Uma vez perdi um projeto porque a câmera parecia ótima em grande angular, mas ficava quase cega com o zoom total. Esse erro me custou milhares de dólares.
Quando uma câmera PTZ atinge sua distância focal máxima, o número F aumenta e a lente deixa entrar muito menos luz. Uma PTZ 30X típica cai de F1.6 em grande angular para F4.8 em telefoto total. Isso significa que apenas cerca de 1/9 da luz original atinge o sensor no zoom máximo.
Redução da abertura da câmera PTZ no zoom máximo
Essa é uma das especificações mais negligenciadas na seleção de câmeras PTZ. A maioria das folhas de dados mostra a melhor abertura possível na extremidade grande angular. Mas o desempenho real que importa para o seu projeto acontece na extremidade da telefoto. A seguir, analiso cada parte desse problema para que você possa tomar uma decisão de compra mais inteligente.
Por que minha imagem fica significativamente mais escura quando aplico o zoom no intervalo total de 40X?
Lembro-me da primeira vez que levei uma PTZ 40X ao seu limite à noite. A imagem simplesmente se desfez. Ela passou de nítida para uma bagunça escura e barulhenta em segundos.
A imagem fica mais escura porque a abertura efetiva diminui à medida que a distância focal aumenta. O cilindro da lente tem um diâmetro físico fixo, portanto, não consegue captar luz suficiente para acompanhar a distância focal maior. Isso causa uma queda significativa no brilho com o zoom total.
Escurecimento da imagem da câmera PTZ em toda a faixa de zoom
A física por trás do escurecimento
O principal motivo é a matemática simples. O número F de uma lente é igual à distância focal dividida pelo diâmetro da pupila de entrada. Aqui está a fórmula:
F = f / D
Onde f é a distância focal e D é o diâmetro da pupila de entrada. Quando você aplica o zoom de amplo para tele, f pode aumentar 30 ou 40 vezes. Mas o vidro físico na parte frontal da lente não fica 30 vezes maior. O cilindro da lente permanece do mesmo tamanho. Assim D cresce apenas um pouco, enquanto f cresce muito. O resultado é um número F muito maior na extremidade do telefoto.
Como isso se parece em números reais?
Vou lhe mostrar um exemplo real. Pegue uma lente PTZ 30X comum com uma faixa de distância focal de 4,5 a 135 mm e uma faixa de abertura de F1,6 a 4,4.
| Posição de zoom | Distância focal | Abertura máxima (número F) | Consumo relativo de luz |
|---|---|---|---|
| Largo (1X) | 4,5 mm | F1.6 | 100% |
| Médio (15X) | ~67 mm | ~F3.0 | ~28% |
| Tele (30X) | 135 mm | F4.4 | ~13% |
Na extremidade ampla, F1.6 permite a entrada de muita luz. Na extremidade do telefoto, a F4.4 deixa entrar apenas cerca de 13% dessa luz. Essa é uma queda enorme.
Por que a câmera tenta compensar (e muitas vezes falha)
Quando a luz diminui, o ISP (Image Signal Processor, processador de sinal de imagem) da câmera tenta corrigir o problema automaticamente. Ele faz duas coisas. Primeiro, ele aumenta o ganho. Isso amplifica o sinal, mas também amplifica o ruído. Segundo, ele diminui a velocidade do obturador. Isso permite a entrada de mais luz por quadro, mas causa desfoque de movimento. Nenhuma das soluções é gratuita. Ou você obtém uma imagem com ruído ou uma imagem borrada. À noite, com F4.4 ou F4.8, simplesmente não há fótons suficientes atingindo o sensor. Nenhuma quantidade de processamento de software pode criar detalhes a partir do nada. É por isso que sempre digo aos meus clientes para testarem suas câmeras com zoom total em condições de pouca luz antes de se comprometerem com a compra. A demonstração em grande angular parece ótima. O que importa é a realidade da telefoto.
Qual é o número F da minha lente na extremidade telefoto em comparação com a extremidade grande angular?
