить пересвечивание экрана в этом месте. Зато, манипулируя регуляторами «Level» и «ALC», нам удастся сохранить большую часть исходных градаций яркости.
Когда освещенность на объекте изменяется одинаково для всех градаций яркости, то автоматическая диафрагма отрабатывает их, и мы на мониторе не замечаем никаких изменений.
Однако стоит отметить, что отверстие диафрагмы начинает изменять свое значение в зависимости от того, как настроен регулятор ALC. Если регулятор установлен в положение «А», то диафрагма начнет изменять свое значение только в том случаи, когда освещенность изменится на большей части кадра (обычно половина кадра).
Если регулятор ALС установлен в положении «Р», то диафрагма отслеживает изменение освещенности вплоть до пиксела.
5. Настройки и регулировки объектива
Настройки объектива можно разделить на две группы: первая относится к настройкам, обеспечивающим нормальную работу объектива во всем диапазоне освещенностей, а другая группа настроек определяет степень деталировки и глубину резкости передаваемого изображения.
К настройкам объектива первой группы можно отнести:
1) настройку обратного фокуса,
2) настройку «ALC» и «Level».
К настройкам объектива второй группы относятся:
1) выбор глубины резко изображаемого пространства,
2) выбор расстояния наводки на резкость.
Остановимся на настройках обратного фокуса, ALC и Level.
5.1. Настройка обратного фокуса
Настройку обратного фокуса необходимо проводить в любом случае, производится ли замена объектива на видеокамере или устанавливается новый объектив. Причем алгоритмы настроек у объективов с постоянным фокусным расстоянием и объективов с переменным фокусным расстоянием (трансфокаторов) значительно отличаются.
На практике неправильная установка объектива выражается в том, что в дневное время суток изображение от камер не вызывает нареканий, а с наступлением темноты изображение может стать нерезким или пропасть совсем. Этот эффект называется неправильной установкой «обратного фокуса» и возникает в связи с тем, что глубина резкости объектива, которую мы обычно воспринимаем при рассматривании объекта перед камерой, распространяется и на область за объективом, в которой ПЗС-кристалл выпадает из области резкого изображения. Настройка этого параметра определяет положение задней линзы объектива относительно ПЗС-матрицы камеры.
Рис. 5.
Настройка «обратного фокуса» у объективов с постоянным фокусным расстоянием
Для этого необходимо проделать следующее.
4. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере. При наличии у видеокамеры специального регулятора разблокировать его, ослабив специальный фиксирующий винт.
5. Используя график рис. 5, определить расстояние от камеры до объекта фокусировки, по которому будем проверять наличие резкости или ее отсутствие. Например, если у нас объектив с фокусным расстоянием 4 мм, то это расстояние равно 12 м.
6. На удалении 12 м от видеокамеры найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.
7. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта. При наличии у видеокамеры специального регулятора, выполнить настройку с его помощью.
8. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.
Для трансфокаторов настройка обратного фокуса значительно сложнее. Вся сложность регулировки таких объективов заключается в том, что необходимо добиться резкого изображения во всем диапазоне изменения фокусного расстояния.
Настройка «обратного фокуса» у трансфокаторов.
Для этого необходимо проделать следующее:
1. Установить объектив в посадочное место видеокамеры.
2. Полностью открыть диафрагму объектива (установить нейтральный светофильтр нужной плотности).
3. Установить движок расстояний на объективе в положение «бесконечность».
4. Установить максимальное значение фокусного расстояния (допустим, 50 мм).
5. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере. При наличии у видеокамеры специального регулятора разблокировать его, ослабив специальный фиксирующий винт.
6. Используя график рис. 5, определить расстояние фокусировки объектива (170 м).
7. На удалении фокусировки объектива (170 м) найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.
8. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта. При наличии у видеокамеры специального регулятора, выполнить настройку с его помощью.
9. Установить минимальное значение фокусного расстояния (5 мм).
10. Используя график рис. 1, определить расстояние фокусировки объектива (17 м).
11. На удалении фокусировки объектива (17 м) найти объект, по которому будет производиться оценка резкости объекта.
12. Если резкость объекта вас устраивает, то настройка закончена, если нет, то читайте дальше.
13. Установите снова максимальное значение фокусного расстояния.
Рис. 6. Высококонтрастные сюжеты при использовании регуляторов «ALC» и «Level»
14. Вернитесь к пункту 8. Поскольку положение объектива, когда объект резкий, это целый сектор, а не одно положение, то выберите положение «резко» рядом с предыдущим значением.
15. Вернитесь к пункту 9 и следуйте далее, пока не добьетесь резкого изображения на максимальном и минимальном фокусном расстоянии.
16. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.
Отдельно остановлюсь на способах настройки для объективов, которые работают с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.
– У объективов с ручной диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор и полностью открыть диафрагму.
– У объективов с автоматической диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор, а диафрагму открыть подачей напряжения на соответствующие контакты автоириса.
Никакие нейтральные светофильтры в этих случаях не нужны.
