Tìm Hiểu Tiêu Cự Là Gì Và Mối Liên Hệ Giữa Tiêu Cự & Góc Nhìn Của ...

Ống kính camera quyết định đến góc giám sát và tầm xa giám sát của camera an ninh. Ống kính camera an ninh cố định thường có tiêu cự từ 2.8mm đến 100mm. Khi bạn mua bất cứ camera an ninh, có những thông số nhất định bạn cần chú ý. Cụ thể mà chúng tôi nói đến ở đây là ống kính camera. Đó là loại cố định hay tùy chỉnh tiêu cự, độ dài của nó bao nhiêu và vì thế, góc quan sát, tầm xa quan sát như thế nào. Trong hầu hết các hướng dẫn sử dụng hay tài liệu kỹ thuật thường không nói đến góc mở mà chỉ ghi thông số tiêu cự thay cho góc mở.

1. Tiêu cự là gì?

• Tiêu cự (Focal length) là khoảng cách tính từ tâm thấu kính đến điểm hội tụ.
• Tiêu cự còn được gọi là khoảng cách tiêu cự hoặc độ dài tiêu cự. Tiêu cự có đơn vị tính bằng milimet.

2. Điểm hội tụ là gì?

• Điểm hội tụ (Imaging point) là điểm là chùm ảnh hội tụ tại vị trí đó. Nói cách khác, điểm hội tụ chính là nơi mà hình ảnh có độ nét cao nhất.
• Điểm hội tụ là điểm phụ thuộc vào ống kính (thấu kính), không thể tự nhiên thay đổi được.

Tiêu cự của ống kính camera (Lens Focal Length) là gì?

Tiêu cự (Lens Focal Length) là một khái niệm không thể tách rời với ống kính của camera, vì vậy nó còn được gọi là tiêu cự ống kính camera (Lens Focal Length). Tùy thuộc vào loại vật liệu, độ lồi / lõm, cách chế tạo và lắp ghép mà mỗi ống kính sẽ có tiêu cự hoàn toàn khác nhau.

Dựa vào khái niệm cơ bản về tiêu cự là gì (ở phần trên), phần này tiếp theo chúng ta sẽ cùng tìm hiểu tiêu cự camera là gì, có bao nhiêu loại ống kính và ứng dụng tiêu cự như thế nào…

1. Tiêu cự camera là gì?

• Tiêu cự camera (tiêu cự ống kính – Lens Focal Length) là khoảng cách giữa ống kính và vị trí của cảm biến hình ảnh của camera. Tiêu cự thường có đơn vị tính là milimet (mm).
• Tiêu cự không phải là phép đo chiều dài thực tế của ống kính camera, mà đây là khoảng cách quang học tính từ tâm của ống kính đến điểm mà các tia sáng hội tụ để tạo thành hình ảnh sắc nét nhất của vật thể. Đây cũng là mặt phẳng đặt cảm biến CMOS trong camera quan sát.

2. Đặc điểm của tiêu cự camera là gì?

• Độ dài tiêu cự càng lớn, góc nhìn càng hẹp và độ phóng đại càng cao.
• Độ dài tiêu cự càng ngắn, góc nhìn càng rộng và độ phóng đại càng thấp.

Nếu đối chiếu với định nghĩa tiêu cự là gì ở phần lý thuyết bên trên thì chúng ta sẽ thấy:

• Độ dài tiêu cự (của ống kính camera) = khoảng cách tiêu cự
• Vị trí đặt chipset cảm biến (của ống kính camera) = vị trí của điểm hội tụ
• Ống kính camera (camera ‘s lens) là tập hợp các thấu kính được lắp bên trong camera. Tùy vào chủng loại, chức năng mỗi camera mà nhà sản xuất sẽ lắp 1 hoặc nhiều thấu kính hội tụ ở bên trong.
• Tất nhiên để hình ảnh rõ nét nhất thì nhà sản xuất sẽ đặt cảm biến hình ảnh (cảm biến CMOS chipset) luôn được đặt đúng vị trí điểm hội tụ hình ảnh.

Với người làm việc chuyên ngành camera quan sát, camera giám sát thì nhận định về tiêu cự của ống kính chính xác sẽ giúp cho công việc tốt đẹp và tránh được những trục trặc không đáng có.

