كيف أقوم بتقييم تقليل فتحة العدسة واستيعاب الضوء عند التكبير الأقصى؟

لقد فقدت مشروعًا ذات مرة لأن الكاميرا بدت رائعة بزاوية عريضة ولكنها تحولت إلى ما يشبه العمى عند التكبير الكامل. كلفني هذا الخطأ الآلاف.

عندما تقوم كاميرا PTZ بالتكبير إلى أقصى بُعد بؤري لها، يزداد الرقم البؤري F ويتيح للعدسة دخول ضوء أقل بكثير. تنخفض عدسة PTZ 30X النموذجية من F1.6 عند الزاوية العريضة إلى F4.8 عند التقريب الكامل. وهذا يعني أن حوالي 1/9 فقط من الضوء الأصلي يصل إلى الحساس عند التكبير/التصغير الأقصى.

تقليل فتحة كاميرا PTZ عند الحد الأقصى للتكبير/التصغير

هذه واحدة من أكثر المواصفات التي يتم تجاهلها في اختيار كاميرا PTZ. تعرض لك معظم أوراق البيانات أفضل فتحة عدسة في أفضل الحالات عند الطرف العريض. لكن الأداء الحقيقي المهم لمشروعك يحدث عند الطرف المقرب. فيما يلي، أقوم بتفصيل كل جزء من هذه المشكلة حتى تتمكن من اتخاذ قرار شراء أكثر ذكاءً.

لماذا تصبح صورتي أكثر قتامة بشكل ملحوظ عندما أقوم بالتكبير إلى نطاق 40X الكامل؟

أتذكر المرة الأولى التي ضغطت فيها على كاميرا PTZ 40X إلى أقصى حد لها في الليل. تفككت الصورة. تحولت من واضحة إلى فوضى مظلمة وصاخبة في ثوانٍ.

تصبح الصورة أكثر قتامة لأن فتحة العدسة الفعالة تتقلص مع زيادة البُعد البؤري. تحتوي أسطوانة العدسة على قطر مادي ثابت، لذا لا يمكنها تجميع ما يكفي من الضوء لمواكبة البُعد البؤري الأطول. يتسبب ذلك في انخفاض كبير في السطوع عند التكبير/التصغير الكامل.

تعتيم صورة كاميرا PTZ عند نطاق التكبير/التصغير الكامل

الفيزياء الكامنة وراء التعتيم

السبب الأساسي هو عملية حسابية بسيطة. الرقم البؤري للعدسة يساوي البُعد البؤري مقسومًا على قطر حدقة المدخل. إليك المعادلة:

و = و/د

المكان f هو البُعد البؤري و D هو قطر حدقة المدخل. عندما تقوم بالتكبير من العريض إلى المقرب, f قد تزيد 30 أو 40 مرة. لكن الزجاج المادي في مقدمة العدسة لا يزداد اتساعاً 30 مرة. تظل ماسورة العدسة بنفس الحجم. لذلك D ينمو قليلًا فقط، بينما f تنمو كثيراً. والنتيجة هي رقم F أكبر بكثير عند طرف التقريب.

كيف يبدو ذلك بالأرقام الحقيقية؟

دعني أوضح لك بمثال حقيقي. خذ عدسة PTZ شائعة 30X ذات نطاق بُعد بؤري 4.5-135 مم ونطاق فتحة عدسة F1.6-F4.4.

موضع التكبير/التصغير	البُعد البؤري	الحد الأقصى لفتحة العدسة (الرقم البؤري)	مدخول الضوء النسبي
عريض (1X)	4.5 مم	F1.6	100%
متوسط (15X)	~حوالي 67 مم	~F3.0	~28%
تليفون (30X)	135 مم	F4.4	~13%

عند الطرف العريض، تسمح F1.6 بدخول الكثير من الضوء. في طرف التقريب، تسمح F4.4 عند الطرف المقرب بدخول حوالي 131 تيرابايت 3 تيرابايت فقط من هذا الضوء. وهذا انخفاض هائل.