Eu costumava me concentrar apenas no primeiro número da especificação de abertura. Isso era um erro. O segundo número é o que determina seu desempenho noturno à distância.
A maioria das lentes PTZ de 20X-30X tem uma abertura de extremidade ampla de F1.6 e uma abertura de extremidade de telefoto entre F4.0 e F5.0. Isso significa que a lente perde cerca de 3 pontos completos de luz da grande angular para a tele, reduzindo a entrada de luz para aproximadamente 1/8 da quantidade original.
Comparação do número F da câmera PTZ entre grande angular e telefoto
Como ler corretamente a folha de especificações
Quando você vê as especificações de uma câmera PTZ como “4,5-148,5 mm, F1,6-F4,8”, os dois números F contam duas histórias muito diferentes. F1.6 é o melhor caso. F4.8 é o pior caso. E o pior caso é exatamente o cenário com o qual você mais se preocupa: zoom máximo, à noite, em um alvo a 300 metros de distância.
Comparações de abertura no mundo real entre modelos populares de PTZ
Aqui está uma comparação dos módulos típicos de câmeras PTZ com os quais trabalhei ao longo dos anos:
| Tipo de modelo de câmera | Faixa de zoom | Abertura de extremidade ampla | Abertura da extremidade telefônica | Perda de luz (paradas) | Luz restante |
|---|---|---|---|---|---|
| PTZ padrão 20X | 4,7-94 mm | F1.6 | F3.5 | ~2,3 paradas | ~20% |
| PTZ de médio alcance 30X | 4,5-135 mm | F1.6 | F4.4 | ~2,9 paradas | ~13% |
| PTZ de alto zoom 33X | 4,5-148,5 mm | F1.6 | F4.8 | ~3,2 paradas | ~11% |
| PTZ de longo alcance 40X | 4,3-170 mm | F1.8 | F5.4 | ~3,2 paradas | ~11% |
O que significam as “paradas” em linguagem simples
Cada “stop” de luz significa que a luz é cortada pela metade. Portanto, 1 stop a menos = 50% de luz. Dois stops a menos = 25% de luz. Três paradas a menos = cerca de 12% de luz. Quando explico isso a clientes como David, coloco de forma simples: “No zoom total, sua câmera está vendo com apenas um oitavo da luz que tinha na grande angular. Isso é como passar de um escritório bem iluminado para um corredor escuro.”
Por que o número de tele-end é sua verdadeira referência
É fácil aumentar a abertura da extremidade larga. Ela é barata. A abertura da extremidade telefônica é onde a engenharia fica cara. Para manter o número F baixo na extremidade tele, você precisa de elementos de vidro de diâmetro maior. Você precisa de lente asférica 1 projetos. Você precisa de revestimentos mais precisos. Tudo isso aumenta o custo. Quando projeto nossos módulos de câmera na Loyalty-Secu, pressiono nossos engenheiros ópticos para que mantenham a abertura da extremidade teleobjetiva o mais baixa possível, mesmo que isso signifique usar vidros maiores e mais caros. Porque sei que meus clientes estão comprando essas câmeras pelo que podem ver com o zoom máximo, e não em grande angular. Uma PTZ de 30X com F1.6-F3.5 na extremidade tele sempre superará uma PTZ de 40X com F1.8-F5.4 em condições noturnas reais.
Como posso manter uma imagem nítida à noite quando a abertura se estreita durante o zoom?
Implementei câmeras PTZ em campos de petróleo remotos, onde a luz da rua mais próxima fica a 16 quilômetros de distância. Se a câmera não puder ver com zoom total na escuridão total, ela é inútil.
Para manter uma imagem nítida à noite durante o zoom total, você precisa de iluminação infravermelha ou a laser sincronizada que reduza o ângulo do feixe para corresponder ao campo de visão da lente. Também é necessário um sensor de imagem grande (1/1.8″ ou maior) para capturar mais fótons por pixel na abertura reduzida.
