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Bildqualität mit dem richtigen Objektiv.

 

In der Videoüberwachung ist die Bildqualität ausschlaggebend, besonders wenn anhand eines aufgezeichneten Videos Gesichter erkannt, Kfz-Kennzeichen identifiziert, oder das Material für eine automatisierte Bildanalyse verwendet werden soll. Wir sind der Auffassung, dass der Erwerb einer Kamera, die für die richtigen Objektiv- und Sensorkomponenten speziell entworfen und gebaut wurde, eine Garantie für den Erfolg ihrer Funktion ist.

Angesichts der großen Vielzahl von Netzwerk-Videokameras auf dem Markt ist die Kamera mit den besten technischen Spezifikationen und fortschrittlichsten Funktionen nicht immer die beste Wahl für eine bestimmte Aufgabe. Wenn wir sicherstellen, dass ein Objektiv auf die Anforderungen eines bestimmten Kameratyps wie auch des Systems und der Anwendungen korrekt abgestimmt ist, bieten wir die besten Bedingungen für Kamera und Benutzer.

Letztlich ist die Wahl der richtigen Kamera mit dem richtigen Objektiv in Hinblick auf ihre geplante Verwendung und nach Prüfung ihrer maximalen Leistungsfähigkeit der wichtigste Schritt.

 

Was bedeutet ein Objektiv?

Das Objektiv ist eine Komponente eines sehr komplizierten und fein aufeinander abgestimmten Systems. Allerdings ist diese Komponente ausschlaggebend für die bestmögliche Bildqualität. Was aber macht ein Objektiv, und wie beeinflusst es die Gesamtleistung der Kamera?

Wie bei jeder Kamera – sei es bei Ihrem Mobiltelefon oder ihrer digitalen Spiegelreflexkamera – definiert das Objektiv den Blickwinkel und ermöglicht den Lichteintritt. Diese Informationen werden dann an den Sensor und die anderen Komponenten übermittelt, damit das Bild als Endprodukt erstellt werden kann.

Der Lichteintritt wird durch den f-Stop beeinflusst, ein Maß für die Lichtstärke eines Objektivs. Mit der Iris wird das Objektiv geöffnet oder geschlossen, wodurch die Menge des eintretenden Lichts gesteuert wird, das den Sensor erreicht.  Aufgrund der Zusammensetzung der Linsen im Objektiv kann die Kamera durch Verschiebung dieser Elemente auf ein Objekt scharf stellen.

Jede Komponente einer Kamera und ihre Interaktion mit anderen Komponenten sind ausschlaggebende Faktoren bei der Bestimmung der Kameraleistung.

 

Bei einer Megapixel-Kamera ist immer ein Objektiv hoher Qualität erforderlich, da die Pixelgröße von Megapixel-Sensoren viel geringer als die von VGA-Sensoren ist. Es ist von kritischer Bedeutung, dass die Auflösung des Objektivs genau auf den Sensor und die Bildverarbeitung abgestimmt wird, damit die Möglichkeiten der Kamera voll genutzt werden können.

Das Objektiv muss auch auf den Bildsensor abgestimmt werden. Wenn ein Objektiv für einen kleineren Bildsensor gefertigt wurde als den, der in der Kamera eingebaut ist, dann bekommt das Bild schwarze Ecken. Wenn ein Objektiv für einen größeren Bildsensor gefertigt wurde als den, der in der Kamera verwendet wird, dann ist das Sichtfeld kleiner als das des Objektivs und ein Teil der Bildinformation bleibt ungenutzt.

In Bezug auf die Objektivfassung gibt es zwei wichtige Standards für Netzwerk-Kameras: die CS-Fassung und die C-Fassung. Beide haben ein Gewinde von 25,4 mm Durchmesser und sehen gleich aus, doch wenn sie auf die Kamera geschraubt werden, sind die Abstände zwischen Sensor und Objektiv unterschiedlich.

In Situationen mit schwachem Licht ist die Lichtstärke des Objektivs bei Netzwerk-Kameras ein wichtiger Faktor, der betrachtet werden muss. Diese wird durch die Blendenzahl (auch f-Zahl oder f-Stop) angegeben, mit der definiert wird, wieviel Licht durch ein Objektiv gelangt. Wenn schwaches Licht herrscht, produziert gewöhnlich eine kleinere Blendenzahl eine bessere Bildqualität, da dann die Lichtstärke des Objektivs besser ist.

Die Fähigkeit, die Irisblende einer Kamera zu steuern, spielt auch eine wichtige Rolle bei der Bildqualität. Mithilfe der Iris können auch die Auflösung und Schärfentiefe optimiert werden. Diese Kriterien sind für Videoüberwachungen wichtig, wenn zum Beispiel ein Gang oder Korridor kontrolliert werden soll.

 

Feineinstellung des Aufbaus

Besonders bei Megapixel-Kameras erreicht die Bildqualität eine Stufe, wo es nicht mehr ausreicht, das Objektiv auf den Bildsensor, die Fassung, Lichtbedingungen und Kamera-Auflösung abzustimmen. Es gibt auch andere Faktoren, welche die fein eingestellte Interaktion zwischen Objektiv und den anderen Kamera-Komponenten beeinflussen können. Werden diese ignoriert, dann kann selbst ein kleines Detail bedeuten, dass die Kamera nicht die erwartete Bildqualität liefert.

