Глаз с изменяемым фокусным расстоянием: Очки научили фокусироваться на интересующих человека предметах

Очки научили фокусироваться на интересующих человека предметах

Nitish Padmanaban et al. / SIGGRAPH 2018

Американские инженеры создали очки, которые автоматически фокусируются на предмете, на который смотрит человек. В них установлены датчики расстояния и движения глаз, а также линзы с переменным фокусным расстоянием. Благодаря этому очки постоянно отслеживают направление взгляда и подстраивают фокусное расстояние в соответствии с расстоянием до предмета, рассказывают разработчики в статье, представленной на конференции SIGGRAPH 2018.

Обновлено: в июне 2019 года статья опубликована в Science Advances. По сравнению с оригинальным докладом в ней появились испытания очков несколькими десятками добровольцев, большинство из которых одобрили устройство.

Глаз человека фокусируется на близких предметах с помощью цилиарной мышцы, которая может менять кривизну хрусталика и тем самым менять его оптические свойства. С возрастом хрусталик становится более твердым и у людей развивается пресбиопия — состояние, выражающееся в сложности или неспособности глаза фокусироваться на близких предметах. Обычно для компенсации пресбиопии используют очки с одним фокусным расстоянием для близких объектов или прогрессивные очки с фокусным расстоянием, варьирующимся в зависимости от области линзы. Кроме того, существуют прототипы очков с переменным фокусным расстоянием, но его необходимо постоянно настраивать вручную.

Гордон Вецштайн (Gordon Wetzstein) и его коллеги из Стенфордского университета создали очки, которые могут менять фокусное расстояние линз автоматически, в зависимости от того, куда направлен взгляд человека. Инженеры использовали в прототипе очков коммерчески доступные линзы с переменным фокусным расстоянием. В такой линзе находится жидкость, которая может менять форму под действием приложенного напряжения. За счет этого можно менять кривизну линзы и ее фокусное расстояние. Диапазон изменения оптической силы линзы составляет четыре диоптрии.

Принцип работы линзы с переменным фокусным расстоянием

optotune / YouTube

Компоненты очков

Nitish Padmanaban et al. / SIGGRAPH 2018

Григорий Копиев

Инженеры создали управляемую движением глаз линзу

Американские и китайские инженеры создали однолинзовый объектив, которым можно управлять, двигая глазами. Датчики регистрируют движения глаз и передают команды на устройство: при движении глаз в сторону линза объектива смещается в соответствующую сторону, а при быстром двойном моргании ее фокусное расстояние увеличивается или уменьшается, рассказывают авторы статьи в 

Как правило, мы управляем устройствами с помощью кнопок, сенсорных экранов и других органов управления, но такой подход зачастую лишь отдаленно напоминает целевые действия. К примеру, при ходьбе мы двигаем своими ногами и наклоняем корпус в ту или иную сторону. При управлении дроном или другим двигающимся устройством оператору приходится проводить непрямую аналогию между своими действиями и реакцией аппарата, потому что управление происходит с помощью отклонения стиков на пульте, а не наклона частей тела.

Инженеры под руководством Шэнцян Цай (Shengqiang Cai) из Калифронийского универстита в Сан-Диего создали систему, позволяющую перемещать линзу и менять ее фокус с помощью движений глаз. Она состоит из закрепляемых на лице электродов для управления и самой линзы с изменяемыми параметрами. Инженеры использовали в системе линзу с изменяемым фокусным расстоянием. Она представляет собой сосуд с соленой водой и двумя прозрачными пленками с обеих сторон. На верхнюю пленку нанесли слой графитосодержащей проводящей смазки, выступающий в качестве электрода. В качестве второго электрода в линзе выступает соленая вода. Если между электродами возникает напряжение, проводящий углеродный слой расширятся, кривизна центрального участка линзы уменьшается и фокусное расстояние увеличивается.

Схема глаза (а) и прототипа линзы

Jinrong Li et al. / Advanced Functional Materials, 2019

Фотография прототипа. Масштабная линейка соответствует одному сантиметру

Jinrong Li et al. / Advanced Functional Materials, 2019

Пример изменения изображения, получаемого с помощью линзы, при задействовании различных пар электродов

В прошлом году американские инженеры создали прототип очков, способных автоматически фокусироваться на интересующих владельца предметах. В них тоже используются линзы с изменяемым фокусным расстоянием, однако управление происходит иначе. Они отслеживают расстояние до предметов, а также направление взгляда пользователя с помощью оптических датчиков.

Григорий Копиев

Фокусное расстояние глаза. Какое же оно? / Хабр

В этой статье я постараюсь обойтись без аналогий глаза с фотоаппаратом и мозга с компьютером. Почему?
С самых первых попыток изучения мозга человеком люди искали аналогии для облегчения понимания/объяснения его работы. Для каждой эпохи были свои примеры — человек сравнивал мозг с самым сложным устройством своего времени:
— паровые машины,
— ламповая техника,
— сегодня это компьютеры,
— в будущем…
Обратимся за материалом к учебникам по физиологии, дабы избежать ненужных заблуждений.

Глаз как оптическая система

Начнём с руководства по офтальмологии.
Суммарная преломляющая сила всей оптической проводящей системы глаза называется физической рефракцией.
Диоптрии всех оптических сред глазного яблока:
— роговица ~ 43 дптр,
— передняя камера ~ 3 дптр,
— хрусталик ~ 19-33 дптр,
— стекловидное тело ~ 6 дптр.
Передняя камера заполнена водянистой влагой — жидкостью по оптическим свойствам близкой к воде. (Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика» с.384)
Необходимо понимать, что первые три среды являются собирающими свет, а стекловидное тело рассеивает его, поэтому при расчёте мы отнимаем это значение.

Сила преломления рассчитывается в диоптриях по простой формуле из геометрической оптики:
Д=Др+Дп.к+Дхр-Дст.т.= 43+3+19-6=59 дптр

Значение хрусталика в этом расчёте принято 19 дптр, так как оно соответствует его рефракции в расслабленном состоянии, когда мы смотрим в даль.

