Влияние дисторсии объективoв на изображения хорошо известно в фотографии. Из-за дисторсии прямые линии на сцене превращаются в кривые на изображении, а прямоугольные объекты становятся похожими на бочки или подушки (рис. 1, 2).
Рис. 1. Дисторсия отсутствует
Рис. 2. Есть бочкообразная дисторсия
В большинстве случаев такие искажения изображения не приводят к значительной потере его информативности, в то же время учет дисторсии довольно сложен. Поэтому при проектировании видеонаблюдения влиянием дисторсии обычно пренебрегают.
Однако под влиянием дисторсии искажается не только само изображение, но и углы обзора, форма зоны обзора и распределение пространственного разрешения (плотности пикселей). Эти параметры не важны в фотографии, поэтому влияние на них дисторсии обычно не упоминается. Однако данные параметры важны при проектировании видеонаблюдения.
Под влиянием дисторсии поле зрения перестает быть прямоугольным, а фактические углы обзора по горизонтали, вертикали и диагонали могут значительно отличаться от углов, рассчитанных исходя из размеров видеосенсора и фокусного расстояния объектива.
Например, рассмотрим спецификацию типичного короткофокусного объектива (табл. 1).
Табл. 1. Спецификация короткофокусного объектива
При фокусном расстоянии 2,3 мм и размере видеосенсора 1/3″ фактический горизонтальный угол обзора составляет 113,30°, а вертикальный — 86,30°. Расчет же показывает меньшие значения углов обзора — 92,40° и 76,10°.
Форма зоны обзора камеры с таким объективом отличается от классической пирамиды (рис. 8) и поэтому не может быть точно рассчитана калькуляторами объективов или смоделирована обычными программами проектирования. Причиной искажения зоны обзора является дисторсия объектива.
Вспомним, что оптическое увеличение объектива — это отношение размеров изображения некоторого предмета, проецируемого объективом на видеосенсоре, к истинным размерам этого предмета.
Дисторсия проявляется тогда, когда оптическое увеличение реального объектива не является постоянной величиной по всему полю зрения, а изменяется в зависимости от расстояния от главной оптической оси объектива.
В зависимости от того, уменьшается или увеличивается оптическое увеличение объектива при удалении от центра поля зрения, различают бочкообразную и подушкообразную дисторсию.
Традиционно, из фотографии, название «бочка» и «подушка» связано с искажением сетчатого поля на изображении. При этом форма поля зрения изменяется противоположно названию. Так, при бочкообразной дисторсии изображение напоминает бочку (рис. 4), а форма поля зрения — подушку (рис. 6). При подушкообразной дисторсии изображение напоминает подушку (рис. 14), а форма поля зрения — бочку (рис. 16).
Дисторсию объектива не следует путать с искажением перспективы (рис. 9), которое является естественным на всех изображениях полученных с помощью широкоугольных объективов. В отличие от дисторсии, искажение перспективы не нарушает пирамидальную форму зоны обзора и распределение пространственного разрешения.
Рассмотрим влияние бочкообразной и подушкообразной дисторсии на моделях, построенных в программе профессионального проектирования видеонаблюдения — VideoCAD.
БОЧКООБРАЗНАЯ ДИСТОРСИЯ
Если при удалении от центра поля зрения оптическое увеличение уменьшается, то на изображении объекты по краям поля зрения выглядят сжатыми, пространственное разрешение уменьшается от центра к краям, а само поле зрения камеры растягивается к краям. Фактические углы обзора в этом случае больше расчетных (рис. 5, 6).
Такая дисторсия называется бочкообразной. Бочкообразная дисторсия наиболее распространена и характерна для широкоугольных объективов.
В частности, рассмотренный выше объектив обладает именно бочкообразной дисторсией. Рассмотрим модели изображений от этого объектива, модели поля зрения, зоны обзора, проекций зоны обзора, построенные с учетом и без учета дисторсии. Положение камеры в обоих случаях неизменно (рис. 3…12). На рисунках слева показаны модели, построенные без учета дисторсии, а на рисунках справа — модели с учетом дисторсии.
Рис. 3, 4. Вид сетчатого поля. С бочкообразной дисторсией сетчатое поле напоминает бочку
Рис. 5, 6. Поле зрения камеры. С бочкообразной дисторсией поле зрения напоминает подушку. Пространственное разрешение ухудшается от центра к краям поля зрения
Рис. 7, 8. Зона обзора и модель сцены в 3D
Рис. 9, 10. Модель изображения от камеры. Наклон мужчин в верхних углах рис. 9 без дисторсии является искажением перспективы, естественным для любого широкоугольного объектива
Рис. 11, 12. Проекция зоны обзора в 2D
Обратите внимание на искажение распределения пространственного разрешения (рис. 6). Бочкообразная дисторсия увеличивает поле зрения, но уменьшает пространственное разрешение, чем дальше от центра поля зрения, тем сильнее. Предметы, удаленные от центра поля зрения, будут отображаться с меньшим разрешением, чем предметы в центре поля зрения. Поскольку калькуляторы объективов считают пространственное разрешение только в центре, фактическое пространственное разрешение на большей части поля зрения будет хуже расчетного.
