Как определить фокусное расстояние: Линзы. Фокусное расстояние — урок. Физика, 9 класс.
Определение фокусного расстояния объектива
Системы безопасности
в Санкт-Петербурге
Главная/Полезная информация/Определение фокусного расстояния объектива
В системах охранного видеонаблюдения одним из важнейших параметров видеокамеры является фокусное расстояние объектива. Именно от фокусного расстояния объектива зависит угол обзора видеокамеры и детализация конкретного объекта наблюдения.
Для определения требуемого фокусного расстояния объектива используют следующие формулы:
где
S – расстояние до объекта слежения
v и h – вертикальные и горизонтальные размеры матрицы, которой оснащена видеокамера
V и H – вертикальный и горизонтальный размер объекта наблюдения
Существует три стандартных размера матриц, которые используются в видеокамерах охранного видеонаблюдения: 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма. На практике наибольшее распространение получил формат матрицы 1/3 дюйма.
Размер матриц различного формата:
Матрица формата 1/2″: по вертикали 4.
Матрица формата 1/3″: по вертикали 3.6 мм, по горизонтали 4.8 мм
Матрица формата 1/4″: по вертикали 2.4 мм, по горизонтали 3.2 мм
Пример:
Необходимо наблюдать за объектом шириной 6 метров (легковая машина) с расстояния 30 метров с использованием видеокамеры с матрицей 1/3″
Вывод: фокусное расстояние объектива должно быть не менее 24 мм
В тестах разных производителей и авторов статей углы обзора объективов, а также расстояния для идентификации объекта могут отличаться. В качестве примера две таблицы ниже. Расчетные данные приводятся для видеокамер с форматом матрицы 1/3″.
Таблица 1
Таблица 2
Полезный совет:
Для конкретного случая в зависимости от поставленных задач и условий, целесообразно использовать объективы с переменным фокусным расстоянием (вариофокальные объективы), а также провести на объекте тестовые испытания различных моделей видеокамер и объективов.
На практике можно отталкиваться от следующих правил:
- дистанция уверенного распознавания знакомого вам человека, выраженная в метрах, примерно соответствует фокусному расстоянию, выраженному в миллиметрах;
- дистанция для идентификации незнакомого человека. Значение фокусного расстояния объектива в миллиметрах примерно равно расстоянию до человека в метрах, деленное на два;
- дистанция для обнаружения человека в поле зрения камеры. Значение фокусного расстояния объектива в миллиметрах примерно равно расстоянию до человека в метрах, помноженное на семь;
- дистанция для распознавания номера автомобиля. Значение фокусного расстояния объектива в миллиметрах примерно в 1,5 раза меньше расстояния до номера автомобиля в метрах;
- для распознавания силуэта человека требуется, чтобы на экране монитора он занял 1/10 часть;
- для идентификации знакомого вам человека его фигура должна занимать 1/3 экрана монитора;
- для идентификации не известного вам лица на экране монитора необходимо отобразить 2/3 высоты человека;
- для распознавания номера автомобиля, номер должен занимать не менее 1/2 части экрана
Назад к списку
Фокусное расстояние, угол обзора и перспектива в фотографии
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОБЪЕКТИВАМ
Фокусное расстояние
Фокусное расстояние
Фокусное расстояние или диапазон фокусных расстояний у зум-объективов — это, как правило, наиболее важная характеристика при выборе объектива для конкретных фотографических целей или жанров съемки.
Фокусное расстояние объектива определяет две важнейших характеристики: коэффициент увеличения и угол обзора.
Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличение, и наоборот. Широкоугольные объективы с коротким фокусным расстоянием дают небольшое увеличение. Это значит, что вам нужно физически подойти ближе к объекту среднего размера, чтобы заполнить им кадр. Также это означает, что крупные объекты также поместятся в кадр, и для того, чтобы их сфотографировать, не нужно отступать от объекта съемки назад. Телеобъективы с длинным фокусным расстоянием дают большое увеличение, поэтому вы можете заполнять кадр объектами, находящимися далеко от камеры.