Дальше переводим диоптрии в миллиметры:
F=1/Д=1/59=0,0169 м=17 мм.

Вывод: фокусное расстояние глаза человека ~17 мм.

На этапе изучения оптических свойств глаза мы имеем значение ~17 мм.
Цитата — «Возьмем случай, где средняя физическая рефракция (60,0D) в глазном яблоке с передне-задним размером средней величины (23 мм). Нетрудно подсчитать, что при толщине роговицы около 1 мм, глубине передней камеры около 3 мм и отрезке от переднего полюса хрусталика до узловой точки 2 мм, от последней до сетчатки остается как раз 17 мм, что и обеспечит фокусировку параллельных лучей в центральной ямке желтого пятна, так как совпадает с главным фокусным расстоянием. »

С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.

Но, думаю, кто-то возразит — фокусное расстояние должно быть около 50мм!

Почему должно и почему некоторым так кажется? Для ответа на этот вопрос мы двинемся дальше — в зрительную кору.

Зрительная кора

Дэвид Хьюбел и Торстен Визель в своих знаменитых работах по физиологии зрения установили, что путь сетчатка->ЛКТ->первичная зрительная кора имеет топографическую организацию.
Это говорит нам о том, что порядок, в котором волокна зрительного нерва выходят из сетчатки сохраняется и в коре V1.
А визуализировать это утверждение смог Р. Тутелл. Для этого он взял макака, нашпиговал его транквилизаторами и в течение 45 минут показывал мишень с тремя радиальными кружками. Обезьян смотрел на рисунок только одним глазом. Перед всей этой затеей животному сделали инъекцию радиоактивной 2-дезоксиглюкозы.
Так как нейроны питаются исключительно глюкозой, то можно легко отследить самые активные клетки — они потребляют больше всего сахара.
После этого первичную зрительную кору макаки растянули, заморозили и проявили радиоактивные метки.
Результат на рисунке ниже.

Самый маленький кружок в центре мишени на топографической проекции в коре занимает площадь совсем немного меньше, чем площадь внешнего круга. У человека этот эффект ещё более выражен — центральная часть поля зрения проецируется на бОльшие площади в коре.
Для облегчения понимания был создан такой рисунок:

Здесь прекрасно видно, как увеличивается изображение с центра сетчатки.
Сделаю ударение на том, что это не оптическое, а кортикальное увеличение.

Подведём итог:
— фокусное расстояние ~17 мм,
— охват поля зрения одного глаза по горизонтали 140 – 160˚,
— изображение с центральной части сетчатки создаёт в коре ощущение(феномен) увеличенной картинки, хотя оптически проекция равномерная.

UPD:

И всё же, для успокоения тех, у кого подгорает от 17 мм — выше была дана цифра фокусного расстояния для ВСЕГО глаза и для ВСЕГО поля зрения.
Чёткое зрение у нас только в центральной части сетчатки, которая называется Fovea. Угловое разрешение этой части сетчатки 1˚40′. Когда мы смотрим на мир вокруг(читаем текст, разглядываем пейзаж), то практически всегда наше внимание находится в этой маленькой точке с угловым разрешением около 1 градуса. Да, сознательно мы можем сместить внимание хоть на край сетчатки — там, где картинка совсем нечёткая. Но расширить зону внимания невозможно — такова физиология зрительной коры и феноменология построения той картинки, которую мы видим в итоге. И исходя из этого зрительного опыта создаётся впечатление о более узком поле зрения(длинном фокусном расстоянии), чем есть на самом деле.

Литература:
В.В.Вит «Строение зрительной системы человека» 2003 г.
Е.А.Егоров «Офтальмология» 2010 г.
С.А.Рухлова «Основы офтальмологии» 2006 г.
Новохатский А.Г. «Клиническая периметрия», 1973 г.
Дэвид Хьюбел — «Глаз, мозг, зрение»
Стивен Палмер — «От фотонов к феноменологии»
Баарс Б., Гейдж Н. — «Мозг, познание, разум»
Джон Николлс, А. Мартин, Б. Валлас, П. Фукс — «От нейрона к мозгу»
Майкл Газзанига — «Кто за главного?»

Ссылки:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S089662730700774X
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10944/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5446894/
https://books.google.com/books?id=_yYrIBT42BkC&pg=PA414

Wildlife Photography Tips — Canon YouConnect

Техники съемки дикой природы от наставника Canon, Брайана Уорли (Brian Worley)

Секрет создания великолепных снимков дикой природы заключается в том, чтобы понимать поведение животных и использовать правильное оборудование в разных условиях съемки для получения желаемых результатов.

Любая из камер Canon позволит вам создавать великолепные снимки, но если вы снимаете на цифровую зеркальную камеру, то у вас будет более широкий выбор объективов и следовательно гораздо больше возможностей для творчества

Съемка природы на камеру EOS

Цифровая зеркальная камера EOS предоставляет невероятно широкие возможности для съемки всего, что нас окружает, — от дождевых червей до слонов. Ниже приводятся несколько полезных советов по выбору оборудования и приемов съемки, которые позволят вам создавать превосходные снимки.

Попробуйте телеобъектив или зум-объектив

Телеобъективы или зум-телеобъективы позволяют фотографировать животных, находясь на безопасном расстоянии. Это особенно важно, если вы собираетесь снимать львов, медведей гризли или крокодилов в движении.

Если у вас уже есть цифровая зеркальная камера EOS, рекомендуем приобрести телеобъектив с изменяемым фокусным расстоянием в дополнение к основному объективу. А если вы еще пока только начинающий фотограф, обратите внимание на некоторые модели камер Canon с двумя штатными объективами, включая стандартный зум-объектив и телеобъектив с изменяемым фокусным расстоянием.

Используйте короткую выдержку для съемки четких фотографий

При использовании телеобъектива или зум-телеобъектива необходимо устанавливать более короткую выдержку (не более 1/50) для получения четких снимков с высокой детализацией. Некоторые животные двигаются очень быстро, поэтому нужно всегда быть наготове!

