J'ai perdu un projet une fois parce que l'appareil photo était parfait en grand angle mais devenait presque aveugle en plein zoom. Cette erreur m'a coûté des milliers d'euros.
Lorsqu'une caméra PTZ zoome à sa longueur focale maximale, le nombre F augmente et l'objectif laisse passer beaucoup moins de lumière. Une caméra PTZ 30X typique passe de F1,6 en grand angle à F4,8 en plein téléobjectif. Cela signifie que seulement 1/9 de la lumière originale atteint le capteur au zoom maximum.
Réduction de l'ouverture de la caméra PTZ au zoom maximum
C'est l'une des caractéristiques les plus négligées dans le choix d'une caméra PTZ. La plupart des fiches techniques indiquent la meilleure ouverture possible pour le grand angle. Mais les performances réelles qui comptent pour votre projet se situent au niveau du téléobjectif. Ci-dessous, j'analyse chaque élément de ce problème afin que vous puissiez prendre une décision d'achat plus judicieuse.
Pourquoi mon image s'assombrit-elle considérablement lorsque je zoome sur la plage complète de 40X ?
Je me souviens de la première fois où j'ai poussé un PTZ 40X à sa limite la nuit. L'image s'est effondrée. Elle est passée d'une image claire à une image sombre et bruyante en quelques secondes.
L'image s'assombrit car l'ouverture effective se réduit à mesure que la distance focale augmente. Le barillet de l'objectif a un diamètre physique fixe, il ne peut donc pas recueillir suffisamment de lumière pour suivre l'allongement de la distance focale. Il en résulte une baisse significative de la luminosité à pleine focale.
Assombrissement de l'image de la caméra PTZ à pleine amplitude de zoom
La physique derrière l'obscurcissement
La raison principale est mathématique. Le nombre F d'un objectif est égal à la longueur focale divisée par le diamètre de la pupille d'entrée. Voici la formule :
F = f / D
Où f est la longueur focale et D est le diamètre de la pupille d'entrée. Lorsque vous zoomez du grand angle au téléobjectif, f peut être multiplié par 30 ou 40. Mais le verre physique à l'avant de l'objectif n'est pas 30 fois plus large. Le barillet de l'objectif conserve la même taille. C'est pourquoi D ne croît que légèrement, tandis que f se développe beaucoup. Il en résulte un nombre F beaucoup plus élevé au téléobjectif.
Comment cela se traduit-il en chiffres réels ?
Laissez-moi vous montrer un exemple concret. Prenons un objectif PTZ 30X courant avec une plage de longueur focale de 4,5-135 mm et une plage d'ouverture de F1,6-F4,4.
| Position du zoom | Longueur focale | Ouverture maximale (nombre F) | Absorption relative de lumière |
|---|---|---|---|
| Large (1X) | 4,5 mm | F1.6 | 100% |
| Moyen (15X) | ~67 mm | ~F3.0 | ~28% |
| Télé (30X) | 135 mm | F4.4 | ~13% |
Au grand angle, F1.6 laisse passer beaucoup de lumière. Au téléobjectif, F4.4 ne laisse passer qu'environ 13% de cette lumière. Il s'agit d'une baisse considérable.
Pourquoi l'appareil photo tente de compenser (et échoue souvent)
Lorsque la lumière baisse, le processeur de signal d'image (ISP) de l'appareil photo tente d'arranger les choses automatiquement. Il fait deux choses. Premièrement, il augmente le gain. Cela amplifie le signal mais aussi le bruit. Deuxièmement, il ralentit la vitesse d'obturation. Cela permet de laisser passer plus de lumière par image, mais provoque un flou de bougé. Aucune de ces solutions n'est gratuite. Vous obtenez soit une image bruyante, soit une image floue. La nuit, avec F4.4 ou F4.8, il n'y a tout simplement pas assez de photons qui frappent le capteur. Aucun traitement logiciel ne peut créer des détails à partir de rien. C'est la raison pour laquelle je dis toujours à mes clients de tester leur appareil photo en plein zoom et en basse lumière avant de passer commande. La démonstration en grand angle semble excellente. Ce qui compte, c'est la réalité du téléobjectif.
Quel est le nombre F de mon objectif au téléobjectif par rapport au grand-angle ?