[1] Задняя (вторая) главная точка объектива [2] Фокусное расстояние [3] Угол обзора (измеряется по диагонали) [4] Фокальная плоскость (плоскость матрицы)
Техническое определение фокусного расстояния
Небольшой технический экскурс и немного математики
Фокусное расстояние объектива определяется как расстояние от задней главной точки до заднего фокуса, когда фокус наведен на бесконечность.
Задняя главная точка — это одна из шести «кардинальных точек», которые используются в качестве характеристик оптической системы (передний и задний фокус, передняя и задняя узловые точки и передняя и задняя главные точки). Задняя главная точка может находиться где угодно: внутри объектива или снаружи в зависимости от оптической конструкции. Поэтому самостоятельно не так-то просто точно измерить фокусное расстояние объектива.
Фокусное расстояние и угол обзора
Угол обзора — это та часть сцены перед камерой, которая попадет на матрицу и становится изображением. В соответствии с более научным определением, это угловой размер сюжета, попадающего на матрицу, измеренный по диагонали. Важно помнить, что угол обзора зависит от фокусного расстояния объектива и формата матрицы камеры. Поэтому угол обзора конкретного объектива на 35-мм полнокадровой камере и камере с матрицей формата APS-C будет разным. Разные объективы с одинаковым фокусным расстоянием всегда будут иметь одинаковый угол обзора при использовании на камерах с одним и тем же форматом матрицы.
Сравнение фокусного расстояния и угла обзора на рисунке иллюстрирует это соотношение для полнокадровых 35‑мм камер и камер формата APS-C.
* Фокусное расстояние, приведенное в скобках: эквивалент фокусного расстояния при использовании с полнокадровыми цифровыми камерами со сменной оптикой
Перспектива
На длинных фокусных расстояниях объекты на переднем и заднем планах изображения часто будут казаться ближе друг к другу, чем на самом деле. Такой эффект иногда называют «сжатием перспективы», однако прямая связь с самим объективом отсутствует. При использовании длиннофокусной оптики фотограф должен находиться далеко от объектов съемки. Поэтому относительно расстояния от камеры до объектов на переднем и заднем планах эти объекты действительно находятся ближе друг к другу. Иными словами, поскольку объекты на переднем и заднем планах находятся достаточно далеко от камеры, их относительный размер на изображении будет близким к реальному. При использовании широкоугольной оптики обычно нужно наоборот подойти ближе к объекту на переднем плане так, чтобы заполнить им кадр.
Поэтому более отдаленные объекты будут выглядеть меньше. Разница в видимой перспективе зависит от расстояния, на котором вы находитесь от объекта съемки.
Фокусное расстояние 24 мм, угол обзора 84 градуса
Фокусное расстояние 300 мм, угол обзора 8 градусов
Вы недавно просматривали
Как рассчитать фокусное расстояние объектива: немного упрощенно
Последние пару дней я участвовал в интересном обмене идеями с Тони Нортрапом об эффективном фокусном расстоянии объектива Canon 70-200mm f/2.8L IS II. объектива, когда он сфокусирован на расстояния, меньшие, чем его установка на бесконечность (т. е. фокусировка дышит). Мы придумывали совершенно разные цифры (мои были представлены в видеоролике в прошлом месяце), и у нас не так много внешних источников, чтобы проверить себя… возможно, потому, что расчет — не очень простой процесс. Итак, если у вас когда-либо возникало желание увидеть, как на самом деле работают ваши линзы или как сильно они дышат, вот как я это делаю, используя несколько инструментов, которые я использую, чтобы сделать это быстрее.
[Обновление: 04.10.2022] Я обновил эту статью, чтобы показать более интуитивно понятный метод, который пытается измерить угол зрения объектива, а не фокусное расстояние напрямую. .
Я также хотел бы услышать ваши результаты использования другой методологии и ваши объяснения этих методов. Было бы здорово, если бы я мог найти метод тестирования, который был бы проще этого и был бы таким же точным или лучше.
Настройка
Для начала установите камеру на штатив возле стены или другой вертикальной поверхности. Измерьте расстояние от центра сенсора камеры до пола (можно использовать вертикальный центр крепления объектива). Мы назовем это H . Затем прикрепите что-то вроде метрической линейки (или метрической измерительной ленты, в зависимости от ширины объектива) вертикально к стене, нижним концом точно на высоте центра сенсора вашей камеры от пола (H). Это просто для установки квадратного угла треугольника.