• Những trục trặc như là loại camera quan sát dự tính lắp đặt cho hiện trường, với phạm vi quan sát rộng trên 15m hoặc mục tiêu quan sát cách xa trên 12m, nhưng lại đưa loại camera quan sát có ống kính mở rộng 3.6mm vào sử dụng, tất nhiên hình ảnh từ ống kính mở rộng chỉ nhìn bao quát và không cho thấy được rõ bất cứ mục tiêu nào .
• Nhiều trường hợp, loại camera quan sát này không thể thay thế ống kính (hoặc không có ống kính để thay thế) sẽ mang lại sự thất bại không đáng có trong công việc.
• Hình minh họa bên dưới cho thấy, cùng một phạm vi khu vực quan sát không thay đổi khoảng cách từ camera quan sát đến mục tiêu, sử dụng với ống kính tiêu cự khác nhau sẽ áp dụng thích hợp cho các mục tiêu quan sát khác nhau để có hiệu quả nhất.
• Phạm vi quan sát rộng trên 15m hoặc mục tiêu quan sát cách xa trên 12m, nhưng lại đưa loại camera quan sát có ống kính mở rộng 3.6mm vào sử dụng, tất nhiên hình ảnh từ ống kính mở rộng chỉ nhìn bao quát và không cho thấy được rõ bất cứ mục tiêu nào .
• Nhiều trường hợp, loại camera quan sát này không thể thay thế ống kính (hoặc không có ống kính để thay thế) sẽ mang lại sự thất bại không đáng có trong công việc.

Hình minh họa bên dưới cho thấy, cùng một phạm vi khu vực quan sát không thay đổi khoảng cách từ camera quan sát đến mục tiêu, sử dụng với ống kính tiêu cự khác nhau sẽ áp dụng thích hợp cho các mục tiêu quan sát khác nhau để có hiệu quả nhất.

Tiêu cự ống kính và FoV / AoV

Độ dài tiêu cự ống kính là khoảng cách vật lý giữa ống kính và cảm biến. Đây là thông số rất quan trọng trong giám sát bởi nó là yếu tố trực tiếp liên quan đến FOV và AOV (vùng quan sát/ góc quan sát).

Góc nhìn (The angle of view - AOV)

Tiêu cự là một thông số có liên quan chặt chẽ đến góc nhìn của camera. Nói cách khác, khi thay đổi tiêu cự thì góc nhìn sẽ bị thay đổi hoàn toàn. Vậy góc nhìn là gì và vì sao lại như vậy?

1. Góc nhìn là gì?

Góc nhìn (hay còn gọi là góc quan sát) của camera là độ rộng hoặc phạm vi của quang cảnh mà cảm biến camera có thể nhìn thấy được, được gọi là 1 góc nhìn. Góc nhìn rộng thì camera sẽ nhận được nhiều khung cảnh hơn, ngược lại góc nhìn hẹp sẽ thu được ít khung cảnh hơn.

2. Mối liên hệ giữa tiêu cự và góc nhìn của camera

Sự liên quan giữa tiêu cự và góc nhìn

Góc nhìn sẽ bị thay đổi khi ta thay đổi tiêu cự. Cụ thể khi thay đổi ống kính, thay đổi vị trí giữa các ống kính (đối với camera có nhiều ống kính) thì chắc chắn tiêu cự camera sẽ bị thay đổi.

Sự liên quan giữa tiêu cự và góc nhìn:

• Tiêu cự càng nhỏ => Góc nhìn càng rộng
• Tiêu cự càng lớn => Góc nhìn càng HẸP

Sự liên quan giữa tiêu cự và góc nhìn của camera quan sát

3. Giải thích vì sao tiêu cự nhỏ thì góc nhìn lớn và ngược lại?

3.1 Tiêu cự nhỏ thì góc nhìn lớn (nhưng chỉ nhìn gần):

Ở hình minh hoạ bên dưới, giả sử kích thước cảm biến là không đổi, khi bạn thu hẹp khoảng cách tiêu cự (tức dời cảm biến lại gần về phía ống kính) thì góc nhìn sẽ tăng dần lên.

=> Như vậy có thể hiểu: Tiêu cự NHỎ thì góc nhìn LỚN

Tiêu cự nhỏ thì góc nhìn lớn (nhưng khoảng cách ngắn)

Ưu điểm:

• Góc quan sát của camera rộng
• Quan sát nhiều vật thể và bao quát được không gian gần.

Nhược điểm:

• Do góc quan sát rộng (tương tự ống kính wide trên máy ảnh) nên camera chỉ quan sát rõ nét các vật thể ở khoảng cách gần.
• Với các vật thể ở xa thì hình ảnh sẽ rất mờ, thậm chí không nhìn thấy được.

3.2 Tiêu cự lớn thì góc nhìn hẹp (nhưng nhìn được xa):

Ngược lại với phân tích trên, bây giờ khi bạn dời cảm biến về phía xa ống kính (tức tăng độ dài tiêu cự) thì lập tức góc nhìn camera sẽ bị thu hẹp lại.

=> Như vậy có thể hiểu: Tiêu cự TĂNG thì góc nhìn càng HẸP

Tiêu cự lớn thì góc nhìn bị nhỏ (nhưng nhìn xa rõ nét hơn)

Ưu điểm:

• Ống kính tiêu cự lớn có thể quan sát các vật thể ở khoảng cách rất xa, lấy nét tốt ở khoảng cách xa.
• Vì vậy khi zoom lên hình ảnh sẽ không bị mất nét.