Камеры EOS начального и среднего уровня имеют режим «Спорт», который поможет вам получить четкие фотографии, независимо от того, снимаете ли вы гепардов или ленивцев. И, наконец, чтобы ваши снимки получались неизменно четкими, не забудьте включить стабилизатор изображения на телеобъективе.

Современные технологии: макросъемка

Одно из главных преимуществ макрообъективов — это возможность показать на цифровых фотографиях и отпечатках то, что обычно не видно невооруженным глазом. Например, сделайте снимок маленького насекомого и превратите его в невероятного большеглазого монстра или запечатлейте причудливые детали, которые обычно остаются незаметными для нас.

Порой макросъемка живых существ — достаточно трудная задача, поэтому вам потребуется правильное оборудование и много терпения, чтобы сделать по-настоящему потрясающий снимок.

Управление глубиной резкости

Во время макросъемки дикой природы особенно важно уделять внимание управлению глубиной резкости. Как правило, стандартная съемка выполняется в режиме приоритета диафрагмы (положение AV на диске выбора режимов камеры). При использовании марообъективов все как раз наоборот. Из-за малого рабочего расстояния используется более закрытая диафрагма, f/16, f/22 или даже больше, для максимального увеличения глубины резкости и обеспечения фокусировки по всему полю кадра.

Используйте стабилизатор изображения во время съемки на телеобъектив или макросъемки, особенно когда вы снимаете с рук. Однако если камера установлена на штатив, то стабилизатор изображения лучше отключить.

Фокусировка на объекте съемки

Надо признать, что животные могут быть очень непредсказуемы. Поэтому рекомендуем вам научиться перемещать активную точку фокусировки вслед за объектом съемки и переключаться между режимами покадровой автофокусировки и следящей автофокусировки AI Servo. Это позволит вам не пропустить важный момент во время съемки. Также будет полезно поэкспериментировать с ручной фокусировкой при съемке медленно движущихся или статичных объектов, например купающегося бегемота или неспешно вышагивающего слона.

Что и как увидит ваша камера. [Алгоритм безопасности, декабрь 2001]

…не ждите чудес там, где их быть не может…

© [Алгоритм безопасности – сигнальный номер, декабрь 2001, www.algoritm.org]

Несмотря на огромное многообразие систем автоматической обработки видеосигнала, любая система видеонаблюдения имеет в своем составе видео монитор и предназначена, прежде всего, для визуального восприятия информации. Устанавливается система в первую очередь для того, чтобы вместо одной пары глаз оператору дать их несколько (штук, десятков, сотен), причем удаленных от оператора от метров до десятков (а то и сотен) километров. Главное преимущество видеосистем перед другими системами – получение непосредственной информации о контролируемом объекте, а не некой производной от такой информации (например, в виде срабатывания датчика).

И волей или неволей мы начинаем ассоциировать видеокамеру с нашим глазом, наделяя ее, зачастую, сверхвозможностями. А когда наши представления оказываются далеки от реальности, начинаем искать виновных на стороне (поставщик, инсталлятор, производитель). По принципу своей работы видеокамера и глаз имеют много общего, точнее даже, вся идея видеокамеры заимствована у глаза : объектив – это хрусталик, ПЗС-матрица – это, так называемые колбочки и палочки. Но ни один производитель пока не достиг уровня Создателя (или природы-матушки; кому как больше нравится).

Довольно типичная картина: заказчик говорит, что хочет установить камеру с углом обзора 900, чтобы иметь возможность обозревать, например, территорию двора размером 50 х 50 м, распознавать людей, входящих в здание и читать номера машин, въезжающих во двор. Совершенно резонное предложение подрядчика решить задачу тремя-четырьмя камерами зачастую воспринимается заказчиком, как попытка навязать ему лишние камеры, а, значит, лишние деньги. Ведь глазами он видит все и сразу, по крайней мере, ему так кажется. Иногда, почувствовав, что ему приходится вертеть шеей, дабы увидеть полную картину, заказчик предлагает установить камеру на поворотном устройстве с переменным фокусным расстоянием объектива или без такового.

Можно слепо следовать лозунгу «заказчик всегда прав» и, заручившись подписью клиента под техзаданием, в котором подробно отразить все его технические требования (но не потребительские, ибо они не смогут быть реализованы), установить оборудование, которое пожелал заказчик. Юридически Вы останетесь чистыми, но клиент все равно будет считать Вас виновником своих неудач, и вряд ли ваши взаимоотношения будут иметь продолжение.

Самое простое и надежное решение – показать заказчику до момента подписания договора, что он увидит в действительности, для чего полезно иметь мобильный комплект – камера с набором различных объективов, мобильный монитор, источник питания. Пройдите вместе с заказчиком по точкам потенциальной установки камер, поднимитесь по стремянке на предполагаемую высоту установки и выберите, глядя на монитор, оптимальные места установки и фокусные расстояния объективов. К сожалению, такое не всегда возможно. Приходится делать заочные проекты для объектов, находящихся за тысячи километров.

Специалисты фирм, работающих на рынке не первый год, как правило, способны «на глаз» весьма точно расставить камеры по объекту на основании только планировок, указанных условий освещенности и требований по степени идентификации. Статья адресована, прежде всего, конечному потребителю, дабы он смог оценить грамотность технического предложения, представлять, хотя бы в общих чертах, объем системы для решения его задач, и не ждал бы чудес там, где их быть в принципе не может. А для этого, прежде всего, давайте вспомним школьный курс лучевой оптики и привнесем его на решение нашего вопроса – что увидит видеокамера. Большинству из нас это все хорошо знакомо, просто необходимо свои знания несколько упорядочить и применить в собственных целях. Для тех же, у кого в этом месте в школе «случился пробел», не вредно будет его восполнить, ничего сложного в этом нет.

Итак, когда мы задаемся вопросом, что и как увидит камера, давайте прежде всего говорить об объективе.