Câmera PTZ com visão noturna e iluminação IR a laser com zoom total
Os três pilares do desempenho noturno com zoom total
Há três coisas que trabalham juntas para proporcionar uma imagem utilizável com zoom máximo no escuro. Eu os chamo de três pilares.
Pilar 1: Iluminação sincronizada
Uma boa câmera PTZ não tem apenas LEDs IR presos na parte frontal. Ela tem iluminação infravermelha ou a laser que faz zoom com a lente. Quando a lente está em um ângulo amplo, a luz infravermelha se espalha amplamente. Quando a lente aumenta o zoom para tele, o feixe de infravermelho se estreita em um holofote apertado. Isso concentra a energia infravermelha na pequena área para a qual a câmera está realmente olhando. Sem isso, a luz infravermelha desperdiça sua potência iluminando áreas fora do campo de visão.
Na Loyalty-Secu, nossos modelos PTZ de longo alcance utilizam iluminadores a laser 2 classificado para 800 metros. O ângulo do feixe de laser se ajusta automaticamente à medida que você aplica o zoom. Isso significa que, com zoom de 40X, toda a energia do laser é focada na área exata que a câmera vê. Esse é o fator mais importante para obter uma imagem noturna nítida com zoom total.
Pilar 2: o tamanho do sensor é importante
Um sensor maior tem pixels maiores. Pixels maiores captam mais luz. Um sensor de 1/1,8″ coleta aproximadamente 2X mais luz por pixel do que um sensor de 1/2,8″, se todos os outros fatores forem iguais. Quando sua abertura cai para F4.8, cada pedaço de capacidade extra de coleta de luz é importante. Eu sempre recomendo sensores de 1/1,8″ ou maiores para qualquer projeto que precise de um desempenho noturno sério a longa distância.
Pilar 3: Processamento inteligente de ISP
Os ISPs modernos usam a redução de ruído temporal (3D-DNR) e o empilhamento de quadros para limpar imagens com ruído. Mas esses algoritmos têm limites. Eles funcionam melhor quando têm um sinal razoável para começar. Se a imagem estiver muito escura, nenhum ISP poderá salvá-la. Portanto, o ISP é a última linha de defesa, não a primeira.
O que perguntar ao seu fornecedor
Quando você conversar com um fabricante chinês de PTZ, faça as seguintes perguntas:
- Qual é a distância de iluminação infravermelha ou a laser no zoom máximo?
- O ângulo do feixe de infravermelho é sincronizado com o zoom da lente?
- Qual é o tamanho do sensor que você usa?
- Você pode fornecer uma amostra de filmagem noturna real com o zoom máximo, não apenas com a grande angular?
Se ele não puder responder a essas perguntas com clareza, siga em frente.
O controle de ganho da minha câmera compensa de forma eficaz a perda de luz com zoom alto?
Já vi muitas câmeras que aumentam o ganho ao máximo e chamam isso de “desempenho à luz das estrelas”. O resultado é uma imagem brilhante cheia de ruído que é completamente inútil para identificação.
O controle de ganho pode compensar parcialmente a perda de luz em zoom alto, mas introduz ruído que degrada a qualidade da imagem. Cada 6 dB de ganho praticamente dobra o brilho, mas também dobra o ruído visível. Além de um certo ponto, a imagem torna-se muito ruidosa para identificação ou registro útil.
Comparação do ruído de ganho da câmera PTZ em diferentes níveis de zoom
Como o ganho funciona (e onde ele se rompe)
O ganho é uma amplificação eletrônica. O sensor captura um sinal fraco e o ISP o multiplica para tornar a imagem mais brilhante. Isso é semelhante a aumentar o volume em um rádio. Se o sinal original estiver limpo, aumentar o volume funciona bem. Mas se houver estática, aumentar o volume fará com que a estática fique mais alta também.
Em termos de câmera, a “estática” é o ruído do sensor. Todo sensor de imagem tem um piso de ruído. Quando o nível de luz cai no zoom total, o sinal real da imagem se aproxima desse piso de ruído. A adição de ganho amplifica o sinal e o ruído igualmente. O resultado é uma imagem brilhante, mas granulada.
