Ich habe einmal ein Projekt verloren, weil die Kamera im Weitwinkel großartig aussah, aber bei vollem Zoom fast blind wurde. Dieser Fehler hat mich Tausende gekostet.
Wenn eine PTZ-Kamera auf ihre maximale Brennweite zoomt, erhöht sich die Blendenzahl und das Objektiv lässt viel weniger Licht durch. Ein typisches 30fach-PTZ-Objektiv fällt von F1,6 im Weitwinkel auf F4,8 im vollen Telebereich. Das bedeutet, dass bei maximalem Zoom nur etwa 1/9 des ursprünglichen Lichts den Sensor erreicht.
Verkleinerung der Blende der PTZ-Kamera bei maximalem Zoom
Dies ist eine der am häufigsten übersehenen Angaben bei der Auswahl von PTZ-Kameras. In den meisten Datenblättern finden Sie die beste Blende für den Weitwinkelbereich. Aber die wirkliche Leistung, die für Ihr Projekt wichtig ist, findet am Teleobjektivende statt. Im Folgenden gehe ich auf die einzelnen Aspekte dieses Problems ein, damit Sie eine klügere Kaufentscheidung treffen können.
Warum wird mein Bild deutlich dunkler, wenn ich in den vollen 40fachen Bereich zoome?
Ich erinnere mich an das erste Mal, als ich ein 40X-PTZ bei Nacht bis an seine Grenzen brachte. Das Bild fiel einfach auseinander. Innerhalb von Sekunden verwandelte es sich von einem klaren in ein dunkles, verrauschtes Durcheinander.
Das Bild wird dunkler, weil die effektive Blende mit zunehmender Brennweite kleiner wird. Der Objektivtubus hat einen festen Durchmesser und kann daher nicht genug Licht sammeln, um mit der längeren Brennweite Schritt zu halten. Dies führt zu einem erheblichen Helligkeitsabfall bei vollem Zoom.
PTZ-Kamerabild verdunkelt sich bei vollem Zoombereich
Die Physik hinter der Verdunkelung
Der Hauptgrund dafür ist eine einfache mathematische Rechnung. Die F-Zahl eines Objektivs ist gleich der Brennweite geteilt durch den Durchmesser der Eintrittspupille. Hier ist die Formel:
F = f / D
Wo f ist die Brennweite und D ist der Durchmesser der Eintrittspupille. Wenn Sie von Weitwinkel auf Tele zoomen, f kann sich um das 30- oder 40-fache vergrößern. Aber das physische Glas an der Vorderseite des Objektivs wird nicht 30 Mal breiter. Der Objektivtubus bleibt gleich groß. Also D wächst nur ein wenig, während f stark zunimmt. Das Ergebnis ist eine viel größere Blendenzahl im Telebereich.
Wie sieht das in realen Zahlen aus?
Ich möchte Ihnen das an einem konkreten Beispiel zeigen. Nehmen Sie ein handelsübliches 30X PTZ-Objektiv mit einem Brennweitenbereich von 4,5-135 mm und einem Blendenbereich von F1,6-F4,4.
| Zoom-Position | Brennweite | Maximale Blende (F-Zahl) | Relativer Lichteinfall |
|---|---|---|---|
| Weit (1X) | 4,5 mm | F1.6 | 100% |
| Mittel (15X) | ~67 mm | ~F3.0 | ~28% |
| Tele (30X) | 135 mm | F4.4 | ~13% |
Im Weitwinkelbereich lässt F1,6 sehr viel Licht durch. Am Teleende lässt F4,4 nur etwa 13% dieses Lichts durch. Das ist ein massiver Rückgang.
