Una volta ho perso un progetto perché la telecamera sembrava ottima con il grandangolo ma diventava quasi cieca con lo zoom al massimo. Quell'errore mi è costato migliaia di euro.
Quando una telecamera PTZ raggiunge la massima lunghezza focale, il numero F aumenta e l'obiettivo lascia passare molta meno luce. Un tipico PTZ 30X passa da F1,6 al grandangolo a F4,8 al teleobiettivo. Ciò significa che solo circa 1/9 della luce originale raggiunge il sensore al massimo dello zoom.
Riduzione dell'apertura della telecamera PTZ con lo zoom massimo
È una delle specifiche più trascurate nella scelta delle telecamere PTZ. La maggior parte delle schede tecniche indica l'apertura migliore per il grandangolo. Ma le vere prestazioni che contano per il vostro progetto si verificano al teleobiettivo. Di seguito, analizziamo ogni aspetto di questo problema, in modo che possiate prendere una decisione d'acquisto più intelligente.
Perché l'immagine diventa significativamente più scura quando si utilizza lo zoom a 40X?
Ricordo la prima volta che ho spinto al limite un PTZ 40X di notte. L'immagine è andata in pezzi. Da chiara è diventata un pasticcio scuro e rumoroso in pochi secondi.
L'immagine diventa più scura perché l'apertura effettiva si riduce all'aumentare della lunghezza focale. Il barilotto dell'obiettivo ha un diametro fisico fisso, quindi non è in grado di raccogliere abbastanza luce per tenere il passo con l'aumento della lunghezza focale. Ciò provoca un calo significativo della luminosità al massimo dello zoom.
Oscuramento dell'immagine della telecamera PTZ alla massima escursione dello zoom
La fisica dietro l'oscuramento
Il motivo principale è la semplice matematica. Il numero F di un obiettivo è uguale alla lunghezza focale divisa per il diametro della pupilla d'ingresso. Ecco la formula:
F = f / D
Dove f è la lunghezza focale e D è il diametro della pupilla d'ingresso. Quando si esegue lo zoom da grandangolo a tele, f potrebbe aumentare di 30 o 40 volte. Ma il vetro fisico nella parte anteriore dell'obiettivo non si allarga di 30 volte. Il barilotto dell'obiettivo rimane delle stesse dimensioni. Quindi D cresce solo un po', mentre f cresce molto. Il risultato è un numero F molto più grande al teleobiettivo.
Come si presenta questo aspetto in numeri reali?
Lasciate che ve lo dimostri con un esempio reale. Prendiamo un comune obiettivo PTZ 30X con un intervallo di lunghezza focale di 4,5-135 mm e un'apertura di F1,6-F4,4.
| Posizione dello zoom | Lunghezza focale | Apertura massima (numero F) | Assorbimento relativo di luce |
|---|---|---|---|
| Largo (1X) | 4,5 mm | F1.6 | 100% |
| Medio (15X) | ~67 mm | ~F3.0 | ~28% |
| Tele (30X) | 135 mm | F4.4 | ~13% |
Al grandangolo, F1,6 lascia entrare molta luce. Al teleobiettivo, F4,4 lascia entrare solo circa 13% di quella luce. Si tratta di un calo enorme.
Perché la fotocamera cerca di compensare (e spesso fallisce)
Quando la luce cala, l'ISP (Image Signal Processor) della fotocamera cerca di risolvere automaticamente la situazione. Fa due cose. Innanzitutto, aumenta il guadagno. Questo amplifica il segnale ma anche il rumore. In secondo luogo, rallenta la velocità dell'otturatore. In questo modo si lascia entrare più luce per ogni fotogramma, ma si provoca una sfocatura del movimento. Nessuna delle due soluzioni è gratuita. Si ottiene un'immagine rumorosa o sfocata. Di notte, con F4,4 o F4,8, i fotoni che colpiscono il sensore sono semplicemente insufficienti. Nessuna elaborazione software può creare dettagli dal nulla. Ecco perché dico sempre ai miei clienti di provare le loro fotocamere con lo zoom al massimo in condizioni di scarsa illuminazione prima di effettuare un ordine di acquisto. La demo del grandangolo sembra ottima. La realtà del teleobiettivo è quella che conta.