Будем рассматривать объектив, как линзу. В действительности объектив – сложная оптическая система, состоящая из нескольких линз, имеющих просветляющее покрытие. Сложность конструкции обусловлена необходимостью уменьшения поглощения светового потока при прохождении через объектив, увеличения разрешающей способности, снижения аберрации, возможности изменения диафрагмы и т.п. С точки зрения физики «работает» любой объектив как единая линза.

q- плоскость линзы (световой луч, проходя через линзу преломляется дважды – на передней ее границе при заходе в линзу и на задней при выходе; вместо этого считаем, что он преломляется один раз на суммарный угол при прохождении условной плоскости). О – оптический центр линзы – точка, проходя через которую с любого направления, световой луч не преломляется. l – главная оптическая ось – прямая, проходящая через оптический центр линзы перпендикулярно к плоскости линзы.

Все лучи, параллельные главной оптической оси, после преломления (прохождения через линзу) пересекаются в одной точке на главной оптической оси , называемой фокусом линзы (объектива). Расстояние Оf называется фокусным расстоянием . На всех объективах оно указывается, обозначается f. Это самая главная характеристика объектива, именно на основании ее выбирается объектив в зависимости от того, что и как надо увидеть.

Введем также величину 2f и нанесем на главную оптическую ось точки, удаленные от оптического центра на 2f.

Пусть есть некий объект АВ. Чтобы получить его изображение на матрице видеокамеры (пленке фотоаппарата – не важно) после прохождения через объектив, достаточно сделать простейшие построения.

Из точки А проведем один луч параллельно главной оптической оси. После прохождения через плоскость линзы этот луч проходит через фокус. Так его и проводим. Второй луч проведем из точки А через оптический центр О. Проходя через линзу, этот луч направления не изменяет. В точке пересечения этих двух лучей получаем изображение точки А – A₁. A₁B₁– изображение объекта АВ.

Расстояние от объекта до плоскости линзы обозначим d₁, а расстояние от изображения этого объекта до плоскости – d₂.

Очень полезно запомнить основную формулу линзы:

1/d₁ + 1/d₂ = 1/f

Если на расстоянии d₂ от линзы расположить матрицу видеокамеры, то на нее спроецируется изображение объекта АВ (точно так же в фотоаппарате на расстоянии d₂ от объектива располагается пленка). Попутно заметим, что изображение объекта на матрице всегда оказывается обратным («вверх ногами»). Если расстояние от плоскости объектива до матрицы окажется отличным от d₂, то , как следует из построения, изображение точки А на матрице будет не в виде точки A₁, а в виде пятна A₁^I, диаметр которого будет тем больше, чем больше эта ошибка. Т.е. изображение будет не резким, как говорят, «не в фокусе». Хотя в общем случае изображение находится не на фокусном расстоянии от оптического центра. В правильной установке этого расстояния d₂ и состоит смысл наводки объектива на резкость – объектив придвигается или отодвигается от матрицы. Диаметр этого пятна, а, значит, и влияние ошибки могут быть искусственно уменьшены за счет уменьшения общего светового потока, т.е. уменьшением диафрагмы объектива. (Не случайно, человек, имеющий не очень сильную близорукость, может читать без очков при ярком свете за счет того, что зрачок от света сужается). Отсюда практический вывод: если необходима настройка объектива на резкость, она должна производиться при полностью открытой диафрагме. Если это объектив с автоматической регулировкой диафрагмы, необходимо применять светофильтры, которые «заставят» диафрагму открыться полностью. В противном случае с наступлением сумерек на объекте резкость может уйти.

Как следует из рис.1, масштаб получаемого на матрице изображения M₁ = A₁B₁/АВ = d₂/d₁

Представление о масштабе получаемого изображения в зависимости от удаленности объекта от объектива можно получить, подставив в основную формулу ряд значений d₁ или произведя построения (Рис.2).

Если объект наблюдения (АВ) находится на расстоянии > 2f от плоскости объектива, его изображение будет располагаться на расстоянии f 2<2f . Размер изображения меньше самого объекта. Изображение обратное.

Если объект находится на расстоянии 2f от объектива (A₁ B₁), его изображение также располагается на расстоянии 2f. Изображение имеет те же размеры, что и сам объект, т.е. М=1/1. Изображение обратное.

Если f1<2f, то изображение располагается на расстоянии >2f от объектива. Изображение больше самого объекта, обратное. Это – так называемая макросъемка. Объектив необходимо очень близко придвинуть к объекту и сильно удалить от матрицы. Объектив должен иметь очень большой ход.

Еще один случай – d₁

Теперь переложим всю эту теорию на наши камеры.

Самые распространенные на рынке камеры – стационарные, не требующие наводки на резкость. Достигается это за счет малого значения фокусного расстояния – основной ряд: 2,8; 3,6; 4,3; 6; 8; 12; 17; 25 мм.

Обратимся к основной формуле линзы.

Если d₁ будет стремиться к бесконечности, то величина 1/d₁ будет стремиться к 0, а значит d₂ = f, т.е. для бесконечно удаленных объектов можно расположить матрицу в фокальной плоскости. С физической точки зрения это означает, что для очень удаленных объектов все лучи можно считать параллельными главной оптической оси; все они сфокусируются в фокальной плоскости. Вопрос состоит в том, какое расстояние для данного объектива считать бесконечностью. Для видеокамер «бесконечность» принимается допустимой для d₁/f > 100. Таким образом, для объектива с f=3,6 «резкость» начинается с 36 см. и далее. Но, это уже наше допущение. Мы уже, устанавливая стационарные камеры, идем на некий компромисс. Например, для художественной фото-кино «бесконечность» начинается с d₁/f=350-400.

Попутно заметим, что по разрешающей способности фото-кино съемка отличается от видео на порядки. Не от бедности же Голливуд снимает свои фильмы на кинопленку. Очень дорогое видео – это удел очень дешевых сериалов и дипломных работ.

Итак, считаем, что для стационарных камер наблюдаемые объекты находятся в «бесконечности», а изображение их располагается в фокальной плоскости объектива. (Рис.3).

Рис. 3.