Также важно убедиться, что камера выровнена по линейке вертикально.
После этого сфокусируйте среднюю точку фокусировки на конце линейки. Поскольку ваша точка автофокусировки, скорее всего, представляет собой прямоугольник, конец линейки должен делить его пополам, деля пополам (если шкала вашей линейки не начинается прямо на конце линейки, то центрируйте первые отметки на шкале в центр точки автофокусировки).
Расстояние от «входного зрачка» объектива до объекта
Сначала определите положение входного зрачка объектива (описано ниже), а затем измерьте это расстояние до стены (X на диаграмме выше). Мне нравится использовать точный лазер измерительная лента. Мой Bosch GLM 50 имеет точность около 1,5 мм, но некоторые другие даже лучше. Если вы будете осторожны и у вас есть помощь, рулетка тоже подойдет, хотя и с меньшей точностью.
Мы назовем это измерение X .
Что такое начальный зрачок?
Мэтью Гор | Свет и материя Это чрезвычайно упрощенная схема того, что представляет собой «оптическое отверстие» линзы. По сути, это точка на пути света к датчику или пленке, с которой начинается угол обзора.В 2016 году у меня была электронная беседа с великим Пьером Тоскани, который действительно прояснил для меня вопрос о том, где проводить измерения со стороны камеры. Входной зрачок объектива — это точка, где начинается угол зрения, и если у вас нет большого количества технических данных о формуле рассматриваемого объектива и вы не разбираетесь в трассировке лучей, лучше всего найти его с помощью экспериментов. .
Фотографы-пейзажисты часто называют входной зрачок «узловой точкой» объектива и используют узловые направляющие на своих камерах при съемке панорам. Если вы снимаете панораму и точка поворота вашей камеры находится прямо под входным зрачком/узловой точкой, вы избежите проблем с параллаксом.
Хотя найти узловую точку относительно просто, это выходит за рамки этой статьи, но уже существует множество хороших руководств.
Вертикальное измерение
Теперь сфокусируйте камеру и сделайте снимок. Если ваша установка не является полностью жесткой, сделайте несколько снимков, чтобы убедиться, что точный центр изображения находится над концом шкалы линейки.
Затем загрузите изображение в Photoshop. Создайте горизонтальную направляющую на 50%. Эта линия должна совпадать с началом шкалы линейки на изображении. Отсюда все просто: посмотрите на верхнюю границу изображения и прочитайте, где линейка выходит из рамки. Это измерение является противоположной стороной треугольника, которую мы назовем 9.0005 Д .
Мэтью Гор | Свет и материя Чтение длины этой линейки на вашем изображении дает вам «Y». Если эта направляющая не совпадает с началом шкалы линейки, отрегулируйте камеру и повторите съемку или, если вам удобно, Инструмент «линейка» в Photoshop, определите, как далеко находится направляющая от начала шкалы, и добавьте или вычтите это значение.
Вы можете не использовать инструмент линейки или делать оценки, центрируя точку автофокусировки на отметке 10 см, а не на самом конце, а затем вычитая 100 мм (плюс или минус) из вашего окончательного измерения, но поскольку это добавляет еще одну возможность для ошибок подкрадываться к процессу, я предпочитаю начинать с 0.
Вычислите угол
Если вы помните свою геометрию, это довольно просто, но еще проще использовать онлайн-калькулятор, такой как этот на EasyCalculation.com.
Настройте выпадающие меню так, чтобы он вычислял угол и сторону гипотенузы, хотя нам нужен только угол.
В поля ниже введите размер по оси X для соседней стороны и размер по оси Y для противоположной стороны и нажмите «Рассчитать». Это даст вам угол, который нам нужен. Мы назовем это А .
Получите фокусное расстояние
Как только вы нашли A , у вас есть половина вертикального угла зрения объектива, поэтому, чтобы получить полный угол зрения, просто удвойте его.
Отсюда проще всего найти соответствующее фокусное расстояние на основе этого угла; в Интернете есть множество стандартизированных таблиц таких вещей, а также инструменты, которые сделают точный расчет.