Warum die Kamera versucht zu kompensieren (und oft scheitert)
Wenn das Licht schwächer wird, versucht der ISP (Image Signal Processor) der Kamera, die Situation automatisch zu verbessern. Er tut zwei Dinge. Erstens erhöht er die Verstärkung. Dadurch wird das Signal verstärkt, aber auch das Rauschen nimmt zu. Zweitens verlangsamt er die Belichtungszeit. Dadurch fällt zwar mehr Licht pro Bild ein, aber es kommt zu Bewegungsunschärfen. Keine der beiden Lösungen ist kostenlos. Sie erhalten entweder ein verrauschtes oder ein verschwommenes Bild. Bei Nacht, mit F4,4 oder F4,8, treffen einfach nicht genug Photonen auf den Sensor. Keine noch so große Software-Bearbeitung kann Details aus dem Nichts erzeugen. Deshalb rate ich meinen Kunden immer, ihre Kameras bei vollem Zoom und schlechten Lichtverhältnissen zu testen, bevor sie sich zum Kauf entschließen. Die Weitwinkeldemo sieht großartig aus. Die Realität im Telebereich ist das, was zählt.
Wie hoch ist die Blendenzahl meines Objektivs im Telebereich im Vergleich zum Weitwinkelbereich?
Früher habe ich mich nur auf die erste Zahl in der Blendenangabe konzentriert. Das war ein Fehler. Die zweite Zahl ist diejenige, die die Leistung bei Nacht und in der Ferne bestimmt.
Die meisten 20X-30X-PTZ-Objektive haben im Weitwinkel eine Blende von F1,6 und im Telebereich eine Blende zwischen F4,0 und F5,0. Das bedeutet, dass das Objektiv etwa 3 volle Blendenstufen von der Weitwinkel- zur Teleeinstellung verliert, was die Lichtaufnahme auf etwa 1/8 der ursprünglichen Menge reduziert.
Vergleich der F-Zahlen von PTZ-Kameras zwischen Weitwinkel und Teleobjektiv
Wie man das Datenblatt richtig liest
Wenn Sie eine PTZ-Kamera-Spezifikation wie “4,5-148,5 mm, F1,6-F4,8” sehen, erzählen die beiden F-Zahlen zwei sehr unterschiedliche Geschichten. F1,6 ist der beste Fall. F4,8 ist der schlechteste Fall. Und der ungünstigste Fall ist genau das Szenario, das Sie am meisten interessiert: maximaler Zoom, bei Nacht, auf ein 300 Meter entferntes Ziel.
Vergleiche der Blendenwerte beliebter PTZ-Modelle in der Praxis
Hier ist ein Vergleich typischer PTZ-Kameramodule, mit denen ich im Laufe der Jahre gearbeitet habe:
| Kamera Modell Typ | Zoombereich | Wide-End-Blende | Tele-Endblende | Lichtverlust (Stopps) | Restliches Licht |
|---|---|---|---|---|---|
| 20X Standard PTZ | 4,7-94 mm | F1.6 | F3.5 | ~2,3 Haltestellen | ~20% |
| 30X Mid-Range PTZ | 4,5-135 mm | F1.6 | F4.4 | ~2,9 Haltestellen | ~13% |
| 33X Hoch-Zoom PTZ | 4,5-148,5 mm | F1.6 | F4.8 | ~3,2 Haltestellen | ~11% |
| 40X Long-Range PTZ | 4,3-170 mm | F1.8 | F5.4 | ~3,2 Haltestellen | ~11% |
Die Bedeutung von “Stopps” im Klartext
Jede “Blende” bedeutet eine Halbierung des Lichts. Also 1 Blende weniger = 50% Licht. Zwei Blenden weniger = 25% Licht. Drei Blenden weniger = etwa 12% Licht. Wenn ich dies Kunden wie David erkläre, drücke ich es einfach aus: “Bei vollem Zoom sieht Ihre Kamera nur noch ein Achtel des Lichts, das sie im Weitwinkel hatte. Das ist so, als würde man von einem gut beleuchteten Büro in einen schummrigen Flur wechseln.”