لماذا تحاول الكاميرا التعويض (وغالباً ما تفشل)

عندما ينخفض الضوء، يحاول ISP (معالج إشارة الصورة) في الكاميرا إصلاح الأمور تلقائياً. يقوم بأمرين. أولاً، يزيد من الكسب. هذا يضخم الإشارة ولكنه يضخم الضوضاء أيضاً. ثانياً، يبطئ سرعة الغالق. يسمح هذا بدخول المزيد من الضوء في كل إطار ولكنه يسبب ضبابية الحركة. لا يوجد أي من الحلين مجاناً. إما أن تحصل على صورة مشوشة أو صورة ضبابية. في الليل، مع F4.4 أو F4.8، لا توجد ببساطة فوتونات كافية تصل إلى الحساس. لا يمكن لأي قدر من المعالجة البرمجية إنشاء تفاصيل من لا شيء. لهذا السبب أطلب من عملائي دائمًا أن يختبروا كاميراتهم عند التكبير الكامل في الإضاءة المنخفضة قبل أن يلتزموا بطلب الشراء. يبدو العرض التوضيحي للزاوية العريضة رائعاً. الواقع المقرب هو ما يهم.

ما هو الرقم F لعدستي عند الطرف المقرب مقابل الطرف ذي الزاوية العريضة؟

اعتدت التركيز فقط على الرقم الأول في مواصفات فتحة العدسة. كان ذلك خطأ. الرقم الثاني هو الرقم الذي يحدد الأداء الليلي عند المسافة.

تتميز معظم عدسات PTZ 20X-30X بفتحة عدسة عريضة تبلغ F1.6 وفتحة عدسة مقربة تتراوح بين F4.0 وF5.0. وهذا يعني أن العدسة تفقد حوالي 3 درجات توقف كاملة للضوء من العدسة العريضة إلى المقربة، مما يقلل من كمية الضوء إلى 1/8 من الكمية الأصلية تقريبًا.

مقارنة الرقم البؤري لكاميرا PTZ العريضة مقابل المقربة

كيفية قراءة ورقة المواصفات بشكل صحيح

عندما تشاهد مواصفات كاميرا PTZ مثل “4.5-148.5 مم، F1.6-F4.8”، فإن رقمي F1.6-F4.8 يحكيان قصتين مختلفتين تمامًا. F1.6 هي أفضل حالة. F4.8 هو أسوأ الحالات. والسيناريو الأسوأ هو بالضبط السيناريو الذي يهمك أكثر من غيره: أقصى تكبير، في الليل، على هدف يبعد 300 متر.

مقارنات بين فتحة العدسة في العالم الحقيقي عبر نماذج PTZ الشائعة

فيما يلي مقارنة بين وحدات كاميرا PTZ النموذجية التي عملت معها على مر السنين:

نوع طراز الكاميرا	نطاق التكبير/التصغير	فتحة العدسة العريضة	فتحة العدسة عن بُعد	فقدان الضوء (توقف)	الضوء المتبقي
20X PTZ قياسي 20X	4.7-94 مم	F1.6	F3.5	~حوالي 2.3 نقطة توقف 2.3 تقريبًا	~20%
30X PTZ متوسط المدى 30X	4.5-135 مم	F1.6	F4.4	~حوالي 2.9 نقطة توقف 2.9 تقريبًا	~13%
33X عالية التكبير/التصغير PTZ	4.5 - 148.5 مم	F1.6	F4.8	~حوالي 3.2 محطات توقف	~11%
40X PTZ بعيد المدى 40X	4.3-170 مم	F1.8	F5.4	~حوالي 3.2 محطات توقف	~11%

ماذا تعني كلمة “توقف” بلغة بسيطة؟

كل “توقف” للضوء يعني أن كل “توقف” للضوء يعني أن الضوء ينخفض إلى النصف. إذن 1 توقف أقل = 50% ضوء. توقفتان أقل = 25% ضوء. ثلاث توقفات أقل = حوالي 12% ضوء. عندما أشرح هذا الأمر للعملاء مثل ديفيد، أشرح الأمر ببساطة: "عند التكبير الكامل، ترى الكاميرا بثُمن الضوء الذي كانت تتمتع به عند الزاوية الواسعة. وهذا يشبه الانتقال من مكتب جيد الإضاءة إلى رواق خافت."

