Компромисс между разрешением изображения и полем зрения

Одним из важных, но часто игнорируемых соображений при проектировании систем видеонаблюдения является компромисс между разрешением изображения и полем обзора. В условиях такого компромисса вопрос обеспечения качества изображения становится критическим. Выбор объектива также играет ключевую роль в оптимизации качества изображения.
Определения разрешения
У разрешения есть много определений; ни одно определение не подходит для всех ситуаций. Здесь мы перечисляем только определения, относящиеся к видео в приложениях наблюдения и машинного зрения.
Определение 1. Разрешение можно выразить как количество строк или столбцов пикселей на датчике, используемом для записи изображения. Чем больше количество линий, тем больше деталей или большее поле обзора можно записать с помощью камеры.
Определение 2. Разрешение можно выразить как общее количество пикселей. Для мегапиксельных камер разрешение обычно представляет собой общее количество пикселей, разделенное на 1000000 и округленное после этого.
Определение 3: Разрешение может быть уровнем детализации, с которым изображение может быть воспроизведено или записано. Разрешение датчика изображения выражается в виде пар линий на миллиметр (л / мин), обычно используемых конструкторами линз и инженерами-оптиками.
Определение 4: Разрешение может быть указано в пикселях на фут или метр на объекте. Такое сопоставление размеров датчика изображения с объектом является наиболее интуитивно понятным для расчета, какой уровень детализации можно увидеть на изображении.
Разрешение изображенияi в зависимости от поля зрения
При любой комбинации камеры и объектива собственное разрешение камеры распространяется на все поле обзора объектива, определяя плотность пикселей и разрешение изображения. Чем шире разброс разрешения, тем ниже плотность пикселей, тем ниже разрешение или детализация изображения. Самое широкое поле зрения позволяет охватить самую широкую область, но не позволяет видеть высокую детализацию, в то время как самое узкое поле зрения позволяет захватывать высокую детализацию за счет охвата широкой области.
Самое широкое поле зрения позволяет охватить самую широкую область, но не позволяет видеть высокие детали, в то время как самое узкое поле зрения позволяет захватывать высокую детализацию за счет охвата широкой области.
Другие способы улучшить детализацию изображения
Во-первых, расстояние от камеры до объекта. Если возможно, установщик может улучшить детализацию изображения, переместив камеру ближе к объекту. Это может быть осуществимо в новой установке, но в существующей системе это может быть ограничено физическими ограничениями местоположения и системы, а также затратами, связанными с изменением кабелей. При приближении улучшается детализация изображения, но уменьшается поле обзора.
Вторая переменная, которую можно изменить, - это разрешение камеры. Если выбрать камеру с более высоким разрешением и большим начальным числом пикселей и распределить их по тому же полю зрения, что и раньше, плотность пикселей будет выше, а детализация получаемого изображения будет лучше. Конечно, это предполагает, что вы можете внести это изменение в свою систему, и вы можете поддерживать, вероятно, более дорогое оборудование и потребности в хранении данных, необходимые для систем с более высоким разрешением. Камеры с более высоким разрешением и большим объемом данных также снизят частоту кадров системы, что также необходимо учитывать, особенно с учетом отраслевых стандартов и требований.
Используйте доступные инструменты
Существует множество полезных инструментов, помогающих при проектировании систем и правильном выборе оборудования. Одна из них - это собственный калькулятор разрешения изображения и линзы Тейи . Калькулятор позволяет ввести некоторые важные детали вашего приложения и потенциального оборудования, а затем быстро вычислить разрешение изображения с этими предположениями. Вы вводите разрешение камеры и размер сенсора, которые собираетесь использовать, поле обзора объектива, которое, по вашему мнению, вам нужно, а затем вводите ключевые переменные проекта - либо какое разрешение, по вашему мнению, вам нужно с точки зрения плотности пикселей, сколько покрытия вам нужно в расстояние (футы или метры) или как далеко камера от объекта. Затем инструмент вычисляет для вас другие переменные.
Например, вы указываете, что планируете использовать 5-мегапиксельную камеру с матрицей 1 / 2,5 дюйма, объектив 3 мм и будете находиться на расстоянии 50 футов от объекта съемки. Инструмент рассчитает плотность ваших пикселей - в данном случае 27 пикселей / фут, и ширина покрытия - здесь ширина 97 футов. Затем инструмент предоставляет изображение, которое представляет уровень разрешения изображения, который вы получите для выбранных переменных, позволяя вам быстро увидеть, достаточно ли у вас разрешения для удовлетворения потребностей вашего приложения.