Qual è il numero F del mio obiettivo all'estremità del teleobiettivo rispetto all'estremità del grandangolo?
Di solito mi concentravo solo sul primo numero delle specifiche dell'apertura. Era un errore. Il secondo numero è quello che determina le prestazioni notturne a distanza.
La maggior parte degli obiettivi PTZ 20X-30X ha un'apertura in grandangolo di F1,6 e un'apertura in teleobiettivo tra F4,0 e F5,0. Ciò significa che l'obiettivo perde circa 3 stop pieni di luce dal grandangolo al tele, riducendo l'apporto di luce a circa 1/8 della quantità originale.
Confronto tra il numero F della telecamera PTZ e quello del teleobiettivo
Come leggere correttamente la scheda tecnica
Quando si vedono le specifiche di una telecamera PTZ come “4,5-148,5 mm, F1,6-F4,8”, i due numeri F raccontano due storie molto diverse. F1,6 è il caso migliore. F4,8 è il caso peggiore. E il caso peggiore è proprio lo scenario che vi interessa di più: zoom massimo, di notte, su un obiettivo a 300 metri di distanza.
Confronto dell'apertura nel mondo reale tra i modelli di PTZ più diffusi
Ecco un confronto tra i moduli tipici delle telecamere PTZ con cui ho lavorato nel corso degli anni:
| Modello di telecamera Tipo | Gamma di zoom | Apertura ampia | Apertura teleobiettivo | Perdita di luce (stop) | Luce rimanente |
|---|---|---|---|---|---|
| 20X PTZ standard | 4,7-94 mm | F1.6 | F3.5 | ~2,3 stop | ~20% |
| PTZ a medio raggio 30X | 4,5-135 mm | F1.6 | F4.4 | ~2,9 arresti | ~13% |
| PTZ 33X ad alto zoom | 4,5-148,5 mm | F1.6 | F4.8 | ~3,2 fermate | ~11% |
| PTZ a lunga portata 40X | 4,3-170 mm | F1.8 | F5.4 | ~3,2 fermate | ~11% |
Cosa significano le “fermate” nel linguaggio comune
Ogni “stop” di luce significa che la luce viene dimezzata. Quindi 1 stop in meno = 50% di luce. Due stop in meno = 25% di luce. Tre stop in meno = circa 12% di luce. Quando spiego questo concetto a clienti come David, lo dico in modo semplice: “Con lo zoom al massimo, la fotocamera vede solo un ottavo della luce che aveva con il grandangolo. È come passare da un ufficio ben illuminato a un corridoio poco illuminato”.”
Perché il numero di Tele-End è il vostro vero benchmark
L'apertura del grandangolo è facile da rendere grande. È economica. L'apertura del teleobiettivo è il punto in cui la progettazione diventa costosa. Per mantenere basso il numero F al tele, occorrono elementi in vetro di diametro maggiore. È necessario lente asferica 1 progetti. Sono necessari rivestimenti più precisi. Tutto questo comporta un aggravio di costi. Quando progetto i moduli delle nostre telecamere alla Loyalty-Secu, spingo i nostri ingegneri ottici a mantenere l'apertura del teleobiettivo il più bassa possibile, anche se ciò significa utilizzare vetri più grandi e più costosi. Perché so che i miei clienti acquistano queste telecamere per quello che possono vedere con lo zoom massimo, non con il grandangolo. Un PTZ 30X con F1,6-F3,5 al tele batterà sempre un PTZ 40X con F1,8-F5,4 in condizioni notturne reali.
Come mantenere un'immagine chiara di notte quando l'apertura si restringe durante lo zoom?
Ho installato telecamere PTZ in campi petroliferi remoti, dove il lampione più vicino è a 10 miglia di distanza. Se la telecamera non è in grado di vedere con lo zoom al massimo nell'oscurità totale, è inutile.
Per mantenere un'immagine chiara di notte durante lo zoom completo, è necessaria un'illuminazione IR o laser sincronizzata che restringa l'angolo del fascio per adattarlo al campo visivo dell'obiettivo. È inoltre necessario un sensore di immagine di grandi dimensioni (1/1,8″ o superiore) per catturare più fotoni per pixel con un'apertura ridotta.