Как следует из рисунка масштаб изображения М = f/S, где S – расстояние до объекта. Т.е. видеокамера ничего не увеличивает, а только уменьшает. Другое дело, что изображение на матрице будет в дальнейшем увеличено монитором в масштабе, равном отношению эффективных линейных размеров кинескопа к соответствующим размерам матрицы. Отсюда очевидный вывод – чем больше монитор, тем лучше (конечно, при прочих равных условиях, например, разрешающей способности монитора). Но заказчик ограничен и в объемах свободного пространства, и в количестве операторов, и в средствах. Таким образом, мы идем на следующий компромисс.

Матрица имеет вполне конкретные конечные размеры. Так для матрицы формата 1/3″ линейные размеры составляют 4,8 х 3,6 мм. Максимальный угол обзора камеры будет определяться фокусным расстоянием объектива f и линейными размерами матрицы, как tgq/2 = b/2 : f

Если определяется угол обзора в горизонтальной плоскости, то b – размер матрицы по горизонтали; если в вертикальной плоскости, то по вертикали.

В основном на рынке применяются матрицы формата 1/3″.

Ниже в таблицы приведены углы обзора для типовых объективов для формата матрицы 1/3″.

Итак, видеокамера , оснащенная объективом с фиксированным фокусным расстоянием «видит» в строго ограниченных углах по горизонтали и вертикали. Угол по вертикали актуален для определения размера просматриваемой зоны вглубь контролируемой территории при установке видеокамеры на высоте (а, как правило, камера устанавливается на высоте с тем, чтобы затруднить ее хищение и избежать теневых зон от близко расположенных объектов). Иногда указывается одно значение угла обзора. В этом случае, обычно, указывается значение угла по диагонали матрицы. Значение, естественно, получается больше. Так, например, для f=3.6 мм этот угол составляет около 87°. Это своеобразный рекламный ход. Для решения конкретных задач эта цифра мало, что дает, зато может ввести в заблуждение, ибо очень многие воспринимают единственную указанную цифру, как угол обзора по горизонтали.

Обязательная задача, которую приходится решать при проектировании системы – степень идентификации объекта наблюдения – нам необходимо заметить человека на объекте или распознать известного человека на экране, или опознать незнакомого человека для распознавания его в дальнейшем, или читать номер автомобиля.

Пожалуй, это основной камень преткновения между заказчиком и инсталлятором. Если в ограниченность угла обзора заказчик готов поверить, то заявление, что для чтения номеров автомобиля практически всегда требуется отдельная камера, которая только этим и будет «заниматься», часто подвергается сомнению. Приходится наглядно показывать. Особенно, если заказчик слышал про камеры высокого разрешения. Приходилось встречаться с ситуацией, когда клиент убежден, что камера высокого разрешения способна видеть в секторе 90° и читать номера с расстояния 15 метров.

Сразу заметим, что всегда более высокое разрешение лучше менее высокого. Даже с точки зрения утомляемости оператора. На сегодняшний день разница в цене не столь велика, чтобы экономить на качестве. Попробуйте в большой системе, имеющей в своем составе сложную аппаратуру обработки, протяженные трассы с аппаратурой передачи соотнести разницу в цене таких камер к стоимости одного канала наблюдения (общую стоимость системы разделите на количество камер). Вы получите доли процента. Так стоит ли из-за экономии в доли процента изначально срезать себе качество всей системы на самом начальном этапе – видеокамере.

Но даже 570 телевизионных линий – ограниченная величина, весьма ощутимая даже в сравнении с фото и кино изображением, не говоря уже о нашем глазе. Система может иметь в своем составе видеомагнитофон, информация с которого также потребует необходимой степени идентификации. А здесь разрешение еще ниже.

Как было сказано выше в абсолютном большинстве случаев камера (точнее объектив) ничего не увеличивает, а только уменьшает в масштабе М= f/S. В дальнейшем мы могли, казалось бы, восстановить необходимый масштаб за счет увеличения размера экрана монитора (кстати, некоторые клиенты и предлагают взять телевизор с метровой диагональю). Ничего не выйдет, так как , если рядом расположенные элементы объекта наблюдения, которые должны быть восприняты глазом раздельно для необходимой степени идентификации с учетом масштаба конкретной видеокамеры попадают на одну и ту же телевизионную линию, они будут представлены на видеоизображении как один элемент.

Можно для каждого конкретного случая установки камеры измерять расстояния между элементами и с учетом разрешения просчитывать необходимый масштаб, далее, исходя из удаленности камеры от объекта и вычисленного масштаба, определять необходимое фокусное расстояние объектива, как f= M x S. На практике, конечно, никто этого не делает, а использует готовые данные и рекомендации, которые приводим ниже. Вернемся к рис.3. Обозначим «В» – поле зрения (ширину полосы захвата) объектива на удалении S .

В = b x S/f

Где b – размер матрицы (по горизонтали, если определяется поле зрения по горизонтали, и по вертикали для поля зрения по вертикали).

Именно поле зрения и является основным параметром для определения степени идентификации объекта. Сам объект имеет фиксированный размер, поле зрения увеличивается с удалением от объектива. С удалением объект занимает все меньшую часть поля зрения, на него приходится все меньше телевизионных линий матрицы, различимость деталей уменьшается.

Ниже в таблице с достаточной для практического использования степенью округления приведены данные по полю зрения (в метрах) для наиболее применяемых объективов в зависимости от дистанции до объекта ; формат матрицы 1/3″.

H – по горизонтали; V- по вертикали

Теперь необходимо увязать эти числовые параметры с вопросами практического применения.

Существуют рекомендации по выбору необходимого поля зрения для различных задач идентификации объекта. Ниже приведены рекомендации фирмы Philips:

Справедливости ради скажем, что эти данные приведены «с запасом». При нормальной видимости Вы прочтете номер автомобиля и с полем обзора по горизонтали в 5 метров, человека заметите, если приглядываться, и с полем в 50 метров. Внешнюю видеокамеру в гермобоксе можно заметить при фокусном расстоянии объектива 12 мм с расстояния в 100 метров. Но, именно заметить, да еще при условии хорошей видимости. В действительности же охрана со временем перестает тщательно всматриваться в экран, поэтому надо исходить из того, что необходимый объект был идентифицирован в реальных условиях наблюдения и видимости с необходимой степенью вероятности. Кроме того, если аппаратура приема содержит в своем составе детекторы движения, которые на самом деле оценивают изменение видеосигнала, вызванное движением объекта, а не само движение, при малом масштабе объекта идентификации изменение видеосигнала может оказаться ниже порога срабатывания. Если же такой порог при этом снизить до уровня гарантированного срабатывания, количество ложных тревог, вызванных листвой, снегопадом, дождем, затемнением от облаков сделает такой детектор не пригодным для практической работы. Поэтому, особенно для целей безопасности, вышеуказанные цифры можно брать за исходные при выборе объективов.