لماذا يعتبر رقم نهاية الاتصال عن بُعد هو المعيار الحقيقي لك

من السهل جعل الفتحة ذات النهاية العريضة كبيرة. إنها رخيصة. أما فتحة العدسة المقربة فهي حيث تصبح الهندسة باهظة الثمن. للحفاظ على انخفاض الرقم البؤري عند الطرف المقرب، تحتاج إلى عناصر زجاجية ذات قطر أكبر. تحتاج إلى عدسة لا كروية ¹ التصاميم. تحتاج إلى طلاءات أكثر دقة. كل هذا يضيف التكلفة. عندما أصمم وحدات الكاميرا الخاصة بنا في Loyalty-Secu، أدفع مهندسي البصريات لدينا لإبقاء فتحة العدسة عن بُعد منخفضة قدر الإمكان، حتى لو كان ذلك يعني استخدام زجاج أكبر وأكثر تكلفة. لأني أعلم أن عملائي يشترون هذه الكاميرات لما يمكنهم رؤيته عند الحد الأقصى للتقريب، وليس بزاوية واسعة. ستتفوق دائمًا كاميرا 30X PTZ بفتحة عدسة F1.6-F3.5 عند الطرف المقرب على كاميرا 40X PTZ بفتحة عدسة F1.8-F5.4 في ظروف الليل الحقيقية.

كيف يمكنني الحفاظ على صورة واضحة في الليل عندما تضيق فتحة العدسة أثناء التكبير؟

لقد قمتُ بنشر كاميرات PTZ في حقول النفط النائية حيث يبعد أقرب مصباح شارع مسافة 10 أميال. إذا كانت الكاميرا لا تستطيع الرؤية بالتكبير الكامل في الظلام الدامس، فهي عديمة الفائدة.

للحفاظ على صورة واضحة في الليل أثناء التكبير/التصغير الكامل، تحتاج إلى إضاءة متزامنة بالأشعة تحت الحمراء أو الليزر تضيق زاوية شعاعها لتتناسب مع مجال رؤية العدسة. وتحتاج أيضًا إلى حساس صورة كبير (1/1.8″ أو أكبر) لالتقاط المزيد من الفوتونات لكل بكسل عند فتحة العدسة المنخفضة.

كاميرا PTZ للرؤية الليلية مزودة بإضاءة ليزر بالأشعة تحت الحمراء عند التكبير الكامل

الأعمدة الثلاثة للأداء الليلي في التكبير الكامل

هناك ثلاثة أشياء تعمل معاً لمنحك صورة قابلة للاستخدام بأقصى تكبير/تصغير في الظلام. أطلق عليها الأعمدة الثلاثة.

الركيزة 1: الإضاءة المتزامنة

كاميرا PTZ الجيدة لا تحتوي فقط على مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء عالقة في المقدمة. فهي تحتوي على إضاءة بالأشعة تحت الحمراء أو الليزر التي يتم تكبيرها مع العدسة. عندما تكون العدسة بزاوية عريضة، ينتشر ضوء الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع. عندما يتم تكبير العدسة إلى التقريب، يضيق شعاع الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء كشاف ضيق. وهذا يركز طاقة الأشعة تحت الحمراء على المنطقة الصغيرة التي تنظر إليها الكاميرا بالفعل. وبدون ذلك، تهدر الأشعة تحت الحمراء طاقتها في إضاءة مناطق خارج مجال الرؤية.

في شركة Loyalty-Secu، تستخدم نماذج PTZ طويلة المدى الخاصة بنا طاقة عالية إضاءات الليزر ² مصنفة لـ 800 متر. يتم ضبط زاوية شعاع الليزر تلقائيًا أثناء التكبير. هذا يعني أنه عند التكبير 40X، يتم تركيز كل طاقة الليزر على المنطقة التي تراها الكاميرا بالضبط. وهذا هو العامل الأكبر في الحصول على صورة ليلية واضحة عند التكبير الكامل.

الركيزة 2: أهمية حجم المستشعر

يحتوي المستشعر الأكبر على وحدات بكسل أكبر. بكسلات أكبر تجمع المزيد من الضوء. حساس 1/1.8″ يجمع ضوءًا أكثر بمرتين تقريبًا لكل بكسل من حساس 1/2.8″، مع تساوي كل شيء آخر. عندما تنخفض فتحة العدسة إلى F4.8، فإن كل جزء من قدرة جمع الضوء الإضافية مهم. أوصي دائمًا بحساسات 1/1.8″ أو حساسات أكبر لأي مشروع يحتاج إلى أداء ليلي جاد على المدى البعيد.