Мой любимый из них — Wolfram Alpha, точный и гибкий. Нажмите здесь, чтобы увидеть страницу расчета угла зрения объектива Wolfram Alpha.
В примере по умолчанию при расчете предполагается, что мы измеряем с использованием вертикального угла (которым мы и являемся) и полнокадрового датчика размером 35 мм (36 x 24 мм). Если вы используете камеру APS-C или другой размер, введите вертикальный размер сенсора вместо 24 мм. Итак, в вычислительные входные данные вводим угол зрения (А), который мы нашли выше в вычислительных входных данных, и нажимаем «вычислить».
Итак, если вы нашли угол 22 градуса, то расчет вернет 61,73 мм в качестве фокусного расстояния. Wolfram — это образовательный сайт, поэтому при желании вы также можете получить полное пошаговое решение.
Визуальный: За последнюю неделю я искал несколько способов перепроверить свои измерения и убедиться, что то, что я получаю, имеет смысл. Если вы видели мое видео-сравнение объективов Canon и Tamron и их дыхания, то вы видели отрывок из видео Мэтта Грейнджера на эту тему, в котором показано влияние дыхания на его модель во время видеосъемки. Это простое наглядное сравнение, но оно показывает то, что вы ожидаете: поскольку объективы Tamron и Nikon сфокусированы на МФД, объекты становятся меньше, а на Canon — больше.
Я хотел найти способ количественной оценки этого визуального изменения, и статья Боба Аткинса о сфокусированном дыхании подсказала мне, как это сделать. В качестве объектов он использовал звезды, но я живу в Сиэтле, так что это непрактичный вариант (привет, облачное небо). Поэтому вместо этого я использовал два небольших светодиодных источника света и сделал следующее:
Я сделал недоэкспонированный снимок с диафрагмой f/22 (чтобы уменьшить боке/кружок нерезкости) с датчиком камеры на расстоянии около 26 футов от объектива.
Затем я сфокусировал объектив примерно на 12 футов (используя индикатор дальности на объективе), но не двигал камеру . Идея здесь состоит в том, чтобы получить тот же эффект, что и у Мэтта Грейнджера, когда он переключает фокус своего объектива в своем видео, но на некоторых расстояниях, которые я могу измерить.
Затем я сделал снимок с объективом, сфокусированным на 7 футов и 5 футов.
Результаты можно увидеть на этой гифке:
Мэтью Гор | Свет и материя (нажмите, чтобы анимировать) Как видите, я загрузил эти изображения в Photoshop, установил направляющие, чтобы отметить центры каждого источника света (проще, чем я ожидал, попасть в несколько пикселей от центра), а затем использовал линейку.
Но и без цифр видно, что огоньки расходятся; вовлеченные расстояния не особенно тонки. В этом можно убедиться, просто взглянув в объектив и покрутив фокус. (Обратите внимание, что ЦЕНТРЫ источников света расходятся, а не только края. Если бы я просто открыл диафрагму, чтобы увеличить размер размытия, мы бы увидели результаты, имитирующие то, что вы ожидаете от дыхания с нулевым фокусом) .
Но мы можем посмотреть и на числа, вот они в виде таблицы:
| Расстояние (в пикселях) | % от 4041 |
|---|---|
| 4041 | 100% |
| 4230 | 104,68% |
| 4524 | 111,95% |
| 4910 | 121,50% |
После этого я вернулся и измерил фокусное расстояние объектива на каждом из этих расстояний от объекта, используя оригинальный метод, описанный выше.
Мои измеренные фокусные расстояния были:
| Измеренное фокусное расстояние @ 26, 12, 7 и 5 футов | % от 199,6 мм |
|---|---|
| 199,6 мм | 100% |
| 206,2 мм | 103,3% |
| 216,0 мм | 108,2% |
| 248,9 мм | 124,7% |
Теперь взгляните на сравнение этих двух наборов чисел.
| Расстояние (пиксели) | % начальной точки | Фокусное расстояние | % начальной точки |
|---|---|---|---|
| 4041 | 100 % | 199,6 мм | 100 % |
| 4230 | 104,68% | 206,2 мм | 103,3% |
| 4524 | 111,95% | 216,0 мм | 108,2% |
| 4910 | 121,50% | 248,9 мм | 124,7% |
Конечно, они не идеально подходят друг другу, но отчасти причина этого в том, что во втором измерении было много места для небрежности; Мне пришлось установить фокус на 7 футов, глядя на окошко индикатора дальности на объективе, а не фокусируясь, например, на чем-то.