5.2. Настройка ALC
Регуляторы «ALC» и «Level» предназначены для получения нормального изображения в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения находится на переднем плане, а задний план сильно освещен. Объект наблюдения в этом случае будет представлять собой темный силуэт (рис. 6).
Попробуем «объяснить» объективу, что в кадре рис. 6 является важной информацией (человек), а что второстепенной. Для этого выполним последовательность следующих действий.
1. Установим регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.
2. Регулятором «Level» увеличим яркость объекта на переднем плане.
3. Регулятор «ALC» будем вращать в направлении положения «А» (средних значений) до момента, когда яркость пересвеченного заднего плана уменьшится.
4. Повторяем пункты 2–3 до тех пор, пока изображение на переднем плане не будет передавать максимальную информацию об объекте.
Существует еще одна ситуация, в которой регулировки «ALC» и «Level» могут нам помочь. Это защита объектива от мощных точечных источников света (фары автомобилей). Вот некоторые рекомендации по такой настройке:
1. Установите регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.
2. Введите в поле зрения ТВ-камеры светящийся объект (лампочку, фонарик, светодиод и пр.) и, перемещая его вдоль оси поля зрения камеры, добейтесь размеров объекта на мониторе (3–5)% от высоты растра (абсолютно не важно, если объект при этом окажется не в фокусе). Медленно поворачивая потенциометр «ALC» в направлении «A», остановитесь на моменте начала ограничения по «белому» видеосигнала от светящегося объекта. При такой регулировке преднамеренное направление света от точечного источника в ТВ-камеру не приведет ее к ослеплению, а на объектах больших по размерам будут просматриваться детали, что весьма важно в процессах обнаружения и различимости.
3. Уберите светящийся объект из поля зрения камеры и при выбранном положении потенциометра «ALC» окончательно выставьте уровень видеосигнала 1 вольт; не забудьте при этом, что выход видеосигнала ТВ-камеры должен иметь нагрузку 75 ом.
Примечание автора. К сожалению, некоторые недобросовестные поставщики предлагают объективы, у которых регулировки «Level» и «ALC» не работают при нормально функционирующей автоматической диафрагме, отрегулированной в заводских условиях.
5.3. Настройка «Level»
Настройка регулятора «Level» в основном не требуется, так как заводская установка, как правило, удовлетворяет пользователей. Но, несмотря на это, в практической деятельности иногда приходится проводить такую регулировку. Порядок настройки следующий.
1. Вращая регулятор «Level», проверьте, что яркость картинки на мониторе изменяется.
2. Установите регулятор в такое положение, при котором картинка станет пересвеченной.
3. Вращая регулятор в направлении уменьшения яркости экрана, найдите такое положение, при котором картинка из пересвеченной станет нормальной.
4. Относительно этого положения поверните регулятор в том же направлении на 1/4–1/5 оборота.
После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой.
А.Гонта «Практическое пособие по CCTV». г. Москва: Спецкнига». 2006г
Материал предоставлен автором.
Решается проблема улучшения контрастности, четкости, глубины резкости и разрешающей способности объектива. Хорошая глубина резкости – это один из основных показателей.
Объекты, находящиеся на разном расстоянии от объектива, могут синхронно находиться в фокусе. Это свойство помогает организовать качественное наблюдение за растянутыми вдаль объектами, например, коридорами или автостоянками.
Диафрагма P-Iris при ярком освещении не дает отверстию закрыться полностью, что помогает избежать дифракции. Такая особенность предоставляет широкие возможности для внутреннего и внешнего видеонаблюдения. Для данного типа диафрагмы в объективе используется электромоторчик, с помощью которого перемещается настройка отверстия ирисовой диафрагмы при любом освещении. Управляемый с помощью программного обеспечения, механизм настраивает максимально оптимальную позицию диафрагмы для получения наилучшего изображения.
В сетевых видеокамерах, на которых установлена P-Iris, в интерфейсе пользователя можно выставлять любой предельный размер открытия диафрагмы. Эта функция помогает выставить ее положение автоматически так, как это считается для оператора предпочтительно в условиях определенного освещения. Благодаря применению диафрагм P-Iris, использование сетевых неподвижных камер становится на абсолютно новый уровень.
Слово боке вошло в широкий обиход не так уж и давно, примерно в конце 1990-х годов. Оно пришло из японского языка, где обозначает "размытость" или "нечеткость". Боке называют рисунок, который формируется на снимке из объектов, находящихся за границами зоны резкости путем размытия. Человек не способен своими глазами увидеть боке таким, какое оно получается на фотографии. Мы лишь слегка можем расфокусировать взгляд, получив нечеткое изображение, но это будет и близко не похоже на художественный эффект, получаемый благодаря объективам, способным создавать этот чудесный рисунок.
Для простого боке сгодится практически любой объектив, но действительно красивый рисунок создают не все. Производители оптики постоянно стараются уменьшить искажения, создаваемые линзами, исключить рассеивание света, добавляя просветляющее покрытие на оптические элементы и борются с аберрациями и прочими вредителями, но это всё делает рисунок боке более скудным.