Ход рассуждений при выборе типов объективов, а в конечном итоге, количества видеокамер, будет следующий.

Допустим, необходимо читать номер автомобиля, въезжающего на территорию. Минимальное расстояние, на котором возможно установить видеокамеру от места, где осуществляется въезд – 10 метров. По таблице определяем, что при f=8 mm поле зрения по горизонтали составляет 5,5 м, при f=12mm – 3,6 метра. Для обеспечения надежной идентификации нам необходимо взять объектив с f=12 mm. Из первой таблицы определяем, что угол обзора нашей камеры по горизонтали составит 23°, по вертикали – 17°. Вот только в этих углах от места своей установки и будет видеть эта камера. Возможно, что действительная ширина въезда окажется таковой, что можно въехать, оказавшись за пределами зоны обзора камеры. Тогда надо либо ограничить ширину возможного проезда, например, вкопав столбы, либо установить еще камеру (что, скорее всего, дороже земляных работ). Исходя из поля обзора по вертикали и высоты установки камеры, можно прикинуть, какую территорию вглубь зоны контроля будет просматривать камера, сколько времени в этой зоне будет находиться автотранспорт, хватит ли времени идентифицировать номер. Вообще, при аналогичных задачах камеру устанавливают как можно «горизонтальнее». Но даже при горизонтальном направлении оптической оси поле по вертикали составит 2,7 м, т.е., если от этой камеры еще ожидают идентификации лица водителя, то для, например, КАМАЗа такая задача может оказаться невыполнимой. Что делать? Другую задачу решать другой камерой.

Так что если на каком-либо объекте количество видеокамер исчисляется десятками, то это, скорее всего, не от «навороченности», а потому, что оснащение сделано грамотно и полноценно. А чудес не бывает.

Когда после долгих сомнений и споров заказчик начинает понимать, что одной (двумя, тремя) камерами не обойтись, он вспоминает, что существуют камеры на поворотных устройствах да еще с трансфокаторами.

Остановимся на этом вопросе.

Поворотное устройство позволяет изменять направление главной оптической оси видеокамеры в горизонтальной и вертикальной плоскости. Трансфокатор (Zoom) позволяет оператору дистанционно изменять фокусное расстояние объектива. Все это – вещи полезные и эффективные при условии их грамотного применения.

Здесь мы склонны отождествлять такую камеру уже не просто с глазом, а уже с головой, которая вращается на шее. Опять таки, зря. Такой выборочной скорости трансфокации и фиксированного скоростного поворота оптической оси на мгновенно заданный угол камера дать не способна. Даже купольные скоростные поворотники с множеством предустановок не могут сравниться с визуальным восприятием информации непосредственно человеком. Наши глаза получают задачу непосредственно из мозга со скоростью рефлекторной связи. Управление же нами пусть даже скоростным поворотником – это сначала получение предварительной информации, на основании которой вырабатывается продуманное решение о необходимости получения дополнительной информации, выбор способа ее получения, выполнение управляющих действий, оценка этих действий. Например, существует такой закон кино-видео съемки : «Поворот камеры на 90° должен производиться не менее, чем за 15 секунд, иначе текущая информация должным образом не воспринимается». Вот, кстати, почему большинство поворотных устройств имеют скорость поворота 6 град./сек. Сверхскоростные поворотные устройства расчитаны на мгновенное выполнение предварительно заданных установок направления обзора и масштаба изображения (фокусного расстояния объектива). Их можно сравнить с набором (по количеству возможных предустановок) стационарных камер различного направления и масштаба обзора, переключаемых последовательно. Цена на таких камеры исчисляется в тысячах долларов, и, возможно, за эти деньги Вы сможете установить, если, конечно, позволяют обстоятельства, все необходимое количество стационарных камер с возможностью одновременного просмотра и записи. Кстати, и глаза так не устанут.

Следует всегда помнить, что во время управления поворотной камерой Вы уже не в состоянии контролировать полноценно информацию от других камер, если таковые имеются (попробуйте управлять автомобилем и внимательно смотреть фильм по телевизору). Второе, нет ничего проще, чем «обмануть» поворотную камеру: зная скорость угла поворота и исходя из максимального реального угла обзора, можно постоянно находиться на территории, просматриваемой только этой камерой, будучи гарантированно не замеченным.

Оправдано использование поворотных устройств и трансфокаторов где необходимая для получения информация не имеет территориальной привязки, для выборочного детального просмотра.

Отметим, что в охранных системах видеонаблюдения такая камера является дополнительняющей стационарную систему. Нельзя, например, закрыть периметр камерами на поворотных устройствах с трансфокаторами объективов. Фокусные расстояния и направления обзора выбираются с таким расчетом, чтобы исключить наличие теневых зон и обеспечить необходимую степень идентификации объектов наблюдения, поэтому любое изменение этих параметров нарушает общую структуру. Кроме того, аппаратура автоматической обаботки видеосигнала будет реагировать на управляющие действия, ибо такие неизбежно повлекут изменения видеосигнала.

Именно к этим камерам наиболее применим термин «камеры слежения». Действительно, использование их совершенно оправдано, когда необходимо следить за кем-то или чем-то : за отдельным человеком, перемещающимся в пространстве; за технологическим процессом и т.п.

Несмотря на то, что поворотник поворачивается почти на 360°, а трансфокаторы на нынешнем рынке есть и 30-х и более кратные, не следует думать, что, установив такую камеру на высокую мачту в центре объекта, можно решить все задачи слежения.