الركيزة 3: المعالجة الذكية لمزود خدمة الإنترنت الذكي

يستخدم مزودو خدمات الإنترنت الحديثون تقليل التشويش الزمني (3D-DNR) وتكديس الإطارات لتنظيف الصور المشوشة. لكن هذه الخوارزميات لها حدود. فهي تعمل بشكل أفضل عندما يكون لديها إشارة معقولة لتبدأ بها. إذا كانت الصورة مظلمة للغاية، لا يمكن لمزود خدمة الإنترنت حفظها. لذا فإن موفر خدمة الإنترنت هو خط الدفاع الأخير، وليس الأول.

ماذا تسأل المورد الخاص بك

عندما تتحدث إلى شركة صينية مصنِّعة لمعدات PTZ، اطرح هذه الأسئلة:

• ما هي مسافة الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء أو الليزر عند أقصى تكبير/تصغير؟
• هل تتزامن زاوية شعاع الأشعة تحت الحمراء مع تكبير العدسة؟
• ما هو حجم المستشعر الذي تستخدمه؟
• هل يمكنك تقديم لقطات عينة ليلية حقيقية بأقصى تكبير/تصغير، وليس فقط بزاوية عريضة؟

إذا لم يتمكنوا من الإجابة عن هذه الأسئلة بوضوح، فانتقل إلى مكان آخر.

هل يعوض التحكم في كسب الكاميرا بفعالية عن فقدان الضوء عند التكبير العالي؟

لقد رأيت الكثير من الكاميرات التي ترفع الكسب إلى الحد الأقصى وتسميه “أداء ضوء النجوم”. والنتيجة هي صورة ساطعة مليئة بالضوضاء غير مفيدة تمامًا لتحديد الهوية.

يمكن للتحكم في الكسب أن يعوض جزئيًا عن فقدان الضوء عند التكبير/التصغير العالي، ولكنه يُدخل تشويشًا يقلل من جودة الصورة. كل 6 ديسيبل من الكسب يضاعف السطوع تقريبًا ولكنه يضاعف أيضًا التشويش المرئي. بعد نقطة معينة، تصبح الصورة مشوشة للغاية بحيث لا يمكن التعرف عليها أو تسجيلها بشكل مفيد.

مقارنة ضوضاء كسب كاميرا PTZ عند مستويات تكبير/تصغير مختلفة

كيف يعمل الكسب (وأين ينهار)

الكسب هو التضخيم الإلكتروني. يلتقط المستشعر إشارة ضعيفة، ويقوم موفر خدمة الإنترنت بمضاعفتها لجعل الصورة أكثر سطوعاً. وهذا يشبه رفع مستوى الصوت في الراديو. إذا كانت الإشارة الأصلية نظيفة، فإن رفع مستوى الصوت يعمل بشكل جيد. ولكن إذا كان هناك تشويش، فإن رفع مستوى الصوت يجعل التشويش أعلى أيضًا.

في مصطلحات الكاميرا، “السكون” هو ضوضاء الحساس. يحتوي كل حساس صورة على أرضية تشويش. عندما ينخفض مستوى الضوء عند التكبير/التصغير الكامل، تقترب إشارة الصورة الفعلية من أرضية التشويش هذه. تؤدي إضافة الكسب إلى تضخيم كل من الإشارة والتشويش بالتساوي. والنتيجة هي صورة ساطعة ولكن محببة.

مقايضة الكسب مقابل جودة الصورة

مستوى الكسب	تعزيز السطوع	مستوى الضوضاء	قابلية الاستخدام للهوية
0 ديسيبل (الأساس)	1X	منخفضة	ممتاز
6 ديسيبل	2X	معتدل	جيد
12 ديسيبل	4X	عالية	عادلة
18 ديسيبل	8X	عالية جداً	فقير
24 ديسيبل+	16X+	متطرف	غير قابل للاستخدام

عند طرف التقريب باستخدام F4.8، فقدت الكاميرا بالفعل حوالي 3 درجات توقف للضوء. وللتعويض عن ذلك، يحتاج AGC (التحكم التلقائي في الكسب) إلى إضافة ما يقرب من 9 ديسيبل من الكسب لمجرد مطابقة السطوع عند الطرف العريض. ويدفعك ذلك إلى منطقة “التشويش العالي” قبل أن تأخذ في الحسبان حتى انخفاض الإضاءة المحيطة في الليل.