J'avais l'habitude de me concentrer uniquement sur le premier chiffre de l'ouverture. C'était une erreur. C'est le deuxième chiffre qui détermine les performances nocturnes à distance.
La plupart des objectifs PTZ 20X-30X ont une grande ouverture de F1,6 et une ouverture de téléobjectif entre F4,0 et F5,0. Cela signifie que l'objectif perd environ 3 diaphragmes de lumière entre le grand angle et le téléobjectif, ce qui réduit l'apport de lumière à environ 1/8 de la quantité d'origine.
Comparaison des nombres F des caméras PTZ (grand angle et téléobjectif)
Comment lire correctement la fiche technique ?
Lorsque vous voyez une spécification de caméra PTZ telle que “4,5-148,5 mm, F1.6-F4.8”, les deux nombres F racontent deux histoires très différentes. F1.6 est le meilleur cas. F4.8 est le pire des cas. Et le pire des cas est exactement le scénario qui vous intéresse le plus : zoom maximum, de nuit, sur une cible située à 300 mètres.
Comparaisons d'ouverture en conditions réelles entre les modèles PTZ les plus courants
Voici une comparaison des modules de caméras PTZ typiques avec lesquels j'ai travaillé au fil des ans :
| Type de modèle d'appareil photo | Plage de zoom | Grande ouverture | Ouverture du téléobjectif | Perte de lumière (arrêts) | Lumière restante |
|---|---|---|---|---|---|
| 20X PTZ standard | 4,7-94 mm | F1.6 | F3.5 | ~2,3 arrêts | ~20% |
| PTZ 30X à moyenne portée | 4,5-135 mm | F1.6 | F4.4 | ~2,9 arrêts | ~13% |
| PTZ à zoom élevé 33X | 4,5-148,5 mm | F1.6 | F4.8 | ~3,2 arrêts | ~11% |
| PTZ à longue portée 40X | 4,3-170 mm | F1.8 | F5.4 | ~3,2 arrêts | ~11% |
La signification des “arrêts” en langage clair
Chaque “stop” de lumière signifie que la lumière est réduite de moitié. Ainsi, 1 stop en moins = 50% de lumière. Deux stops en moins = 25% de lumière. Trois stops en moins = environ 12% de lumière. Lorsque j'explique cela à des clients comme David, je le fais simplement : “À plein zoom, votre appareil photo ne voit qu'un huitième de la lumière qu'il avait au grand angle. C'est comme si vous passiez d'un bureau bien éclairé à un couloir sombre”.”
Pourquoi le numéro de téléfinancement est votre véritable point de repère
La grande ouverture est facile à augmenter. Elle est bon marché. C'est à l'ouverture du téléobjectif que l'ingénierie devient coûteuse. Pour maintenir un nombre F faible à l'extrémité téléobjectif, il faut des éléments en verre de plus grand diamètre. Il faut lentille asphérique 1 des dessins et modèles. Les revêtements doivent être plus précis. Tout cela augmente les coûts. Lorsque je conçois nos modules de caméra chez Loyalty-Secu, je pousse nos ingénieurs en optique à maintenir l'ouverture du téléobjectif aussi basse que possible, même si cela implique d'utiliser des verres plus grands et plus coûteux. Je sais en effet que mes clients achètent ces caméras pour ce qu'ils peuvent voir au zoom maximum, et non au grand angle. Une PTZ 30X avec F1.6-F3.5 au téléobjectif sera toujours meilleure qu'une PTZ 40X avec F1.8-F5.4 dans des conditions nocturnes réelles.
Comment conserver une image claire la nuit lorsque l'ouverture se rétrécit pendant le zoom ?
J'ai déployé des caméras PTZ sur des champs pétrolifères éloignés où l'éclairage public le plus proche se trouve à 15 km. Si la caméra ne peut pas voir en plein zoom dans l'obscurité totale, elle est inutile.
Pour conserver une image claire de nuit en plein zoom, vous avez besoin d'un éclairage IR ou laser synchronisé qui réduit l'angle de son faisceau pour correspondre au champ de vision de l'objectif. Vous avez également besoin d'un grand capteur d'image (1/1,8″ ou plus) pour capturer plus de photons par pixel à l'ouverture réduite.