Warum die Tele-End-Nummer Ihr wahrer Maßstab ist
Die Weitwinkelöffnung kann leicht vergrößert werden. Sie ist billig. Die Blende am Teleende ist der Punkt, an dem die Technik teuer wird. Um die Blendenzahl am Teleende niedrig zu halten, braucht man Glaselemente mit größerem Durchmesser. Sie benötigen asphärische Linse 1 Entwürfe. Sie brauchen präzisere Beschichtungen. All das erhöht die Kosten. Wenn ich bei Loyalty-Secu unsere Kameramodule entwerfe, dränge ich unsere Optik-Ingenieure dazu, die Blende am Tele-Ende so niedrig wie möglich zu halten, auch wenn das bedeutet, dass wir größeres, teureres Glas verwenden müssen. Denn ich weiß, dass meine Kunden diese Kameras für das kaufen, was sie bei maximalem Zoom sehen können, nicht für den Weitwinkel. Ein 30fach-PTZ mit F1,6-F3,5 am Teleende wird unter realen Nachtbedingungen immer ein 40fach-PTZ mit F1,8-F5,4 schlagen.
Wie kann ich bei Nacht ein klares Bild erhalten, wenn sich die Blende beim Zoomen verengt?
Ich habe PTZ-Kameras auf abgelegenen Ölfeldern eingesetzt, wo die nächste Straßenlaterne 10 Meilen entfernt ist. Wenn die Kamera in völliger Dunkelheit nicht mit vollem Zoom sehen kann, ist sie nutzlos.
Um nachts bei vollem Zoom ein klares Bild zu erhalten, benötigen Sie eine synchronisierte IR- oder Laser-Beleuchtung, die ihren Strahlungswinkel an das Sichtfeld des Objektivs anpasst. Außerdem benötigen Sie einen großen Bildsensor (1/1,8″ oder größer), um mehr Photonen pro Pixel bei reduzierter Blendenöffnung zu erfassen.
Nachtsicht-PTZ-Kamera mit Laser-IR-Beleuchtung bei vollem Zoom
Die drei Säulen der Night Performance bei Full Zoom
Es gibt drei Dinge, die zusammenwirken, um ein brauchbares Bild bei maximalem Zoom in der Dunkelheit zu erhalten. Ich nenne sie die drei Säulen.
Säule 1: Synchronisierte Beleuchtung
Eine gute PTZ-Kamera hat nicht nur IR-LEDs an der Vorderseite. Sie hat eine IR- oder Laser-Beleuchtung, die mit dem Objektiv gezoomt wird. Wenn das Objektiv auf Weitwinkel eingestellt ist, breitet sich das IR-Licht weit aus. Wenn das Objektiv auf Tele eingestellt ist, verengt sich der IR-Strahl zu einem engen Spotlight. Dadurch wird die Infrarotenergie auf den kleinen Bereich konzentriert, auf den die Kamera tatsächlich schaut. Andernfalls vergeudet das IR-Licht seine Energie mit der Beleuchtung von Bereichen außerhalb des Sichtfelds.
Bei Loyalty-Secu verwenden unsere PTZ-Modelle mit großer Reichweite Hochleistungs Laserbeleuchtungen 2 ausgelegt für 800 Meter. Der Winkel des Laserstrahls passt sich beim Zoomen automatisch an. Das bedeutet, dass bei 40fachem Zoom die gesamte Laserenergie genau auf den Bereich fokussiert wird, den die Kamera sieht. Dies ist der wichtigste Faktor für ein klares Nachtbild bei vollem Zoom.
Säule 2: Die Sensorgröße ist entscheidend
Ein größerer Sensor hat größere Pixel. Größere Pixel sammeln mehr Licht. Ein 1/1,8-″-Sensor sammelt etwa 2-mal mehr Licht pro Pixel als ein 1/2,8-″-Sensor, wenn alles andere gleich bleibt. Wenn die Blende auf F4,8 sinkt, ist jedes bisschen zusätzliche Lichtsammelfähigkeit wichtig. Ich empfehle immer 1/1,8″-Sensoren oder größere Sensoren für jedes Projekt, bei dem es auf eine gute Leistung bei Nacht und großer Entfernung ankommt.
