فاصله کانونی دوربین مداربسته

مشخصات فنی دوربین‌ها، اغلب درباره مفهوم فاصله کانونی focal lengths صحبت می‌کنند. به‌عنوان‌ مثال، اعدادی مانند 3 میلی‌متر، 6 میلی‌متر، 2.8 - 9 میلی‌متر، 5 تا 50 میلی‌متر از معروف‌ترین فاصله کانونی لنزها هستند. اما این مشخصات واقعاً چه معنایی دارند؟

این اعداد در وسعت محیطی که از دریچهٔ لنز قابل‌مشاهده است، مهم هستند که به آن Field of View، میدان دید یا به‌ اختصار FoV، نیز گفته می‌شود. در این مقاله در مورد تأثیر فاصله کانونی لنز بر زاویه دید، تأثیر طول لنز، تأثیر اندازه سنسور تصویر، انواع رایج طول لنزها، لنز ثابت در برابر عدسی وریفوکال، تأثیر فاصله کانونی بر اندازه دوربین، مشکلات و محدودیت عدسی‌ها، انتخاب لنز با طول لنز مناسب صحبت خواهیم داشت.

تأثیر فاصله کانونی لنز بر زاویه دید(FoV/AoV)

فاصله کانونی لنز (Focal lens length) نامی است که به فاصله فیزیکی بین لنز و سنسور تصویر اطلاق می‌شود. این فاصله در دوربین‌های نظارتی مداربسته بسیار مهم است. زیرا تأثیر مستقیمی بر محرک اولیه ثبت تصویر (طول و سرعت ثبت تصویر) در میدان دید (FoV) و زاویه دید (AoV) دارد. 

تأثیر طول فاصله کانونی بر لنز دوربین مداربسته

هر چه فاصله کانونی لنز بیشتر باشد، میدان و زاویه دید ثبت شده باریک‌تر می‌شود، و هر چه لنز کوتاه‌تر باشد، تصویر عریض‌تر می‌شود. 

این موضوع یک اصل فیزیکی است که از فاصله بین لنز و سنسور ناشی می‌شود. شما می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید که هرچه سوژه از دوربین‌ها دورتر می‌شود، عرض FoV بیشتر می‌شود.

تأثیر اندازه سنسور تصویر بر فاصله کانونی لنز

می‌دانیم که مؤثرترین عامل بر میدان دید (FoV)، فاصله کانونی لنز است. اما اندازه سنسور تصویر استفاده شده نیز در اندازه میدان دید دخیل است. رابطه سنسور تصویر و میدان دید (FoV) رابطه‌ای خطی است. در نتیجه، هر چه‌قدر سنسور تصویر بزرگ‌تر باشد، زاویه دید به همان اندازه عریض‌تر شده و میدان دید بازتری خواهیم داشت.

این مسئله حتی در فواصل بسیار کم نیز تأثیر به سزای می‌گذارد. مثلاً سنسور تصویر 1/2.8 اینچی و 1/2.7 اینچی و 1/3 اینچی که رایج‌ترین سنسورهای تصویر سال 2021 هستند، تفاوت بسیار جزئی دارند اما همین تفاوت جزئی در اندازه سنسور تصویر می‌تواند منجر به چندین درجه تفاوت در میدان دید شود. این تفاوت‌ها می‌توانند میدان دید را وسیع‌تر یا باریک‌تر از حد انتظار کنند. این تفاوت ممکن است در فواصل خیلی نزدیک به چشم نیاید ولی در فواصل طولانی، می‌تواند چندین متر تفاوت در زاویه دید ایجاد کند.

به‌عنوان‌مثال، جدول زیر، تفاوت زاویه دید تقریبی بین سنسور تصویر 1/2.7 اینچی و 1/3 اینچی در فواصل کانونی مختلف را نشان می‌دهد:

انواع رایج طول لنزهای دوربین مداربسته

معمولاً دوربین‌های مداربسته در یکی از این 4 نوع طول لنز قرار می‌گیرند. 