A relação entre ganho e qualidade de imagem
| Nível de ganho | Aumento de brilho | Nível de ruído | Usabilidade para ID |
|---|---|---|---|
| 0 dB (base) | 1X | Baixa | Excelente |
| 6 dB | 2X | Moderado | Bom |
| 12 dB | 4X | Alta | Justo |
| 18 dB | 8X | Muito alta | Ruim |
| 24 dB+ | 16X+ | Extremo | Não utilizável |
Na extremidade do telefoto com F4.8, a câmera já perdeu cerca de 3 pontos de luz. Para compensar, o AGC (Automatic Gain Control, controle automático de ganho) precisa adicionar aproximadamente 9 dB de ganho apenas para igualar o brilho da extremidade ampla. Isso o empurra para a zona de “alto ruído” antes mesmo de levar em conta a baixa luz ambiente à noite.
Por que as especificações “Starlight” podem ser enganosas
Muitos fabricantes chineses anunciam um desempenho de “0,001 lux à luz das estrelas”. Mas esse número é medido na extremidade grande angular com ganho máximo e obturador lento. No zoom total com F4.8, a iluminação mínima efetiva é de 5 a 8 vezes pior. Portanto, essa câmera de “0,001 lux” precisa, na verdade, de cerca de 0,005-0,008 lux com zoom máximo para produzir a mesma qualidade de imagem. Isso ainda é impressionante, mas não é o que o número da manchete sugere.
O que recomendo aos meus clientes
Sempre digo a clientes como David: “Não confie apenas na especificação de iluminação mínima. Peça especificamente a especificação na extremidade do telefoto. E sempre solicite um vídeo de amostra noturna com zoom total.” Na Loyalty-Secu, fornecemos valores separados de iluminação mínima para as extremidades grande e tele. Também compartilhamos filmagens noturnas reais com zoom máximo para que nossos clientes possam avaliar a qualidade da imagem por si mesmos antes de fazer o pedido. Essa transparência economiza o tempo de todos e evita falhas no projeto.
O papel do obturador lento
Algumas câmeras usam um obturador lento (também chamado de longa exposição) para coletar mais luz. Isso funciona para cenas estáticas. Mas se o seu alvo for um veículo em movimento ou uma pessoa andando, o obturador lento cria um borrão de movimento. Para aplicações de segurança, geralmente recomendo manter a velocidade do obturador em 1/30s ou mais. Se for mais lenta do que isso, você perderá a capacidade de capturar rostos ou placas de veículos em movimento. Isso significa que você não pode confiar no obturador lento para corrigir o problema de queda de abertura. Você precisa de soluções ópticas reais: vidro melhor, sensores maiores e iluminação infravermelha adequada.
Conclusão
Sempre verifique a abertura da extremidade tele, não apenas o número da extremidade grande. Emparelhe sua PTZ com iluminação infravermelha sincronizada e um sensor grande para obter um desempenho noturno real com zoom máximo.
1. Design de lente asférica para melhor transmissão de luz de telefoto. ︎ 2. Loyalty-Secu laser PTZ para iluminação sincronizada à distância. ︎ 3. Relação entre a pupila de entrada e o número F em lentes de zoom. ︎ 4. Penalidade de ruído de ganho do AGC em imagens com pouca luz. ︎ 5. Comparação do tamanho de pixel do sensor de 1/1,8″ vs. 1/2,8″. ︎ 6. Redução de ruído temporal 3D-DNR em altos níveis de ganho. ︎ 7. Interpretação da especificação de iluminação mínima na extremidade da teleobjetiva. ︎ 8. Sincronização do ângulo do feixe de iluminação a laser com o zoom PTZ. ︎ 9. Limitações de desfoque de movimento em velocidades de obturador abaixo de 1/30s. ︎ 10. Revestimentos de vidro óptico para melhorar a transmissão em telefoto. ︎