Säule 3: Intelligente ISP-Verarbeitung
Moderne ISPs verwenden zeitliche Rauschunterdrückung (3D-DNR) und Frame-Stacking, um verrauschte Bilder zu bereinigen. Doch diese Algorithmen haben ihre Grenzen. Sie funktionieren am besten, wenn sie ein vernünftiges Signal als Ausgangsbasis haben. Wenn das Bild zu dunkel ist, kann kein ISP es retten. Der ISP ist also die letzte Verteidigungslinie, nicht die erste.
Was Sie Ihren Lieferanten fragen sollten
Wenn Sie mit einem chinesischen PTZ-Hersteller sprechen, sollten Sie diese Fragen stellen:
- Wie groß ist der IR- oder Laser-Beleuchtungsabstand bei maximalem Zoom?
- Ist der IR-Strahlungswinkel mit dem Objektivzoom synchronisiert?
- Welche Sensorgröße verwenden Sie?
- Können Sie echte Nachtaufnahmen mit maximalem Zoom zur Verfügung stellen, nicht nur mit Weitwinkel?
Wenn sie diese Fragen nicht klar beantworten können, gehen Sie weiter.
Kompensiert die Verstärkungsregelung meiner Kamera effektiv den Lichtverlust bei hohem Zoom?
Ich habe zu viele Kameras gesehen, die die Verstärkung auf das Maximum aufdrehen und dies als “Sternenlichtleistung” bezeichnen. Das Ergebnis ist ein helles Bild voller Rauschen, das für die Identifizierung völlig unbrauchbar ist.
Die Verstärkungsregelung kann den Lichtverlust bei hohem Zoom teilweise ausgleichen, führt aber zu Rauschen, das die Bildqualität beeinträchtigt. Jede Verstärkung um 6 dB verdoppelt in etwa die Helligkeit, verdoppelt aber auch das sichtbare Rauschen. Ab einem bestimmten Punkt wird das Bild für eine sinnvolle Identifizierung oder Aufzeichnung zu verrauscht.
Vergleich der Verstärkungsgeräusche von PTZ-Kameras bei verschiedenen Zoomstufen
Wie die Gewinnung funktioniert (und wo sie scheitert)
Gain ist eine elektronische Verstärkung. Der Sensor nimmt ein schwaches Signal auf, und der ISP vervielfacht es, um das Bild heller zu machen. Dies ist vergleichbar mit dem Aufdrehen der Lautstärke eines Radios. Wenn das ursprüngliche Signal sauber ist, funktioniert das Aufdrehen der Lautstärke gut. Aber wenn es ein Rauschen gibt, wird das Rauschen auch lauter, wenn man die Lautstärke erhöht.
In Bezug auf Kameras ist das “Rauschen” das Sensorrauschen. Jeder Bildsensor hat eine Rauschgrenze. Wenn die Lichtstärke bei vollem Zoom abnimmt, nähert sich das tatsächliche Bildsignal diesem Rauschpegel an. Eine zusätzliche Verstärkung verstärkt sowohl das Signal als auch das Rauschen gleichermaßen. Das Ergebnis ist ein helles, aber körniges Bild.
Der Kompromiss zwischen Verstärkung und Bildqualität
| Verstärkungsgrad | Helligkeitssteigerung | Lärmpegel | Benutzerfreundlichkeit für ID |
|---|---|---|---|
| 0 dB (Basis) | 1X | Niedrig | Ausgezeichnet |
| 6 dB | 2X | Mäßig | Gut |
| 12 dB | 4X | Hoch | Messe |
| 18 dB | 8X | Sehr hoch | Schlecht |
| 24 dB+ | 16X+ | Extrem | Unverwendbar |
Am Teleende mit F4,8 hat die Kamera bereits etwa 3 Blendenstufen an Licht verloren. Um dies zu kompensieren, muss die automatische Verstärkungsregelung (AGC) etwa 9 dB an Verstärkung hinzufügen, nur um die Helligkeit im Weitwinkelbereich zu erreichen. Das bringt Sie in den Bereich des “starken Rauschens”, noch bevor Sie das geringe Umgebungslicht in der Nacht berücksichtigen.
