Những điều cần biết về tiêu cự ống kính camera

Trong bài viết này, chúng ta cùng xem xét đến những vấn đề sau:

• Ảnh hưởng của độ dài tiêu cự.
• Tác động từ kích cỡ của cảm biến.
• Các loại ống kính tiêu cự cố định thông dụng và cách sử dụng chúng.
• Các hạn chế trong việc sử dụng ống kính tiêu cự cố định.
• Tỉ lệ nghịch giữa độ dài tiêu cự ống kính và góc mở.
• Cách chọn ống kính có tiêu cự phù hợp.

Thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn địa điểm lắp đặt camera cũng như yếu tố về vùng quan sát (FOV) (có thể hiểu tương tự như góc mở).

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).

Sự tác động của tiêu cự trong ống kính

Ống kính có tiêu cự càng lớn sẽ khiến vùng quan sát (góc mở) càng hẹp, ngược lại ống kính có tiêu cự càng nhỏ, vùng quan sát càng rộng lớn. Đây là một nguyên tắc vật lý bắt nguồn từ khoảng cách giữa ống kính và cảm biến, bạn có thể theo dõi hình ảnh dưới đây:

Ống kính có tiêu cự càng dài, đồng nghĩa với việc ống kính càng xa cảm biến, điều này sẽ khiến vùng quan sát càng bị hẹp hơn:

Tương tự như vậy, nếu ống kính có tiêu cự ngắn hơn, cảm biến và ống kính sẽ gần nhau hơn, điều này giúp camera có thể quan sát được vùng rộng lớn hơn:

Tác động từ kích cỡ cảm biến.

Ngoài yếu tố về độ dài tiêu cự ống kính, kích thước của cảm biến hình ảnh cũng là một yếu tố tác động tới FOV (các loại kích cỡ cảm biến thông dụng như: ¼”,1/3”,1/2,8’’….). Với mọi yếu tố như nhau, cảm biến có kích cỡ càng lớn, vùng quan sát sẽ càng rộng và ngược lại.

Quy tắc – tiêu cự vs AoV

Cảm biến kích cỡ 1/3” là loại cảm biến được sử dụng phổ biến nhất, đối với loại cảm biến hình ảnh này, chúng ta có thể xác định được góc mở của từng loại ống kính có độ dài tiêu cự khác nhau:

• 3mm – 77°
• 6mm – 44°
• 12mm – 23°
• 20mm – 13.7°
• 50mm – 5.5°

Bạn có thể sử dụng công cụ sau để tính toán:  using the IPVM calculator.

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.

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. Và để giải quyết vấn đề này, sử dụng phương pháp PPF (pixel per foot) sẽ là một cách hiệu quả nhất để có thể tính toán sao cho vùng quan sát trên camera được rộng nhất mà vẫn không làm giảm chi tiết của các vật thể nằm trong vùng này. Để hiểu rõ hơn về phương pháp PPF, vui lòng đọc bài hướng dẫn về PPF trong các số tới.