1- فیش آی:

 فاصله کانونی این لنز زیر 2 میلی‌متر است و زاویه دید فوق‌العاده عریضی دارد. اما تصویر ارائه شده کج‌وکوله است و پیکسل‌های کمی دارد. در نتیجه باتوجه‌به عریض بودن زاویه دید، نیاز به رزولوشن بالا، بیشتر می‌شود. این لنزها برای ارائه تصویر صاف احتیاج به یک نرم‌افزار جانبی دارند اما پس از بازسازی گوشه‌های عکس به‌صورت منحنی دیده می‌شوند. لنزهای فیش آی همچنین می‌توانند تصاویر پانوراما ارائه کنند. 

2- نرمال یا معمولی: 

فاصله کانونی این عدسی‌ها 3 میلی‌متر تا 10 میلی‌متر است. اکثر دوربین‌ها از این لنز استفاده می‌کنند و میدان دید در این عدسی‌ها چیزی بین 30 تا 80 درجه است. تصاویر این دوربین‌ها مسطح بوده و شباهت بسیاری با تصویر در چشم انسان دارند.

3- تله فوتو:

 فاصله کانونی این عدسی‌ها 10 تا 80 میلیمتر است. این عدسی به طور معمول در دوربین‌ها ارائه نمی‌شود اما می‌توان آنها را به‌صورت جداگانه تهیه و روی دوربین مداربسته نصب کرد. 

4- سوپر تله: 

فاصله کانونی این عدسی‌ها 100 میلی‌متر است. عدسی‌های سوپر تله عدسی‌های تخصصی هستند. این عدسی‌ها اغلب برای دیدن اجسام بسیار دور استفاده می‌شوند. به طور معمول میدان دید این لنزها تا یک کیلومتر را پوشش می‌دهند و در موارد خاص می‌توانند تا 5 کیلومتر را نیز پوشش دهند. 

تأثیر شرکت تولیدکننده در اندازه فاصله کانونی

سازندگان دوربین در درجه اول اندازه میدان دید FoV و زاویه دید AoV را با اندازه فاصله کانونی تنظیم و مشخص می‌کنند. اما بر خلاف محاسبات نظری، فاصله کانونی همیشه مطابق AoV نیست. این موضوع به‌خصوص در فواصل کانونی کوتاه‌ بیشتر به چشم می‌آید. علت این اختلاف به‌خاطر تأثیر سنسور تصویر، عدسی و ساختار عدسی است. 

صرف‌نظر از علت این تفاوت‌ها، راه‌حل این است که به‌جای مدنظر قراردادن فاصله کانونی، توجهتان را معطوف AoV کنید یا با کمک ماشین‌حساب‌های مخصوص و واردکردن اندازه هر یک از متغیرها، میدان دید دوربین خود را محاسبه کنید تا از وقوع مشکلات غیرمترقبه جلوگیری کنید.

لنز ثابت Fixed در برابر لنز وریفوکال Varifocal 

در دوربین‌های نظارتی دو نوع لنز با فاصله کانونی ثابت و وریفوکال وجود دارد. 

1- فاصله کانونی ثابت

لنزهای ثابت در یک فاصله کانونی مشخص قفل می‌شوند. مثلاً فاصله، 2.8 میلی‌متر، 4 میلی‌متر یا 12 میلی‌متری. مزیت اصلی این عدسی‌ها سادگی (عدم نیاز به تنظیم فاصله کانونی) و اندازه است. این نوع عدسی‌ها نسبت به عدسی وریفوکال انعطاف‌پذیری کمتری دارند و نمی‌توان آنها را به‌راحتی تنظیم کرد تا با میدان دید موردنظر مطابقت داشته باشند.

2- فاصله کانونی وریفوکال یا متغیر

در این نوع لنزها امکان تنظیم فاصله کانونی وجود دارد و می‌توان آن را به‌صورت دستی یا با استفاده از دو حلقه چرخان یا با مکانیزم موتوری تنظیم کرد. در عدسی‌های وریفوکال فاصله کانونی یک عدد واحد نیست بلکه متغیری دو عددی است که مینیمم و ماکسیمم فاصله کانونی عدسی را مشخص می‌کند. مدل‌های وریفوکال انعطاف‌پذیرتر هستند و می‌توان آنها را طوری تنظیم کرد که با میدان دید موردنظر کاملاً تطابق داشته باشند. اما در کنار این مزایا، بزرگی و گران‌تر بودن دوربین نیز به میان می‌آید.

