Рис. 3.24. Объяснение глубины резкости
Допустимое пятно рассеяния — это пятно проекции зоны резкости. Если наименьший элемент изображения (пиксел) ПЗС-матрицы равен или больше допустимого пятна рассеяния, то, понятно, мы не сможем увидеть детали, меньшие этого пятна. Другими словами, все объекты и их детали, в пределах пятна, будут выглядеть одинаково резкими, так как это реальный размер пиксела. Отсюда понятно, что размер допустимого пятна рассеяния для телекамеры определяется размерами пиксела ПЗС-матрицы, другими словами, разрешающей способностью ПЗС-матрицы.
Теперь мы можем понять, почему некоторые короткофокусные объективы, используемые в системах видеонаблюдения (например, 2.6 мм или 3.5 мм), вообще не имеют фокусировочного кольца, а только регулировку диафрагмы. Это потому, что даже при наименьших для данного объектива F-числах (будь то 1.4 или 1.8), глубина резкости столь велика, что объектив действительно дает резкие изображения с практически любого расстояния: от нескольких сантиметров до бесконечности. Здесь действительно нет необходимости в фокусировке.
Как будет объяснено позже в этой книге, глубина резкости — это эффект, о котором мы ни в коем случае не должны забывать, особенно при регулировке так называемого заднего фокуса (back-focus). Если задний фокус не настроен должным образом, и телекамера установлена при дневном свете (т. е. автодиафрагма объектива максимально прикрывает отверстие от избыточного света), глубина резкости обеспечит резкость даже в тех областях, которые на самом деле не в фокусе.
Практический опыт показывает, что глубина резкости в таком случае (когда задний фокус настроен некорректно) — это самый большой источник разочарования при 24-часовом функционировании системы. Причины становятся очевидны ночью, когда отверстие диафрагмы раскрывается из-за низкого уровня освещенности (при условии нормального функционирования автодиафрагмы), глубина резкости снижается, и получаются несфокусированные изображения, несмотря на то, что днем они были в фокусе. Не понимая причин этой проблемы, оператор жалуется специалистам, установившим или обслуживающим систему, но они обычно наносят визит в дневное время. Понятно, что днем благодаря большой глубине резкости никаких проблем не будет, а вот ночью опять проявятся «необъяснимые» эффекты.
Рис. 3.25. Фотографии с низким и высоким значением числа F (объектив сфокусирован на центральный объект)
Мораль отсюда такова: регулировка заднего фокуса (это мы тоже обсудим позже) должна быть проведена при полном раскрытии диафрагмы. Самый простой способ получить максимальное отверстие — настраивать при малом уровне света, что доступно вечером (или ночью), или можно искусственно снизить количество дневного света при помощи внешнего фильтра нейтральной плотности (ND) (обычно его помещают перед объективом). Все это делается ради того, чтобы уменьшить глубину резкости и таким образом сделать регулировку заднего фокуса проще и точнее.
Довольно часто при использовании черно-белых телекамер с инфракрасным светом возникает другой эффект. Из-за того, что инфракрасный свет имеет довольно большую длину волны (по сравнению с обычным светом) и меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного изображения размещается немного позади плоскости ПЗС-матрицы. Для дальнейшего пояснения феномена сошлемся на раздел разложение света призмой. Если днем изображение резкое, то в ночное время объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. Это довольно заметный и нежелательный эффект. Чтобы минимизировать его, необходим специальный объектив с компенсацией инфракрасного света (некоторые производители для этой цели выпускают специальные стеклянные линзы). Однако, вот более практичное и общее решение: настроить задний фокус объектива телекамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а объекты — в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете.
Выше, обсуждая F-числа, мы упоминали ряд F-чисел: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д. Этот список можно продолжить: 44, 64, 88, 128 и т. д. Чем выше F-число, тем меньше отверстие диафрагмы, мы уже говорили об этом.
Для фотографической или кинопленки F/32 — это довольно большое число. Чувствительность эмульсии пленки такова, что даже в солнечный день такое F-число в совокупности с доступной скоростью затвора достаточно для компенсации избыточного света.
Чувствительность пленки измеряется в единицах ISO, а обычно используемая в повседневных целях пленка имеет чувствительность 100 единиц ISO.
ПЗС-матрицы гораздо более чувствительны, чем пленка в 100 единиц ISO, особенно черно-белые матрицы. Зная уровень света, F-число и скорость затвора фотокамеры, типичное время экспозиции ПЗС-телекамеры (1/50 с для CCIR) и установку диафрагмы, мы можем посчитать чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы — она близка к значению в 100 000 единиц ISO. Это довольно высокая чувствительность.
Рис. 3.26. Встроенный в объектив нейтрально-серый фильтр
В переводе на обычный язык это означает, что ПЗС-матрица настолько чувствительна, что низкий уровень света не будет проблемой (хотя Вы могли не раз слышать от потребителей: «Насколько чувствительна ваша телекамера?»), а проблемой скорее будет сильный свет.
Поскольку телекамеры имеют только одно время экспозиции, 1/50 секунды в CCIR и SECAM и 1/60 секунды в NTSC (не учитывая электронный затвор ПЗС-телекамер), то в целях уменьшения количества света мы можем манипулировать только F-числом.
Для формирования полного видеосигнала на черно-белой ПЗС-матрице средней чувствительности требуется 0.1 лк. Ясный солнечный день на пляже или снег дает больше 100 000 лк на объекте.
Чтобы снизить эту величину до 0.1 лк требуется использование очень больших значений F-числа (порядка F/1200). Опираясь на основное определение F-числа для среднего объектива 16 мм/1.4, мы получим, что F/1200 соответствует эффективному отверстию диафрагмы в 16/1200=0.013 мм.
Механическими способами такого маленького отверстия с требуемой точностью достичь невозможно, а кроме этого мы столкнемся с новыми проблемами — краевой дифракцией света (известной как эффект Френеля), что весьма ухудшит качество изображения.
Решение было найдено в использовании внутренних фильтров нейтральной плотности.
Это очень тонкая пленка с круговым покрытием нейтрального цвета, размещаемая посередине объектива, близко к плоскости диафрагмы. Фильтр делается менее прозрачными по направлению к середине концентрических колец. Нужное F-число, таким образом, достигается путем комбинации средств механической диафрагмы (положение лепестков) и оптического нейтрально-серого фильтра (оптическое ослабление). Это очень простой и эффективный способ борьбы с сильным светом.
Фильтры называются нейтральными, потому что они ослабляют все длины волн (цвета) равномерно, таким образом не меняя световой композиции изображения.
Рис. 3.27. ND-фильтр в объективе с автодиафрагмой
Следует отметить, что очень важна оптическая точность таких тонких пленок, так как при увеличении F-числа должны сохраняться ФПМ-характеристики объектива. Теоретически, разрешающая способность любого объектива максимальна в середине диапазона установок механической диафрагмы и уменьшается по мере увеличения или уменьшения F-числа (это отличается от эффекта глубины резкости), но нейтрально-серый фильтр может его еще более снизить. Будет это заметно, либо нет, зависит от общих качеств объектива.