ПОДУШКООБРАЗНАЯ ДИСТОРСИЯ
Если при удалении от центра поля зрения оптическое увеличение увеличивается, то объекты на изображении по краям поля зрения выглядят растянутыми, пространственное разрешение увеличивается от центра к краям, а само поле зрения камеры сжимается. Фактические углы обзора в этом случае меньше расчетных (рис. 15, 16). Такая дисторсия называется подушкообразной. Подушкообразная дисторсия меньше распространена и может встречаться у телеобъективов.
Рассмотрим модели, построенные с учетом и без учета подушкообразной дисторсии. Модели приведены для иллюстрации искажений, вносимых подушкообразной дисторсией, и не связаны с определенной моделью объектива. Положение камеры в обоих случаях неизменно (рис. 13…22).
Рис. 13, 14. Вид сетчатого поля. С подушкообразной дисторсией сетчатое поле напоминает подушку
Рис. 15, 16. Поле зрения камеры. С подушкообразной дисторсией поле зрения напоминает бочку. Пространственное разрешение от центра к краям поля зрения увеличивается
Рис. 17, 18. Зона обзора и модель сцены в 3D
Рис. 19, 20. Модель изображения от камеры. Так как объектив узкоугольный, искажения перспективы не заметны (сравните с рис. 9)
Рис. 21, 22. Проекция зоны обзора в 2D
Обратите внимание на искажение распределения пространственного разрешения (рис. 16). Подушкообразная дисторсия уменьшает поле зрения, но увеличивает пространственное разрешение, чем дальше от центра поля зрения, тем сильнее.
УЧЕТ ДИСТОРСИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
На практике влияние дисторсии актуально для объективов с фокусным расстоянием менее 4 мм. Для более длиннофокусных объективов дисторсия, как правило, невелика и ею можно пренебречь.
Наиболее распространенная бочкообразная дисторсия короткофокусных объективов приводит к тому, что фактическое поле зрения камеры оказывается шире расчетного, с вытянутыми углами, а фактическое пространственное разрешение равно расчетному только в центре поля зрения. В остальной части поля зрения пространственное разрешение оказывается хуже расчетного. Причем на краях поля зрения пространственное разрешение может быть хуже в разы (рис. 6).
Учет дисторсии объектива при проектировании видеонаблюдения позволяет получить модели зон обзора и изображений более близкие к реальности, а значит более полно использовать возможности камер в проекте.
В случаях, требующих точности, сравните фактические углы обзора из спецификации производителя камеры или полученные практическим измерением с расчетными углами обзора, заданными калькулятором объектива исходя из фокусного расстояния и размера видеосенсора. Если углы значительно различаются, то дисторсия объектива этой камеры может быть заметна (см. пример объектива выше).
Моделирование дисторсии объектива впервые реализовано в восьмой версии программы VideoCAD.
Так как параметр «дисторсия» отсутствует в спецификациях камер и CCTV объективов, дисторсия объектива в VideoCAD задается комбинацией расчетного угла обзора и фактического угла обзора. Расчетные углы обзора вычисляются внутри программы из фокусного расстояния объектива и размеров видеосенсора.
Фактические углы обзора обычно приводятся в спецификациях камер и объективов. Если значения углов неизвестны, то можно измерить углы практически.
Для задания дисторсии достаточно задать один из трех фактических углов: горизонтальный, вертикальный или диагональный. Предпочтительнее задать горизонтальный угол. Недостающие углы VideoCAD рассчитает самостоятельно. Для получения максимальной точности можно задать 2 или все 3 фактических угла.
Рис. 23. Проектирование видеонаблюдения в программе VideoCAD
Из заданных значений углов VideoCAD рассчитает дисторсию, которую будет учитывать при построении моделей зоны обзора, распределения пространственного разрешения и моделей изображений от камер. Моделирование дисторсии можно оперативно включать и выключать для оценки ее влияния в каждом конкретном случае.
С.В. УТОЧКИН,
директор CCTVCAD Software
Опубликовано в журнале «Алгоритм Безопасности» № 5, 2015
Ниже пару моментов от автора сайта, на которые хотелось бы обратить внимание «невнимательных» читателей:
На практике влияние дисторсии актуально для объективов с фокусным расстоянием менее 4 мм. Для более длиннофокусных объективов дисторсия, как правило, невелика и ею можно пренебречь.
Хотя сейчас самые «ходовые» объективы — это 2,8/3,6 мм и дисторсия на них скорее всего будет.
Так как параметр «дисторсия» отсутствует в спецификациях камер и CCTV объективов, дисторсия объектива в VideoCAD задается комбинацией расчетного угла обзора и фактического угла обзора. Расчетные углы обзора вычисляются внутри программы из фокусного расстояния объектива и размеров видеосенсора.
Параметр не только отсутствует, но и при попытке получить такие данные в Axis был вежливо отправлен изучать datasheet углы обзора.