در سال‌های اخیر باتوجه‌به ارزان‌تر بودن دوربین‌های فوکوس ثابت، برخی از قطعات مهم و کاربردی به این دوربین‌ها اضافه شده اند اما اغلب قطعات اضافه پیشرفته و خاص تنها روی دوربین‌های وریفوکال نصب می‌شوند.

تعدد گزینه‌های لنز با فاصله کانونی ثابت

اغلب سازندگان لنزهای فاصله ثابت به‌خاطر ساختار این نوع لنز، عدسی‌های متفاوت با فاصله کانونی‌های متفاوتی را ارائه می‌کنند. هرچند که انعطاف فاصله کانونی در این دوربین‌ها به‌اندازه عدسی‌های واریفوکال نیست، اما می‌تواند برخی از مشکلات ثابت‌بودن فوکوس را جبران کند. باید توجه داشته باشید که همه شرکت‌های تولیدکننده این گزینه را ارائه نمی‌کنند.

تأثیر فاصله کانونی بر اندازه دوربین

لنزهای وریفوکال به علت تعبیه قطعات مختلف برای تغییر فاصله کانونی احتیاج به فضای بیشتری دارند، در نتیجه دوربین خودبه‌خود بزرگ‌تر می‌شود. برای مثال در تصویر زیر یک لنز M12 و یک لنز دوربین PTZ را مشاهده می‌کنیم. 

مشکلات و محدودیت لنزهای دوربین مداربسته

افزایش طول فاصله کانونی لنز سه مشکل عمده به وجود می‌آورد:

1- کاهش کیفیت تصویر: اغلب تراکم پیکسلی و کیفیت تصویر در لنزهای عریض به‌ویژه لنزهای وریفوکال که استفاده از آنها در دوربین‌های نظارتی بسیار رایج است، افت چشمگیری دارد.

2- عملکرد ضعیف در نور کم: معمولاً لنزهای عریض و همچنین لنزهای باریک، نسبت به لنزهای معمولی در بازه 3 تا 10 میلی‌متری نور کمتری از خود عبور می‌دهند.

3- مشکلات عمق میدان: دوربین‌های مداربسته خیلی کم به مشکل «اشیاء خارج از فوکوس عمق میدان» برخورد می‌کنند. این مشکل به علت استفاده از لنزهای باریک پیش می‌آید. همچنین اگر سوژه در فاصله بیشتری نسبت به حد معمول یعنی فاصله 1.5 متری قرار گرفته باشد، کاربر به این مشکل برخورد می‌کند. استفاده از لنزهای عریض روی قابلیت دید در شب تأثیر منفی می‌گذارد.

انتخاب لنز با فاصله کانونی مناسب

هرچه فاصله کانونی لنز کم‌تر شود، وسعت ثبت تصویر بیشتر می‌شود. اما متأسفانه با افزایش وسعت تصویربرداری، جزئیات کمتری ثبت می‌شوند. به همین خاطر افزایش طول عدسی در دوربین‌های با رزولوشن 5 مگاپیکسل، کج‌وکوله و پیکسلی می‌شود. در نتیجه باید توجه داشته باشید که میدان دید لنز را در اندازه مناسبی تنظیم کنید و یا از عدسی مناسب‌تر و یا از رزولوشن بالاتری استفاده کنید.

سخن آخر در مورد مفهوم فاصله کانونی در لنز دوربین مداربسته 

در کاتالوگ و دیتا شیت دوربین‌ها، اعداد مختلفی را دیده‌ایم. ولی همیشه بحث در مورد زاویه دید دقیق دوربین‌های مداربسته زیاد بوده است. در این مقاله کمی در مورد این ابهام و راستی آزمایی با بررسی مفهوم فاصله کانونی لنز دوربین، صحبت کردیم. اگر سوال بیشتر یا ابهامی داشته باشید، خوشحال می‌شویم که با همکاران ما ارتباط گرفته و در خدمت شما باشیم.