ความคมชัดของกล้องวงจรปิด

ระยะชัดของกล้องวงจรปิด

เลนส์กล้องวงจรปิด เมื่อโฟกัสไปยังวัตถุ ในทางทฤษฏีแล้วพื้นระนาบทั้งหมดที่ผ่านวัตถุและแนวตั้งฉากกับ optical axis ควรที่จะอยู่ในโฟกัส

ในทางปฏิบัติแล้ว วัตถุที่อยู่ข้างหน้าและข้างหลังวัตถุในโฟกัสเล็กน้อยจะดูคมชัดมากขึ้น ความคมชัดที่  “เพิ่มขึ้น”  นี้จะถูกเรียกว่าระยะชัดลึก (depth of field)   

ระยะชัดลึกที่กว้างอาจจะเป็นคุณสมบัติที่เราไม่ต้องการ อย่งเช่น เมื่อเราต้องการวัตถุที่เราถ่ายรูปอยู่ให้แยกออกมาจากพื้นหน้าและพื้นหลัง นี่เป็นคุณสมบัติเมื่อถ่ายในแนวตั้งพร้อมกับเลนส์ เมื่อระยะชัดลึกแคบมาก

แต่ทว่าเราต้องการผลกระทบที่ตรงกันข้าม เราต้องการให้มีวัตถุที่อยู่ในโฟกัสให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ไม่ว่าระนาบของการโฟกัส (focusing plane)

ที่แท้จริงจะอยู่ที่ไหน  ระยะชัดลึกจะขึ้นอยู่กับทางยาวโฟกัสของเลนส์ตัวนั้น ค่า F-stop และรูปแบบขนาดของเลนส์ (เช่น 2/3 นิ้ว, 1/2 นิ้ว เป็นต้น)

กฏทั่วไปนั้นก็ คือ ยิ่งทางยาวโฟกัสสั้นลง ระยะชัดลึกจะยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้น ค่า F-stop สูงขึ้นเท่าไหร่ ระยะชัดลึกจะกว้างขึ้นตาม และรูปแบบขนาดของเลนส์เล็กลงเท่าไหร่ ระยะชัดลึกจะขยายมากขึ้นตาม

ความคมชัดของกล้องวงจรปิด

 

 

แนะนำอ่านเพิ่มเติม : 1.  ฮาร์ดดิสกล้องวงจรปิด

                         2.  เลนส์กล้องวงจรปิด

ผลกระทบของระยะชัดลึกจะถูกอธิบายได้ด้วย circles of confusion (จุดหรือวงกลมที่สายตาคนแยกไม่ออก เนื่องจากเลนส์ถ่ายทอดจุดให้เป็นภาพของจุดได้เพียงแค่ระนาบเดียว)

ที่ยอมรับได้ circle of confusion ที่ยอมรับได้คือวงกลมที่ถูกฉายถึงระยะชัดลึกของพื้นที่ ถ้าส่วนที่เล็กที่สุดของรูปภาพ (พิกเซล) ของชิป CCD จะเท่ากับหรือมากกว่า circle of confusion ที่ยอมรับได้

 

สารบัญ

 1.  ระยะชัดของกล้องวงจรปิด

 2.  ระยะชัดลึก (Depth of Field) 

 3.  ระดับความชัด 

 3.  Neutral Density (ND) Filters

 4.  ฟิตเตอร์ ND บนม่านรับแสง

 

หลังจากนั้นไปแล้วเราจะมองไม่เห็นรายละเอียดที่เล็กกว่าวงกลมนั้น ในอีกมุมหนึ่ง วัตถุและรายละเอียดของมนทั้งหมดที่ปรากฏอยู่ในวงกลมจะดูคมชัดเท่ากัน

เนื่องจากนั่นคือขนาดที่แท้จริงของพิกเซล จากประเด็นที่กล่าวมา ขนาดของ circle of confusion ที่ยอมรับได้สำหรับกล้องวงจรปิดจะถูกกำหนดด้วยขนาดของพิกเซลของชิป CCD หรือก็คือความละเอียดของชิป