Новейшие версии приложения Theia для калькулятора для смартфонов и планшетов включают усовершенствования, которые позволяют пользователям вводить высоту камеры и / или угол камеры, чтобы можно было определить, например, будет ли голова человека покрыта изображением на разных расстояниях от камеры. . Последняя версия также позволяет пользователю вводить уровень шума в формате jpeg, чтобы полученное изображение более точно отражало реальные условия.
Важность выбора линзы
Если вы решили увеличить разрешение изображения за счет увеличения разрешения камеры, вы также должны подумать о выборе объектива. Объектив, необходимый для IP / мегапиксельной камеры, сильно отличается от объектива, необходимого для традиционной аналоговой камеры. Эти камеры с более высоким разрешением требуют объективов с более высокими характеристиками, чтобы в полной мере использовать преимущества повышенного разрешения.
Например, в мегапиксельной камере размер пятна в фокальной плоскости объектива должен быть сравнимым или меньшим, чем размер пикселя на датчике (рисунки A и B ниже), в противном случае свет падает с пикселя, что приводит к нечеткому изображению.
Theia
Использование объектива стандартного разрешения с 5-мегапиксельной камерой приведет к размытому изображению. Чаще всего, если вы хотите использовать все пиксели, которые предоставляет многопиксельная камера, необходим высококачественный объектив с соответствующим разрешением, иначе деньги, потраченные на камеру с высоким разрешением, будут потрачены впустую.
Тогда можно предположить, что все, что нужно сделать, чтобы указать мегапиксельную камеру, - это указать мегапиксельный объектив. Однако это не так просто, и во многих случаях бывает довольно сложно гарантировать, что именно тот объектив, который вам нужен. Многие производители называют свою продукцию «мегапиксельным объективом», но они редко определяют, что означает прилагательное «мегапиксель». Этот объектив «МП» будет использоваться с камерой 1,3 мегапикселя или камерой 3 мегапикселя? Можно ли его использовать со всеми мегапиксельными камерами?
В мегапиксельных камерах размер пикселя и требуемый размер пятна объектива варьируются в зависимости от размера сенсора и количества пикселей, которые он содержит. У вас может быть 2 разные камеры, обе с разрешением 1,3 мегапикселя, но если размер сенсора отличается, размер пикселя будет другим. Цифры ниже иллюстрируют это.
При выборе объектива важно выбрать тот, который рассчитан на использование как с размером сенсора, так и с разрешением камеры. Допускается чрезмерное указание объектива с более высоким рейтингом мегапикселей, чем у камеры. Это гарантирует, что объектив не является ограничивающим фактором разрешения в системе.
Обращаясь к рисункам A и B, вы, вероятно, ожидаете, что для разных уровней мегапиксельных камер также потребуются разные объективы. Для камер с более высоким разрешением и меньшим размером пикселей требуются объективы с большим количеством внутренних стеклянных элементов и элементами более высокой точности, чем для моделей с меньшим разрешением. Эти превосходные объективы должны обеспечивать более высокую производительность, необходимую для камер с более высоким разрешением.
Прямолинейный или рыбий глаз
Большинство широкоугольных объективов имеют бочкообразное искажение (также известное как искажение «рыбий глаз»), из-за которого изображение выглядит искривленным и выпуклым в центре. Прямолинейные линзы, подобные линзам, созданным компанией Theia Technologies для систем безопасности и машинного зрения, сохраняют линии, которые кажутся прямыми в реальном мире, прямо на датчике изображения. Это дает преимущество увеличения разрешения изображения по краям (т. Е. Объект будет покрывать больше пикселей изображения, когда объект находится на краю изображения), тогда как линзы с бочкообразным искажением вызывают сжатие изображения на края и разрешение уменьшаются. При использовании типичных широкоугольных объективов с искажениями потенциально ценная информация теряется в объективе, и никакое программное обеспечение, деформирующее или иное, не может повторно захватить или восстановить эту потерянную информацию на изображении. Любая деформация создаст изображение, похожее на изображение, полученное с прямолинейной линзы, но с более низким разрешением. При использовании прямолинейной линзы изображение распространяется на большее количество пикселей по краям, что увеличивает вероятность обнаружения и идентификации.