Warum “Starlight”-Spezifikationen irreführend sein können
Viele chinesische Hersteller werben mit einer Leistung von “0,001 Lux bei Sternenlicht”. Diese Zahl wird jedoch im Weitwinkelbereich mit maximaler Verstärkung und langer Verschlusszeit gemessen. Bei vollem Zoom mit F4,8 ist die effektive Mindestlichtstärke 5-8 Mal schlechter. Diese “0,001 Lux”-Kamera benötigt also bei maximalem Zoom etwa 0,005-0,008 Lux, um die gleiche Bildqualität zu erreichen. Das ist immer noch beeindruckend, aber es ist nicht das, was die Zahl in der Überschrift suggeriert.
Was ich meinen Kunden empfehle
Kunden wie David sage ich immer: “Vertrauen Sie nicht allein auf die Angaben zur Mindestlichtstärke. Fragen Sie speziell nach der Spezifikation für das Teleobjektiv. Und verlangen Sie immer ein Nachtvideo bei vollem Zoom.” Bei Loyalty-Secu bieten wir separate Angaben zur Mindestlichtstärke sowohl für den Weitwinkel als auch für den Telebereich. Wir stellen auch echte Nachtaufnahmen mit maximalem Zoom zur Verfügung, damit unsere Kunden die Bildqualität vor der Bestellung selbst beurteilen können. Diese Transparenz spart allen Beteiligten Zeit und verhindert, dass Projekte scheitern.
Die Rolle der Langzeitbelichtung
Einige Kameras verwenden eine lange Verschlusszeit (auch Langzeitbelichtung genannt), um mehr Licht zu sammeln. Das funktioniert bei statischen Szenen. Wenn Ihr Ziel jedoch ein sich bewegendes Fahrzeug oder eine gehende Person ist, führt eine lange Verschlusszeit zu Bewegungsunschärfe. Für Sicherheitsanwendungen empfehle ich im Allgemeinen eine Verschlusszeit von 1/30s oder kürzer. Bei einer längeren Verschlusszeit ist es nicht möglich, Gesichter oder Nummernschilder in Bewegung zu erfassen. Das bedeutet, dass Sie sich nicht auf eine lange Verschlusszeit verlassen können, um das Problem des Blendenabfalls zu lösen. Sie brauchen echte optische Lösungen: besseres Glas, größere Sensoren und eine angemessene IR-Beleuchtung.
Schlussfolgerung
Überprüfen Sie immer die Blende am Teleende, nicht nur die Zahl am Weitwinkelende. Kombinieren Sie Ihre PTZ mit einer synchronisierten IR-Beleuchtung und einem großen Sensor für echte Nachtaufnahmen bei maximalem Zoom.
1. Asphärische Linse für verbesserte Lichtdurchlässigkeit im Telebereich. ︎ 2. Loyalty-Secu Laser PTZ für synchronisierte Beleuchtung auf Entfernung. ︎ 3. Verhältnis zwischen Eintrittspupille und Blendenzahl bei Zoomobjektiven. ︎ 4. AGC-Verstärkungsrauschen bei schlechten Lichtverhältnissen. ︎ 5. Vergleich der Pixelgrößen von 1/1,8″ und 1/2,8″ Sensoren. ︎ 6. 3D-DNR zeitliche Rauschunterdrückung bei hohen Verstärkungsstufen. ︎ 7. Minimale Beleuchtungsstärke bei der Interpretation des Teleobjektivs. ︎ 8. Laser-Beleuchtungsstrahl-Winkel-Synchronisation mit PTZ-Zoom. ︎ 9. Beschränkung der Bewegungsunschärfe bei Verschlusszeiten unter 1/30s. ︎ 10. Optische Glasbeschichtungen für verbesserte Transmission bei Teleaufnahmen. ︎