 

มันอาจจะเข้าใจได้ว่าทำไมเลนสำหรับกล้อง CCTV ที่มีทางยาวโฟกัสสั้น เช่น 2.6 – 3.5 mm ไม่มีวงแหวนปรับความคมชัด (focusing ring) มีเพียงแค่การปรับม่านรับแสง

นี่เป็นเพราะว่าเมื่อค่า F-stop ของเลนส์ถูกปรับให้อยู่ต่ำที่สุด (ไม่ว่าจะเป็น 1.4 หรือ 1.8 ก็ตาม) ระยะชัดลึกจะกว้างมากจนมันแสดงภาพที่ดูคมชัด

จากระยะต่อหน้าเลนส์ไม่กี่เซนติเมตรไปจนถึงระยะที่เป็นอนันต์ (infinity) จึงไม่มีความจำเป็นที่จะต้องทำการโฟกัสเลย

 

ระยะชัดลึก (Depth of field) ของค่า F-stop ที่ต่ำและสูง

ระยะชัดลึกเป็นสิ่งที่เราต้องตระหนักถึงเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อทำการกำหนดให้โฟกัสไปที่ด้านหลัง (back-focus) ถ้าการโฟกัสด้านหลังไม่ได้ถูกปรับ

เหมาะสมและเป็นช่วงกลางวัน (นี่จะเป็นช่วงเวลาที่ม่านรับแสงของเลนส์จะเปิดแคบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยอัตโนมัติ เนื่องจากมีปริมาณแสง มากเกินไป)

ระยะชัดลึกจะสร้างความคมชัดแม้แต่ในพื้นที่ที่ไม่ได้อยู่ในโฟกัส ซึ่งประเด็นนี้จะถูกอธิบายเพิ่มเติมในภายหลัง

ประสบการณ์ในการปฏิบัติของผู้เชียนได้ทำให้ตระหนักว่าระยะชัดลึกจะถูกนำมาใช้ในทางนี้ (เมื่อ back-focus ไม่ได้ถูกทำอย่างถูกต้อง) เป็นต้นกำเนิดของความหงุดหงิดของระบบที่ทำงานตลอด 24 ชั่วโมง

เหตุผลที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่าในเวลากลางคืน เมื่อม่านรับแสงเปิดกว้างขึ้นเนื่องจากระดับแสงที่น้อย (สมมติว่าระบบทำงานอย่างที่ควรจะเป็น)

ระยะชัดลึกจะแคบลงและแสดงรูปที่หลุดโฟกัสถึงแม้ว่าพื้นที่เดียวกันจะอยู่ในโฟกัสตอนกลางวันก็ตามที เมื่อผู้ปฏิบัติงานบ่นถึงตัวติดตั้งหรือการบริการลูกค้าโดยที่ไม่รู้ถึงสาเหตุของปัญหา เขาหรือเธอมักจะเรียกช่างมาในช่วงกลางวัน ซึ่งแน่นอนว่าปัญหาที่กล่าวมาจะยังไม่เกิดขึ้นและเมื่อเป็นช่วงเวลากลางคืนระยะชัดลึกที่กว้างจะปรากฏขึ้นมาใหม่อย่าง “อธิบายไม่ได้”

 

รูปภาพที่อธิบายถึงระยะชัดลึก

ข้อคิดที่ได้จากประเด็นในข้างต้นก็คือเมื่อปรับการโฟกัสไปที่ด้านหลัง (back-focus) (ซึ่งจะถูกพูดถึงในหนังสือภายหลัง) ควรที่จะทำเมื่อม่านรับแสงเปิดกว้างเต็มที่

วิธีการที่ง่ายที่สุดที่จะทำให้ม่านรับแสงเปิดกว้างเต็มที่คือเมื่อระดับแสงต่ำมากในช่วงเวลาเย็นหรือกลางคืน หรือโดยการลดแสงจากธรรมชาติ