Нам приходилось решать задачу идентификации незнакомой личности на произвольных углах обзора с расстояния 100 метров. Заказчик не мог или не хотел уменьшить расстояние от места установки камеры до объекта.

Исходя из задачи определяем, что нам необходимо обеспечить возможное максимальное фокусное расстояние объектива – 220 мм. Практически был установлен 30-х zoom с максимальным f = 180 мм. Получается, что угол обзора такой камеры при максимальном фокусном расстоянии составляет 1,5°. То есть любое вольное или невольное смещение оптической оси камеры на этот угол полностью уведет изображение с экрана. Попробуйте «попасть» поворотником и такой камерой на нужный объект. Именно по этой причине оптические прицелы с большой кратностью предназначены для больших мастеров. Не очень большой мастер просто не сможет прицелиться. А здесь приходится прицеливаться не руками, а еще через некое электронно-механическое устройство со своими параметрами и ограничениями.

И на последок несколько слов о магическом слове «автоматическое» (фокус, диафрагма и т.д.).

Если Вы возьмете инструкцию изготовителя по эксплуатации бытовой видеокамеры «Panasonic», то найдете такие слова: «Старайтесь снимать , устанавливая баланс белого вручную, как это делают профессионалы.». Любой «автомат» автоматически отрабатывает тот параметр и в такие величины, на которые он настроен, а не тот, который бы Вам хотелось сейчас иметь. Хорошо, если это совпадает. Автоматическая регулировка диафрагмы будет осуществляться в зависимости от освещенности основного поля кадра, а не от освещенности необходимого Вам сейчас фрагмента. Если существует принципиальная возможность дистанционного управления диафрагмой из операторской, это было бы предпочтительней. Тогда Вы бы смогли обеспечить оптимальное изображение того, что нужно сейчас именно Вам. Не исключено, что установка камеры с фиксированной диафрагмой может оказаться предпочтительнее (не художественная же съемка нас интересует, а информация, которой в данной конкретной ситуации мы можем лишиться из-за АРД объектива). Автофокус тоже будет работать по вертикальным линиям основного сюжета. Например, если на переднем плане при больших фокусных расстояниях окажутся кроны деревьев, на экране мы увидим их в максимально резком изображении, а интересующий нас объект на заднем плане окажется «не в фокусе».

Какая бы совершенная камера ни была, это всегда техническое устройство с конкретными, вполне ограниченными параметрами. И относиться к ней надо именно так. Каждая конкретная задача несложно просчитывается, ибо все аргументы известны. Чуда все равно не будет. Не поедет КАМАЗ со скоростью 250 км/час, а «BMW» не сможет взять на борт 30 тонн груза. Причем ни один, ни другой от этого хуже не станут. Каждый решает свою задачу.

Как выбрать объектив? | Мир ПК

Мир фотографии удивителен, с ее помощью можно передать настроение, значимые нюансы мимолетного мгновения или динамику какого-либо события. Однако широко распространенное мнение, что достаточно выбрать хорошую фотокамеру, как отличного качества снимки будут обеспечены, в корне неверно. Конечно, от самого фотоаппарата зависит многое, но не стоит забывать, что одну из ключевых ролей в формировании картинки играет используемый объектив. Ведь даже с простой камерой и хорошим «стеклом» можно получить отличный снимок.

Как правило, при покупке зеркальной или беззеркальной камеры в комплекте к ней уже идет недорогой, китовый (от англ. kit — комплект) объектив, возможностей которого хватает как минимум для того, чтобы начать использовать камеру сразу после покупки и оценить ее базовые возможности. Для начинающих мы рекомендуем сначала освоить его и приноровиться к камере. Раскрыть же весь потенциал, заложенный производителем, способны сменные объективы. Выбор их сейчас крайне велик, причем перед его приобретением важно для себя определить, для каких целей будет использована конкретная модель. Кроме того, не стоит забывать, что сами камеры быстро устаревают, а вот хорошее «стекло» будет служить долго.

Но прежде чем перейти к рекомендациям, стоит остановиться на нескольких ключевых характеристиках, играющих определяющую роль.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах относительно 35-мм кадра . Однако далеко не все фотоаппараты имеют такую большую матрицу, в этом случае в обиход входит понятие кроп-фактора. Попросту, это означает лишь то, что часть картинки обрезается в соответствии с размером сенсора. Фактически же, на «кропнутых» камерах объективы увеличивают изображение сильнее, чем на полнокадровых.

Исходя из этого параметра обычно выделяют следующие категории объективов: суперширокоугольные (8—12 мм), широкоугольные (12—35 мм), стандартные (45—55 мм), телеобъективы (от 85 мм).

В оптике фокусное расстояние определяется как расстояние в миллиметрах от оптического центра объектива до фокальной плоскости (плоскости матрицы) при наведении на резкость бесконечно удаленного объекта. Проще говоря, размер объекта и занимаемая им часть кадра меняются в зависимости от фокусного расстояния: при малых значениях объект кажется меньше, но угол обзора шире, при больших объект выглядит более крупным, а угол обзора — уже.

Стандартные объективы обеспечивают картинку, по размеру наиболее приближенную к тому, что видит человеческий глаз. Первые два типа обычно используются для пейзажной фотографии, благодаря обеспечиваемому широкому углу зрения. А телеобъективы позволяют крупно сфотографировать удаленные объекты.

На объективах, предназначенных для зеркальных камер, всегда указывается реальное фокусное расстояние.

Светосила

Показатель светосилы информирует, какое максимально возможное количество света проходит через линзы и попадает на матрицу цифрового фотоаппарата. Как правило, он определяется максимальным размером относительного отверстия объектива, значение которого указывается на объективе после фокусного расстояния (к примеру, f2.8). Чем больше светосила, тем меньшая требуется выдержка, и следовательно, можно получать более четкие фотографии при съемке с рук даже в условиях недостаточной освещенности. Кроме того, стоит отметить, что этот параметр напрямую влияет на размытие в кадре изображения, которое находится не в фокусе.