Caméra PTZ à vision nocturne avec éclairage laser IR en plein zoom
Les trois piliers de la performance nocturne à plein régime
Il y a trois choses qui fonctionnent ensemble pour vous donner une image utilisable au zoom maximum dans l'obscurité. Je les appelle les trois piliers.
Pilier 1 : Éclairage synchronisé
Une bonne caméra PTZ ne se contente pas d'avoir des LED IR collées à l'avant. Elle dispose d'un éclairage IR ou laser qui zoome avec l'objectif. Lorsque l'objectif est au grand angle, la lumière infrarouge s'étend largement. Lorsque l'objectif est en position téléobjectif, le faisceau infrarouge se rétrécit pour former un spot étroit. Cela permet de concentrer l'énergie infrarouge sur la petite zone que la caméra regarde réellement. Sans cela, la lumière infrarouge gaspille son énergie en éclairant des zones situées en dehors du champ de vision.
Chez Loyalty-Secu, nos modèles de PTZ à longue portée sont dotés d'un système de détection de mouvement à haute puissance. illuminateurs laser 2 La portée du laser est de 800 mètres. L'angle du faisceau laser s'ajuste automatiquement au fur et à mesure que vous zoomez. Cela signifie qu'au zoom 40X, toute l'énergie du laser est concentrée sur la zone exacte que la caméra voit. C'est le facteur le plus important pour obtenir une image nocturne claire avec un zoom complet.
Pilier 2 : La taille du capteur est importante
Un capteur plus grand a des pixels plus grands. Les pixels plus grands captent plus de lumière. Un capteur 1/1,8″ recueille environ 2 fois plus de lumière par pixel qu'un capteur 1/2,8″, toutes choses étant égales par ailleurs. Lorsque votre ouverture tombe à F4.8, chaque parcelle de capacité de collecte de lumière supplémentaire est importante. Je recommande toujours des capteurs 1/1.8″ ou plus grands pour tout projet qui nécessite des performances nocturnes sérieuses à longue portée.
Pilier 3 : Traitement intelligent des FAI
Les FAI modernes utilisent la réduction du bruit temporel (3D-DNR) et l'empilement d'images pour nettoyer les images bruitées. Mais ces algorithmes ont des limites. Ils fonctionnent mieux lorsqu'ils disposent d'un signal raisonnable au départ. Si l'image est trop sombre, aucun FAI ne peut la sauver. L'ISP est donc la dernière ligne de défense, et non la première.
Ce qu'il faut demander à votre fournisseur
Lorsque vous vous adressez à un fabricant chinois de PTZ, posez les questions suivantes :
- Quelle est la distance d'illumination IR ou laser au zoom maximum ?
- L'angle du faisceau infrarouge est-il synchronisé avec le zoom de l'objectif ?
- Quelle taille de capteur utilisez-vous ?
- Pouvez-vous fournir des exemples d'images nocturnes réelles avec un zoom maximal, et pas seulement avec un grand angle ?
S'il ne peut pas répondre clairement à ces questions, passez à autre chose.
La commande de gain de mon appareil photo compense-t-elle efficacement la perte de lumière à fort zoom ?
J'ai vu trop de caméras qui poussent le gain au maximum et appellent cela “performance à la lumière des étoiles”. Le résultat est une image lumineuse pleine de bruit, totalement inutile pour l'identification.
Le contrôle du gain peut partiellement compenser la perte de lumière à fort zoom, mais il introduit un bruit qui dégrade la qualité de l'image. Chaque tranche de 6 dB de gain double approximativement la luminosité, mais double également le bruit visible. Au-delà d'un certain seuil, l'image devient trop bruitée pour permettre une identification ou un enregistrement utile.
Comparaison du bruit de gain des caméras PTZ à différents niveaux de zoom
Comment fonctionne le gain (et où il s'effondre)
Le gain est une amplification électronique. Le capteur capte un signal faible et l'ISP le multiplie pour rendre l'image plus lumineuse. C'est un peu comme augmenter le volume d'une radio. Si le signal d'origine est propre, augmenter le volume fonctionne bien. Mais s'il y a des parasites, le fait d'augmenter le volume rend les parasites plus bruyants.
En termes d'appareil photo, la “statique” est le bruit du capteur. Chaque capteur d'image a un seuil de bruit. Lorsque le niveau de lumière diminue à plein régime, le signal de l'image se rapproche de ce seuil de bruit. L'ajout de gain amplifie le signal et le bruit de manière égale. Le résultat est une image lumineuse mais granuleuse.