Nhược điểm:

• Ống kính tiêu cự quá lớn sẽ không quan sát bao quát được không gian gần, trái lại camera chỉ quan sát được góc nhìn rất HẸP.
• Tiêu cự lớn tương tự như bạn đang sử dụng ống kính tele cho máy ảnh vậy.

3.3 Hình ảnh so sánh ống kính tiêu cự nhỏ và tiêu cự lớn

Các loại ống kính thông dụng Hiện nay, camera giám sát thường sử dụng các loại ống kính có tiêu cự như sau:

• Fisheye (camera mắt cá) – thường sử dụng ống kính có tiêu cự dưới 2mm, tuy nhiên điều này sẽ khiến hình ảnh bị méo và biến dạng, do vậy dòng camera này sẽ được trang bị thêm phần mềm dewarping đóng vai trò chỉnh sửa hình ảnh, khiến hình ảnh thu được thực tế hơn.
• ‘Camera thông thường’ – 3mm ~ 10mm: Ống kính mặc định của những dòng camera này thường có tiêu cự từ 3 đến 10mm (cho vùng quan sát từ 30° đến 80°)
• Telephoto – 10mm ~ 80mm: Hầu hết mọi dòng camera thường không đi kèm với ống kính có tiêu cự cỡ này, tuy nhiên có khá nhiều dòng ống kính C/CS được cung cấp bởi bên thứ 3.
• Super Telephoto – 100mm+: Ống kính có tiêu cự lớn cỡ này thường được sử dụng cho các mục đích quan sát đối tượng ở rất xa (khoảng từ 1 ~ 5km, thậm chí xa hơn.)

Các hạn chế của việc sử dụng ống kính Các hạn chế có thể phát sinh khi sử dụng ống kính có tiêu cự quá dài:

• Suy giảm chất lượng hình ảnh: Sử dụng ống kính có tiêu cự quá nhỏ khiến góc nhìn trở nên quá rộng lớn, với cùng 1 mức độ phân giải, hình ảnh sẽ bị vỡ hơn nhiêu so với sử dụng ống kính hợp lý.
• Suy giảm hiệu suất quan sát trong điều kiện thiếu sáng: Sử dụng ống kính có tiêu cự lớn để quan sát với khoảng cách quá xa, trong khi hệ thống đèn hồng ngoại lại chỉ cho phép chiếu sáng ở khoảng cách nhất định, do vậy làm giảm hiệu quả sử dụng của hệ thống.
• Vấn đề về chiều sâu của cảnh quan sát: Sử dụng ống kính có tiêu cự không phù hợp sẽ khiến camera không thể lấy nét được khi quan sát các vật thể quá xa hoặc quá gần, dẫn đến việc không thể quan sát được vật thể một cách rõ nét nhất.
• Kích thước của ống kính camera an ninh

Kích thước của thiết bị hình ảnh cũng ảnh hưởng đến góc nhìn, với các thiết bị nhỏ hơn tạo ra góc hẹp hơn khi được sử dụng trên cùng một ống kính. Định dạng của ống kính không liên quan đến góc nhìn. Điều này cũng có nghĩa là camera ống kính 1/3 ” có thể sử dụng toàn bộ các ống kính từ 1/3″ đến 2/3 “, với một camera ống kính 1/3 “có độ dài tiêu cự là 8mm cho cùng một góc như một ống kính 2/3” độ dài tiêu cự 8mm. Sự kết hợp sau này cũng cung cấp độ phân giải tăng lên và chất lượng hình ảnh vẫn được giữ nguyên.

Lựa chọn ống kính có tiêu cự phù hợp

• Sử dụng ống kính càng ngắn càng có thể quan sát được diện tích rộng lớn, tuy nhiên, độ chi tiết của cảnh cũng vì thế mà suy giảm. Thậm chí đối cả với những dòng camera mắt cá có độ phân giải megapixel, với vùng quan sát quá lớn như vậy sẽ gây ra hình ảnh bị mờ hoặc nhòe nếu đối tượng đứng quá gần.
• Cách đơn giản để khắc phục vấn đề này đó là tính toán sao cho FoV của camera không quá rộng hơn với vùng bạn đặc biệt cần quan sát. Tuy nhiên điều này có thể sẽ gây khó khăn bởi chúng ta thường muốn quan sát với diện tích lớn nhất có thể trong khi chỉ sử dụng số lượng camera ít nhất.

Như trên đã phân tích, việc sử dụng ống kính hợp lý sẽ cho góc nhìn phù hợp. Ví dụ trong không gian hẹp, bạn muốn quan sát được khung cảnh nhiều nhất có thể thì thay vì dùng ống kính mặc định của camera là 3.6mm, bạn hãy thay thế bằng ống kính 2.8mm sẽ cho góc nhìn rộng hơn.

Xem thêm :

• Tìm hiểu về kĩ thuật công nghệ chuyên ngành CCTV
• Tìm hiểu giải pháp về công nghệ nhà thông minh
• Tìm hiểu tốc độ khung hình trong camera giám sát (Frame rate in CCTV)