Однако светосильные объективы как с фиксированным, так и с переменным фокусным расстоянием заметно дороже своих собратьев.

Особенности конструкции

Скорость фокусировки фотокамеры во многом зависит от скорости работы фокусного мотора, которых существует два типа: ультразвуковой и так называемая «отвертка». Первый из них — самый современный, он встраивается в объектив. В дорогих и качественных моделях используются ультразвуковые волновые двигатели, работающие практически бесшумно и весьма быстро. (У Canon, к примеру, свидетельством использования такового является наличие в названии объектива абривиатуры USM (Ultra Sonic Motor), у Sony — SSM (Super Sonic Motor) и т.д.

Привод типа «отвертка» сейчас уже считается морально устаревшим, он позволяет задействовать имеющийся в самой фотокамере фокусный мотор. Фокусный мотор этого вида довольно шумный и неторопливый.

Также сравнительно недавно в продаже появились объективы с шаговыми двигателями, обеспечивающими более плавную следящую фокусировку. Их основное назначение — видеосъемка..

Чтобы уменьшить выдержку и, следовательно, смазывание в кадре, многие производители (Canon, Nikon и т.д) применяют в своих объективах систему стабилизации изображения. Она, как правило, реализована путем использования подвижных элементов в конструкции, что напрямую влияет на стоимость. Аналог такого способа — система стабилизации изображения на матрице в камере, применяемая, к примеру, во многих моделях фотокамер Sony, Olympus и т.д. Такие методы позволяют сократить выдержку на несколько ступеней, что в определенных ситуациях может сыграть свою роль и позволит получить приемлемый результат.

Выбор объектива в зависимости от задач

Все «стекла» можно разделить на два класса: с фиксированным фокусным расстоянием (так называемые фиксы) и с переменным (зум-объективы). Вторые более удобны в применении благодаря изменяемому фокусному расстоянию. Первые же отличаются большей светосилой, однако, чтобы объект лег в кадр, фотографу нужно самому перемещаться, подгоняя изображение.

В последние несколько лет на рынке фототехники стало появляться все больше универсальных объективов, покрывающих диапазон фокусных расстояний от широкоугольного до теле. Примером такого объектива является Canon EF-S 18-200 f/3.5-5.6 IS. К достоинствам подобных «линз» относятся заметная универсальность по сравнению с остальными (т.е. не трубуется носить с собой целый парк оптики, что для многих является определяющим параметром) и не слишком высокая цена. Эти объективы позволяют снимать в самых разнообразных жанрах — репортаж, портрет, пейзаж и т.д. Недостатков же у них достаточно много, в частности, конструкция таких объективов, как правило, не слишком надежна вследствие использования большого количества линз и необходимости ее выдвижения. Кроме того, они имеют невысокую светосилу, и потому при недостаточном освещении лучше использовать штатив. Впрочем, обеспечиваемое ими качество изображения вполне устроит фотографов-любителей.

Если же такой функциональности (в плане покрываемых фокусных расстояний) вам достаточно, но хочется более высокого качества, у многих производителей в линейках имеются модели, обеспечивающие покрытие в широкоугольном и среднем диапазоне фокусных расстояний с фиксированным значением относительного отверстия. (Здесь не берутся в расчет телефото-объективы для специализированных целей). Они позволяют снимать и портреты, и пейзажи.

Если же рассматривать объективы с фиксированным фокусным расстоянием, то они, конечно, менее удобны в использовании, но зато обладают более высокими оптическими свойствами и продуманной конструкцией. А на полностью открытой диафрагме можно получать приятное размытие фона. Как правило, они обеспечивают лучшее качество изображения, если не брать в расчет бюджетные модели.

Пейзажная фотография

Снимать пейзажи можно самыми разнообразными объективами, но, как правило, для этих целей применяют сверхширокоугольные, широкоугольные и зум-объективы, имеющие на минимальном фокусном расстоянии широкий угол обзора. Чтобы увеличить количество деталей, можно применять значения диафрагмы F11 и выше. Если нужно улучшить результат, следует выбрать объектив с приличной резкостью и небольшим уровнем цветовых искажений.

Портретные объективы

В портретной фотографии чаще всего требуется большое отверстие диафрагмы, чтобы обеспечить малую глубину резкости изображаемого пространства (ГРИП). Такие объективы хорошо передают фактуру человеческой кожи, так как не подчеркивают мелкие дефекты. Для портретной съемки лучше использовать фикс-объектив или «стекло» со средним диапазоном фокусных расстояний (от 50 до 135 мм). Тогда можно будет сделать так, чтобы объект съемки занимал большую часть кадра.

Съемка архитектуры

Мало кого привлекают косые линии и заваливающиеся здания на фотографиях. Чтобы избежать этого в своих объективах, производители применяют элементы, минимизирующие количество геометрических искажений (асферические линзы), так что при выборе модели стоит обратить внимание на конструкцию. Для съемки как памятников архитектуры, так и для пейзажей, нет строгих критериев и можно использовать широкоугольные и зум-объективы, главное, чтобы они имели широкий угол обзора и минимальные геометрические искажения.

Съемка движения

При фотосъемке спортивных событий главное — не упустить нужный момент, и вот здесь-то одним из основных параметров является высокая скорость фокусировки, которая, как мы упоминали выше, реализуется с помощью ультразвуковых волновых моторов, встроенных в объективы. Если планируется снимать на большом удалении от объекта, например на стадионе, то оптимально применять телеобъективы с большими фокусными расстояниями и хорошей оптикой. Однако не стоит забывать что вес у них более чем внушительный, как, впрочем, и цена. Для бытовых же целей, например фотографирования детей, вполне подойдут и обычные зум-объективы.

Заключение

Возможности современной фотографии впечатляют. Полнее раскрыть их способны сменные объективы, правильный выбор которых во многом способен передать суть момента, однако не стоит забывать, что камера и «стекло» — это всего лишь инструменты в руках фотографа, и все, в общем-то, зависит от вашего мастерства.

Офтальмология получила очки с переменным фокусным расстоянием

 Фотография Гарри Куана на Unsplash