Но они все еще довольно близки… худшая разница составляет около 3,75%.
Это означает, что из двух наших разных методов, в одном из которых камера стационарна на расстоянии 26 футов от цели, а в другом камера перемещается на расстояние не более 5 футов от цели, числа хорошо дополняют друг друга.
Некоторые утверждают, что Canon 70-200 f/2.8L и IS II вообще не дышат. Если бы это было так, то оба этих набора измерений должны были бы отличаться не менее чем на 20% на отметке 5 футов, но вряд ли вообще на конце 26 футов!
Вопросы? Проблемы?
Я измерил таким образом несколько линз, каждую линзу несколько раз, и все цифры оказались такими, как я и ожидал (после небольшого замешательства в одном случае). Это не моя формула, но уравнение достаточно простое и, безусловно, имеет для меня смысл. Тем не менее, я, безусловно, открыт для возможности того, что есть ошибка или что в нем не хватает чего-то, что сделало бы его более точным. Если это так, и вы можете мне это объяснить, я был бы очень признателен.
Пожалуйста, дайте мне знать в комментариях ниже!
С другой стороны, если мне что-то непонятно в отношении какого-либо шага описанной выше процедуры, не стесняйтесь спрашивать. Удачи!
Расчет фокусного расстояния объектива | Как рассчитать фокусное расстояние
В любом промышленном приложении для обработки изображений перед нами стоит задача выбора нескольких основных компонентов для решения поставленной задачи. Первая — это промышленная камера, а вторая — объектив для получения заданного изображения. Во многих случаях рабочее расстояние нашего объектива ограничено, и, возможно, придется установить камеру ближе или дальше от плоскости объекта. После установки это определяет наше рабочее расстояние (WD) для объектива. Кроме того, у нас есть заданное поле зрения (в основном размер изображения) нужного объекта.
Чтобы правильно выбрать объектив с фокусным расстоянием, которое указывается в миллиметрах (т.е. фокусное расстояние 25 мм), нам нужна дополнительная информация о сенсоре камеры.
В этом упражнении мы хотим изобразить объект, который находится на расстоянии 400 мм от передней части объектива до объекта, и нам нужно поле зрения 90мм.
Мы выбрали камеру с сенсором Sony Pregius CMOS IMX174. При этом используется формат 1/1,2″ размером 10,67 мм x 8 мм.
На данный момент у нас есть следующие известные значения:
Поле зрения (FOV) = 90 мм
Рабочее расстояние (WD) = 400 мм
Размер сенсора = 9102617 мм 90 мм горизонтальное поле зрения, в свою очередь, используйте горизонтальный размер датчика
Основная формула для расчета фокусного расстояния объектива выглядит следующим образом:
FL = (размер сенсора * WD) / FOV
Используя значения из нашего приложения,
FL = (10,67 мм * 400 мм) / 90 мм
FL = 47,4 мм
Объективы доступны только в готовом виде.
различных фокусных расстояний (например, 25 мм, 35 мм, 50 мм), поэтому этот расчет является теоретическим и может потребовать итерации для настройки рабочего расстояния. В качестве альтернативы, если ваше приложение может иметь немного меньшее или большее поле зрения, может подойти объектив с ближайшим фокусным расстоянием для вашего расчета.
1st Vision немного упростил расчет фокусного расстояния объектива! Как и в инженерном деле, полезно знать базовые формулы, но в практическом плане хотелось бы упростить жизнь с помощью инструментов
Наш калькулятор объективов вы найдете ЗДЕСЬ. В качестве альтернативы при выборе камеры вы найдете значок справа, который автоматически заполнит калькулятор. Ниже короткое видео, показывающее, как пользоваться этим ресурсом со страниц камеры.
Несколько дополнительных соображений при выборе объектива:
- Объективы имеют минимальное рабочее расстояние (MOD), поэтому это следует учитывать при рассмотрении настроек объектива.