لماذا يمكن أن تكون مواصفات “ضوء النجوم” مضللة

يعلن العديد من المصنّعين الصينيين عن أداء “0.001 لوكس لضوء النجوم”. ولكن هذا الرقم يُقاس عند نهاية الزاوية العريضة مع أقصى كسب وغالق بطيء. عند التكبير الكامل مع F4.8، يكون الحد الأدنى الفعال للإضاءة أسوأ بـ 5-8 مرات. لذا تحتاج هذه الكاميرا “0.001 لوكس” في الواقع إلى حوالي 0.005-0.008 لوكس عند الحد الأقصى للتكبير/التصغير لإنتاج جودة الصورة نفسها. لا يزال هذا مثيرًا للإعجاب، ولكنه ليس ما يوحي به الرقم الرئيسي.

ما أنصح به عملائي

أقول دائمًا للعملاء مثل ديفيد: “لا تثق بمواصفات الحد الأدنى للإضاءة وحدها. اسأل عن المواصفات عند نهاية التقريب على وجه التحديد. واطلب دائمًا نموذج فيديو ليلي عند التكبير الكامل.” في Loyalty-Secu، نقدم في Loyalty-Secu أرقام إضاءة دنيا منفصلة لكل من الطرف العريض والطرف المقرب. كما أننا نشارك أيضًا لقطات ليلية حقيقية تم تصويرها بأقصى تكبير/تصغير حتى يتمكن عملاؤنا من الحكم على جودة الصورة بأنفسهم قبل الطلب. توفر هذه الشفافية وقت الجميع وتتجنب فشل المشروع.

دور المصراع البطيء

تستخدم بعض الكاميرات مغلاقاً بطيئاً (يسمى أيضاً التعريض الطويل) لجمع المزيد من الضوء. يصلح هذا للمشاهد الثابتة. ولكن إذا كان هدفك مركبة متحركة أو شخص يمشي، فإن الغالق البطيء يؤدي إلى ضبابية الحركة. بالنسبة للتطبيقات الأمنية، أوصي عمومًا بالحفاظ على سرعة الغالق عند 1/30 ثانية أو أسرع. أي شيء أبطأ من ذلك، ستفقد القدرة على التقاط الوجوه أو لوحات الترخيص أثناء الحركة. هذا يعني أنه لا يمكنك الاعتماد على مغلاق بطيء لإصلاح مشكلة انخفاض فتحة العدسة. أنت بحاجة إلى حلول بصرية حقيقية: زجاج أفضل ومستشعرات أكبر وإضاءة مناسبة بالأشعة تحت الحمراء.

الخاتمة

تحقق دائمًا من فتحة العدسة عن بُعد، وليس فقط رقم النهاية العريضة. قم بإقران كاميرا PTZ مع إضاءة الأشعة تحت الحمراء المتزامنة ومستشعر كبير للحصول على أداء ليلي حقيقي عند التكبير/التصغير الأقصى.

---

1. تصميم عدسة لا كروية لتحسين انتقال الضوء المقرب. ︎ 2. ليزر ليفي-سيكو بي تي زد للإضاءة المتزامنة في المدى. ︎ 3. علاقة حدقة المدخل والرقم البؤبؤي في عدسات التكبير/التصغير. ︎ 4. عقوبة ضوضاء كسب AGC في التصوير في الإضاءة المنخفضة. ︎ 5. مقارنة حجم بكسل المستشعر 1/1.8 بوصة مقابل 1/2.8 بوصة بكسل. ︎ 6. تقليل التشويش الزمني ثلاثي الأبعاد-DNR عند مستويات كسب عالية. ︎ 7. الحد الأدنى لتفسير مواصفات الإضاءة عند الطرف المقرب. ︎ 8. مزامنة زاوية شعاع الإضاءة بالليزر مع التكبير/التصغير PTZ. ︎ 9. قيود ضبابية الحركة عند سرعات غالق أقل من 1/30 ثانية. ︎ 10. طلاءات زجاجية بصرية لتحسين الإرسال عند التقريب. ︎