Beginnen wir damit, dass die Objektivhersteller unterschiedliche Kriterien zur Spezifikation eines Objektivs heranziehen. So sind die Megapixel-Angaben meist nicht vergleichbar. Daher führt das F&E-Team bei Axis eigene Messungen mit einem MTF-Gerät (Modulation Transfer Function) durch.

MTF ist die am weitesten verbreitete Methode, die Auflösung eines Objektivs zu beschreiben. Sie bezieht sich auf die Fähigkeit eines Objektivs, ein Bild mit abwechselnd schwarzen und weißen Linien mit bekanntem Abstand auf der Bildebene zu reproduzieren.

Das MTF-Gerät kann zusätzlich zur Messung der Auflösung auch noch die Verzerrung, Farbabweichung und Bildfeldkrümmung messen, die alle wichtige und zu beachtende Parameter für die Optimierung eines Systems sind.

Die tatsächliche Sensorgröße variiert ebenfalls von Hersteller zu Hersteller und von Sensortyp zu Sensortyp. Zwei Bildsensoren mit derselben Größenangabe sind dennoch nicht unbedingt gleich groß. Wenn die Objektivtoleranz zu gering ist, dann können im Bild schwarze Ecken erscheinen.

Objektive haben unterschiedliche Fassungen und ragen unterschiedlich weit in die Kamera hinein. Wenn der Teil des Objektivs, der in das Kameragehäuse eingeführt wird, zu lang ist, kann es andere Komponenten in der Kamera beschädigen. Dies ist einer von vielen Parametern, die bei der Auswahl eines korrekten optischen Formats zu beachten sind.

Die Neigungstoleranz ist eine weiterer wichtiger Faktor. Um ein scharfes Bild bis in seine Ecken zu erhalten, muss die optische Achse im rechten Winkel zur Sensoroberfläche stehen. Objektiv und Kamera haben jedoch eine leichte Neigung. Daher sind zusätzliche Messungen und Tests erforderlich um sicherzustellen, dass ein ausgewähltes Objektiv und die Kamera tatsächlich miteinander kompatibel sind.

Unterschiedliche Temperaturen können sich auf die Kamera-Komponenten unterschiedlich auswirken. Jede Komponente muss als Teil eines Systems angesehen werden, das perfekt aufeinander abgestimmt ist. Es hängt vom Objektiv ab, wie sich die Ausrichtung des Sensors bei einer bestimmten Temperatur ändert. Wird ein falsches Objektiv verwendet oder ein Objektiv durch ein anderes ersetzt, kann die Bildschärfe beeinträchtigt werden.

 

Optimierung der Glas- und Bildpipeline

Wieviel Glas sich in der Kamera zwischen Objektiv und Sensoroberfläche befindet, muss auch auf den Bemessungswert des Objektivs abgestimmt werden. Bei Kameras mit höheren Auflösungen wird dieser Aspekt immer wichtiger. Optimiert man diese Glasmenge nicht, wird das Videobild „milchig?.

In ähnlicher Weise muss die gesamte Bildverarbeitungs-Pipeline in der Kamera einschließlich des Objektivs in Hinblick auf die Auflösung, den Kontrast, die Farbwiedergabe und Verstärkungseffekte zugeschnitten und optimiert werden. Andernfalls wird die Bildqualität beeinträchtigt.

So müssen z. B. Effekte wie Phantombilder oder Lichtreflexe, die sich aus der Kombination von Objektiv, Filter und Sensor ergeben können, minimiert werden, um so die Bildqualität einer Kamera, besonders wenn sie einen großen Dynamikbereich hat, zu optimieren. Es gibt Testgeräte, die speziell dafür konstruiert worden sind, diese Effekte zu messen. Sie tragen dazu bei, die beste Objektiv-Filter-Sensor-Kombination zu ermitteln.

Bei Tag- und Nachtkameras wird ein Objektiv benötigt, das genügend infrarotnahes (NIR) Licht zurückhält. Da die Auflösung eines Objektivs herstellerabhängig ist, hat jeder Hersteller seine eigenen Kriterien für die Bestimmung, welche Auflösung im NIR-Bereich nötig ist. Unter Verwendung eines MTF-Geräts zur Messung der tatsächlichen Auflösung ist es möglich, eine optimale Kombination von Sensor und Objektiv herauszufinden, die Tag und Nacht gute Ergebnisse erzielt.

Eine weitere Herausforderung beim separaten Erwerb eines Objektivs ist die Kombination. Objektive sollte stets in einem speziellen Reinraum montiert werden, damit kein Staub in die Kamera und auf den Sensor gelangt. Installateure und Kunden haben normalerweise keinen Zugang zu Reinräumen. Daher können sie die Bildqualität durch Staub oder Verschmutzung beeinträchtigen, was sich als störende „Punkte? auf dem Bild erweist.

Abgesehen von den Qualitätseinbußen, die sich durch Verwendung eines falschen Objektivs oder allein durch den Austausch von Objektiven ergeben können, entsteht auch noch ein Support-Problem. Den Kameraherstellern dürfte es schwer fallen, bei Problemen der Bildqualität Unterstützung zu bieten, wenn das Objektiv separat erworben und auf die Kamera montiert worden ist, denn es könnte sich als schwierig erweisen festzustellen, ob ein Problem auf das Objektiv oder auf die Kamera zurückzuführen ist.