Telecamera PTZ con visione notturna e illuminazione laser IR con zoom completo
I tre pilastri della performance notturna a Full Zoom
Ci sono tre elementi che lavorano insieme per ottenere un'immagine utilizzabile al massimo dello zoom al buio. Li chiamo i tre pilastri.
Pilastro 1: Illuminazione sincronizzata
Una buona telecamera PTZ non si limita ad avere dei LED IR attaccati sulla parte anteriore. È dotata di un'illuminazione IR o laser che si ingrandisce con l'obiettivo. Quando l'obiettivo è grandangolare, la luce IR si diffonde ampiamente. Quando l'obiettivo passa al tele, il fascio di luce IR si restringe in un punto stretto. Questo concentra l'energia infrarossa sulla piccola area che la telecamera sta guardando. In caso contrario, la luce IR spreca la sua energia per illuminare aree esterne al campo visivo.
In Loyalty-Secu, i nostri modelli di PTZ a lungo raggio utilizzano una potenza elevata. illuminatori laser 2 per 800 metri. L'angolo del raggio laser si regola automaticamente con lo zoom. Ciò significa che con lo zoom 40X, tutta l'energia del laser è concentrata nell'esatta area che la telecamera vede. Questo è il fattore più importante per ottenere un'immagine notturna chiara con lo zoom massimo.
Pilastro 2: le dimensioni del sensore contano
Un sensore più grande ha pixel più grandi. I pixel più grandi raccolgono più luce. Un sensore da 1/1,8″ raccoglie circa 2 volte più luce per pixel rispetto a un sensore da 1/2,8″, a parità di condizioni. Quando l'apertura scende a F4,8, ogni briciolo di capacità di raccolta della luce in più è importante. Raccomando sempre sensori da 1/1,8″ o più grandi per qualsiasi progetto che richieda prestazioni notturne serie a lunga distanza.
Pilastro 3: Elaborazione intelligente degli ISP
I moderni ISP utilizzano la riduzione temporale del rumore (3D-DNR) e il frame stacking per ripulire le immagini rumorose. Ma questi algoritmi hanno dei limiti. Funzionano al meglio quando hanno un segnale ragionevole da cui partire. Se l'immagine è troppo scura, nessun ISP può salvarla. Quindi l'ISP è l'ultima linea di difesa, non la prima.
Cosa chiedere al fornitore
Quando parlate con un produttore cinese di PTZ, ponete queste domande:
- Qual è la distanza di illuminazione IR o laser al massimo dello zoom?
- L'angolo del fascio IR si sincronizza con lo zoom dell'obiettivo?
- Quale dimensione del sensore utilizzate?
- Potete fornire un campione di riprese notturne reali con lo zoom massimo, non solo con il grandangolo?
Se non sono in grado di rispondere chiaramente a queste domande, passate oltre.
Il controllo del guadagno della mia fotocamera compensa efficacemente la perdita di luce con lo zoom elevato?
Ho visto troppe fotocamere che hanno portato il guadagno al massimo e lo chiamano “prestazioni starlight”. Il risultato è un'immagine luminosa e piena di rumore, completamente inutile per l'identificazione.
Il controllo del guadagno può compensare parzialmente la perdita di luce con uno zoom elevato, ma introduce un rumore che degrada la qualità dell'immagine. Ogni 6 dB di guadagno raddoppia circa la luminosità, ma raddoppia anche il rumore visibile. Oltre un certo punto, l'immagine diventa troppo rumorosa per un'identificazione o una registrazione utile.
Confronto del rumore di guadagno delle telecamere PTZ a diversi livelli di zoom
Come funziona il guadagno (e dove si rompe)
Il guadagno è un'amplificazione elettronica. Il sensore cattura un segnale debole e l'ISP lo moltiplica per rendere l'immagine più luminosa. È come alzare il volume di una radio. Se il segnale originale è pulito, alzare il volume funziona bene. Ma se c'è dell'elettricità statica, alzare il volume rende più forte anche l'elettricità statica.
In termini di fotocamera, la “statica” è il rumore del sensore. Ogni sensore di immagine ha un rumore di fondo. Quando il livello di luce diminuisce con lo zoom al massimo, il segnale dell'immagine reale si avvicina a questo rumore di fondo. L'aggiunta di guadagno amplifica in egual misura sia il segnale che il rumore. Il risultato è un'immagine luminosa ma sgranata.