ที่เข้าไปในกล้องด้วยฟิลเตอร์ (มักจะถูกวางไว้ข้างหน้าเลนส์) ทั้งหมดนี้เพื่อที่จะลดระยะชัดลึกและทำให้ปรับโฟกัสไปยังด้านหลังทำได้ง่ายขึ้นและแม่นยำมากขึ้น

มีบ่อยครั้งที่กล้องขาว/ดำที่มีการใช้แสงอินฟราเรดจะเกิดผลกระทบอีกอย่างนึงขึ้นมา นั่นก็คือความยาวคลื่นของแสงอินฟราเรดที่ยาวเป็นอย่างมาก (เมื่อเทียบกับแสงปกติ)

และจะมีมุมในการหักเหที่น้อยกว่า เราจะโฟกัสไปยังระนาบรูปที่ตกลงไปยังด้านหลังของชิป CCD อ้างอิงถึงเลนส์ว่าเป็นองค์ประกอบในการมองเห็น (Optical Elements)

 

ระดับความคมชัด

เพื่ออธิบายถึงปรากฏการณ์นี้ ถ้ารูปที่ได้ดูคมชัดเมื่อตอนกลางวันและวัตถุเดียวกันที่ถูกถ่ายออกมาในตอนกลางคืนที่ระยะเดียวกันจะหลุดโฟกัส สิ่งที่จะสังเกตได้ค่อนข้างง่าย

และเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการ เพื่อลดผลกระทบดังกล่าว เลนส์ควรที่จะถูกออกแบบเพื่อทำการชดเชยให้กับการมองเห็นด้วยแสงอินฟราเรดเป็นพิเศษ (ผู้ผลิตบางรายจะใช้เลนส์ที่ทำจากแก้วแบบพิเศษเพื่อจุดประสงค์นี้โดยเฉพาะ)

แต่ทว่าวิธีแก้ปัญหาที่แพร่หลายและสะดวกมากกว่าคือการให้กล้องโฟกัสไปที่บริเวณด้านหลังในเวลากลางคืนเมื่อทำการเปิดแสงอินฟราเรด

ซึ่งจะจำกัดระยะชัดลึกลงมาแต่จะทำให้วัตถุอยู่ในโฟกัสของกล้อง ในเวลากลางวัน ระยะชัดลึกจะเพิ่มขึ้น ทำให้บริเวณของภาพที่มีความคมชัดเพิ่มขึ้น ชดเชยถึงความแตกต่างระหว่างการโฟกัสด้วยแสงอินฟราเรดและแสงตามปกติ

 

เปรียบเทียบระหว่างรูปภาพที่ถ่ายด้วยกล้องที่มีค่า F-stop ต่ำ และมีค่า F-stop สูง  (เลนส์จะโฟกัสไปยังวัตถุที่อยู่ตรงกลาง)

 

 

 

Neutral density (ND) filters

ก่อนหน้านี้เมื่อเราพูดถึงค่า F-stop เรายังได้กล่าวด้วยว่า F-number บางตัว ได้แก่ 1.4, 2, 2.8,4 ,5.6,8, 11, 16, 22, 32, 44, 64, 88, 128 และมีต่อไปเรื่อยๆ ยิ่ง F-number สูงมากขึ้นเท่าไหร่ ม่านรับแสงจะเปิดกว้างน้อยลงเท่านั้น

สำหรับการถ่ายรูปหรือถ่ายภาพยนตร์ F-stop ที่ 32 ถือว่าเป็นค่าที่ค่อนข้างสูง ฟิลม์ของกล้องเหล่านี้จะอ่อนไหวเป็นอย่างมากถึงแม้ว่าจะเป็นวันที่

แสงพระอาทิตย์ส่องสว่างจ้า เมื่อนำค่า F-stop มารวมกับความเร็วของซัตเตอร์ที่มี จะเพียงพอที่จะชดเชยถึงปริมาณแสงที่มีมากเกินไปได้