На рынке можно встретить оптику не отличающуюся хорошей резкостью. Такие объективы дают мягкую картинку и замечательный рисунок боке. К примеру, Canon EF 135mm 1:2.8 Soft Focus или Canon EF 50mm 1:1.2L.
Оптика, способная создавать действительно красивый рисунок боке иногда стоит дороже самых топовых объективов. 100 тысяч рублей - это не предел. Конечно же, можно найти и более дешевые объективы подходящие на роль боке-художников. Главное разобраться, каким должно быть размытие, чтобы оно дополняло, а не портило снимок.
Стоимость оптики для боке
Красивый рисунок можно получить и на дешевой оптике. К примеру, старые советские объективы.
Очень достойный рисунок можно получить используя "Гелиос" 44-го семейства. Сколько такой раритет может стоить? Примерно 3000 рублей обойдется объектив в хорошем состоянии. Ещё 1000 рублей придется отдать за переходник. Снимки, получаемые на Helios 77 M4 могут соперничать с дорогими аналогами.
Также неплохие результаты можно получить используя любительскую недорогую оптику от современных производителей.
У многих объективов боке начинает раскрываться на диафрагме 1,8. При этом детализация зоны резко изображаемого пространства оставляет желать лучшего. Практически всегда боке недорогой оптики будет хуже, чем у топовых стёклышек, но если учесть разницу в цене в десятки раз, то на это можно закрыть глаза.
Боке на зум-объективах
Объективы с изменяемым фокусным расстоянием не способны создавать оригинальное и уникальное боке. К примеру, можно взять китовый объектив 18-55mm f/5.6 на максимальном фокусном расстоянии. Он будет размывать фон без какой-либо доли искусства и оригинальности.
Возьмем объектив 18-55 мм. Максимально увеличим фокусное расстояние и на максимум откроем диафрагму. Уменьшим дистанцию до объекта съемки на максимум (около 30 см). Рисунок боке получается унылым и невыразительным. Даже самый дешевый Гелиос сделает более интересную картинку. У более дорогой оптики творческий потенциал выше. К примеру, возьмём Canon EF 24-105mm 1:4L.
При тех же условиях съёмки рисунок начинает обретать диски нерезкости. Выглядит это более эффектно, но сами диски создают не очень приятную картинку. Они отвлекают внимание от переднего плана.
Всегда придётся искать максимально качественный результат в том, что есть в наличии. Следующий снимок демонстрирует рисунок боке полученный при съёмке на фокусном расстоянии 105 мм при диафрагме 7.1:
На что влияет количество лепестков диафрагмы?
Всегда в характеристиках оптики есть указание количества лепестков диафрагмы. Чем больше количество, тем форма кружков боке будет более приближённой к кругу. Но стоит знать, что открытая диафрагма на форму дисков не влияет.
Можно найти очень интересные объективы, такие как Зенитар МЕ1. Его диафрагма выполнена в форме ромба.
Естественно, рисунок получается оригинальный.
Зеркально-линзовые объективы, такие как MC 3M-5CA 8/500, дают боке в форме бубликов:
Оценка боке
Выбрать объектив с наилучшим боке трудно. По-хорошему, их нужно все попробовать. Тогда можно распознать "вкус" каждого и определиться с выбором. На деле нужно обращать внимание на некоторые нюансы. Например, если вам демонстрируют фотографии с размытым фоном, сделанные при помощи конкретных объективов следует задуматься о том, как они были получены и какие ошибки допустил фотограф. К примеру, если задний фон полностью размыт и нет плавного перехода от резкой части к зоне размытия - это плохо.
Боке не должно резко отделять задний план от переднего. Оно должно быть частью композиции. Лучше всего, когда за объектом съемки располагаются, уходя вдаль однотипные объекты и те, что дальше, размываются сильнее, чем те, что ближе. Это правильная демонстрация размытия
На данном снимке видно, как по мере удаления степень размытия увеличивается. Лучший способ оценить боке конкретных объективов - это найти в интернете художественные работы фотографов, сделанные именно с интересующим вас объективом. Нужно смотреть работы в разных жанрах. Тогда можно будет оценить потенциал и качество работы оптики.
Как имитировать боке в Фотошопе?
Создать боке в Photoshop можно. Для этого есть несколько инструментов. Фильтр "Размытие при малой глубине резкости" (Lens blur) может моделировать боке в Adobe Photoshop.
Для понимания качества программного метода просто сравним работу фильтра и реального объектива.
Подопытный снимок:
Проведём размытие в Фотошопе. Выбираем фильтр "размытие при малой глубине резкости", устанавливаем 8-лепестковую диафрагму. Получаем вот это:
Гелиос 44М (58 мм, 1:2) размыл изображение иначе:
Оптическое размытие создаёт совершенно другую фактуру. Края дисков чёткие и не такие структурированные, как при программном размытии.