Le compromis gain/qualité d'image
| Niveau de gain | Renforcement de la luminosité | Niveau de bruit | Facilité d'utilisation pour les documents d'identité |
|---|---|---|---|
| 0 dB (base) | 1X | Faible | Excellent |
| 6 dB | 2X | Modéré | Bon |
| 12 dB | 4X | Haut | Juste |
| 18 dB | 8X | Très élevé | Pauvre |
| 24 dB+ | 16X+ | Extrême | Inutilisable |
Au téléobjectif, à F4,8, l'appareil a déjà perdu environ 3 diaphragmes de lumière. Pour compenser, l'AGC (Automatic Gain Control) doit ajouter environ 9 dB de gain juste pour égaler la luminosité du grand angle. Cela vous fait entrer dans la zone de “bruit élevé” avant même de prendre en compte la faible lumière ambiante de la nuit.
Pourquoi les spécifications “Starlight” peuvent-elles être trompeuses ?
De nombreux fabricants chinois annoncent des performances de “0,001 lux en lumière d'étoiles”. Mais ce chiffre est mesuré au grand-angle avec un gain maximal et un obturateur lent. À plein zoom avec F4.8, l'éclairage minimum effectif est 5 à 8 fois moins bon. Ainsi, cet appareil photo “0,001 lux” a en réalité besoin d'environ 0,005-0,008 lux au zoom maximum pour produire la même qualité d'image. C'est toujours impressionnant, mais ce n'est pas ce que les chiffres du titre suggèrent.
Ce que je recommande à mes clients
Je dis toujours aux clients comme David : “Ne vous fiez pas à la seule spécification de l'éclairage minimum. Demandez la spécification à l'extrémité du téléobjectif en particulier. Et demandez toujours un échantillon vidéo nocturne à plein zoom”. Chez Loyalty-Secu, nous fournissons des valeurs d'éclairement minimal distinctes pour le grand angle et le téléobjectif. Nous partageons également des séquences nocturnes réelles filmées au zoom maximum afin que nos clients puissent juger par eux-mêmes de la qualité de l'image avant de passer commande. Cette transparence permet à tout le monde de gagner du temps et d'éviter l'échec des projets.
Le rôle de l'obturateur lent
Certains appareils photo utilisent un obturateur lent (également appelé longue exposition) pour recueillir plus de lumière. Cela fonctionne pour les scènes statiques. Mais si votre cible est un véhicule en mouvement ou une personne qui marche, l'obturation lente crée un flou de mouvement. Pour les applications de sécurité, je recommande généralement de maintenir la vitesse d'obturation à 1/30 s ou plus. Si la vitesse est inférieure, vous perdez la possibilité de capturer des visages ou des plaques d'immatriculation en mouvement. Cela signifie que vous ne pouvez pas compter sur une vitesse d'obturation lente pour résoudre le problème de la baisse d'ouverture. Vous avez besoin de véritables solutions optiques : un meilleur verre, des capteurs plus grands et un éclairage IR approprié.
Conclusion
Vérifiez toujours l'ouverture du téléobjectif, et pas seulement celle du grand angle. Associez votre PTZ à un éclairage infrarouge synchronisé et à un grand capteur pour des performances nocturnes réelles avec un zoom maximal.
1. Lentille asphérique pour une meilleure transmission de la lumière au téléobjectif. ︎ 2. Loyalty-Secu laser PTZ pour un éclairage synchronisé à distance. ︎ 3. Relation entre la pupille d'entrée et le nombre F dans les zooms. ︎ 4. Pénalité du bruit du gain AGC dans l'imagerie à faible luminosité. ︎ 5. Comparaison de la taille des pixels des capteurs 1/1,8″ et 1/2,8″. ︎ 6. Réduction du bruit temporel 3D-DNR à des niveaux de gain élevés. ︎ 7. Interprétation de la spécification d'éclairage minimum au téléobjectif. ︎ 8. Synchronisation de l'angle du faisceau d'éclairage laser avec le zoom PTZ. ︎ 9. Limitation du flou de mouvement à des vitesses d'obturation inférieures à 1/30s. ︎ 10. Revêtements optiques en verre pour une meilleure transmission au téléobjectif. ︎