Il compromesso tra guadagno e qualità dell'immagine
| Livello di guadagno | Aumento della luminosità | Livello di rumore | Usabilità per ID |
|---|---|---|---|
| 0 dB (base) | 1X | Basso | Eccellente |
| 6 dB | 2X | Moderato | Buono |
| 12 dB | 4X | Alto | Fiera |
| 18 dB | 8X | Molto alto | Povero |
| 24 dB+ | 16X+ | Estremo | Non utilizzabile |
Al teleobiettivo con F4,8, la fotocamera ha già perso circa 3 stop di luce. Per compensare, l'AGC (Automatic Gain Control) deve aggiungere circa 9 dB di guadagno solo per eguagliare la luminosità del grandangolo. Questo ci porta nella zona di “alto rumore” prima ancora di tenere conto della scarsa luce ambientale di notte.
Perché le specifiche “starlight” possono essere fuorvianti
Molti produttori cinesi pubblicizzano prestazioni “0,001 lux starlight”. Ma questo numero è misurato all'estremità del grandangolo con il massimo guadagno e l'otturatore lento. A pieno zoom con F4,8, l'illuminazione minima effettiva è 5-8 volte peggiore. Quindi quella fotocamera da “0,001 lux” in realtà ha bisogno di circa 0,005-0,008 lux al massimo zoom per produrre la stessa qualità d'immagine. Si tratta comunque di un dato impressionante, ma non è quello che suggerisce il titolo della notizia.
Cosa consiglio ai miei clienti
Ai clienti come David dico sempre: “Non fidatevi solo delle specifiche di illuminazione minima. Chiedete specificamente le specifiche relative al teleobiettivo. E richiedete sempre un video campione notturno con lo zoom al massimo”. Noi di Loyalty-Secu forniamo dati separati sull'illuminazione minima sia per il grandangolo che per il tele. Inoltre, condividiamo filmati notturni reali girati al massimo dello zoom, in modo che i nostri clienti possano giudicare da soli la qualità dell'immagine prima dell'ordine. Questa trasparenza fa risparmiare tempo a tutti ed evita il fallimento del progetto.
Il ruolo dell'otturatore lento
Alcune fotocamere utilizzano un otturatore lento (chiamato anche esposizione lunga) per raccogliere più luce. Questo funziona per le scene statiche. Ma se l'obiettivo è un veicolo in movimento o una persona che cammina, l'otturatore lento crea una sfocatura da movimento. Per le applicazioni di sicurezza, in genere consiglio di mantenere la velocità dell'otturatore a 1/30s o più. Se la velocità è inferiore, si perde la capacità di catturare volti o targhe in movimento. Ciò significa che non si può fare affidamento su un otturatore lento per risolvere il problema della caduta di apertura. Sono necessarie soluzioni ottiche reali: vetri migliori, sensori più grandi e un'illuminazione IR adeguata.
Conclusione
Controllare sempre l'apertura del teleobiettivo, non solo il numero del teleobiettivo. Abbinate il vostro PTZ a un'illuminazione IR sincronizzata e a un sensore di grandi dimensioni per ottenere prestazioni notturne reali al massimo dello zoom.
1. Lente asferica per una migliore trasmissione della luce del teleobiettivo. ︎ 2. Laser PTZ Loyalty-Secu per l'illuminazione sincronizzata a distanza. ︎ 3. Relazione tra pupilla d'ingresso e numero F negli obiettivi zoom. ︎ 4. Penalizzazione del rumore del guadagno AGC nelle immagini in condizioni di scarsa luminosità. ︎ 5. Confronto tra le dimensioni dei pixel del sensore 1/1,8″ e 1/2,8″. ︎ 6. Riduzione del rumore temporale 3D-DNR ad alti livelli di guadagno. ︎ 7. Interpretazione delle specifiche di illuminazione minima al teleobiettivo. ︎ 8. Sincronizzazione dell'angolo del fascio di illuminazione laser con lo zoom PTZ. ︎ 9. Limitazioni dell'effetto mosso con tempi di posa inferiori a 1/30s. ︎ 10. Rivestimenti in vetro ottico per migliorare la trasmissione al teleobiettivo. ︎