ความไวต่อแสงของฟิลม์จะถูกวัดมาได้ด้วยหน่วย ISO และฟิลม์ทั่วไปที่ใช้กันโดยทั่วไปจะมีค่า sensitivity อยู่ที่ 100 หน่วย ISO

ชิป CCD จะอ่อนไหวมากกว่าฟิลม์ที่มีค่า ISO 100 โดยเฉพาะชิปแบบขาว/ดำ เริ่มจากระดับแสง ค่า F-stop และความเร็วของซัตเตอร์ของกล้อง เวลาที่กล้องโทรทัศน์จะปล่อยให้แสงเข้ามา

โดยปกติ (1/50s สำหรับ CCIR/PAL) และการตั้งค่าของม่านรับแสง เราจะสามารถคำนวนได้ว่าค่า sensitivity ของชิป CCD ประเภทขาว/ดำอยู่ที่ประมาณ 100,000 หน่วย ISO ซึ่งเป็นค่าความไวที่ค่อนข้างสูง

ชิป CCD จะอ่อนไหวมากจนทำให้ในสถานการณ์ที่ระดับแสงต่ำไม่ใช่ปัญหา (ถึงแม้ว่าคุณจะมีลูกค้าหลายคนถามคุณว่า “กล้องของคุณมีค่า sensitivity เท่าไหร่?” แค่เป็นแสงที่สว่างจ้ามากกว่า

เนื่องจากกล้องโทรทัศน์จะใช้ค่าความเร็วในการเปิดรับแสง (exposure speed) แค่ค่าเดียวเท่านั้น ซึ่งเท่ากับ 1/50s สำหรับมาตรฐาน CCIR และ SECAM และ 1/60s

ในระบบ NTSC (ไม่ได้พิจารณาถึงชิป CCD และม่านรับแสงของกล้อง) เราจะสามารถปรับเปลี่ยนได้แค่ค่า F-stop เพื่อลดปริมาณของแสงที่จะเข้า ไปยังกล้อง

 

 

 

ชิป CCD แบบขาว/ดำโดยทั่วไปจะต้องการค่าความสว่าง 0.1 lx เมื่อชิปทำการสร้างสัญญาณวีดีโอเต็มที่ ในวันที่ท้องฟ้าสดใสที่ชายหาดหรือบริเวณที่มีหิมะจะสามารถความสว่างของแสงมากกว่า 100,000 lx ไปยังวัตถุรอบข้าง

เพื่อทำการลดความสว่างดังกล่าวให้เหลือ 0.1 lx ค่า F-stop ที่สูงมากจนถึง F-1200 จะต้องถูกนำมาใช้ ถ้าใช้คำนิยามทั่วไปของ F-stop สำหรับ เลนส์กล้องวงจรปิด 16 mm/1.4 ถ้าใช้ F-1200

เพื่อให้ได้การเปิดม่านรับแสงที่มีประสิทธิภาพ จะได้การเปิดรับแสง 16/1200 = 0.013 mm  ในทางกลไกแล้ว นี่มันเป็นไปไม่ได้เพราะว่าขนาดที่เล็กที่ความแม่นยำที่ต้องการ

เพราะว่าด้วย ม่านรับแสงที่เปิดเป็นช่องเล็กขนาดนั้น เราจะได้รู้จักกับปัญหาใหม่ อย่างเช่น การเลี้ยวเบนของแสงตรง บริเวณขอบ (edge diffraction) (เป็นที่รู้จักกันในชื่อ Fresnel effect) ซึ่งจะส่งผลต่อคุณภาพของภาพ

หนทางแก้ไขคือการใช้ internal neutral density (ND) filters มันคือแผ่นฟิลม์ที่บางเป็นอย่างมาก เคลือบสีที่เป็นกลาง ซึ่งถูกนำไปวางไว้ตรงกลางของเลนส์

ใกล้กับม่านรับแสง ฟิลเตอร์จะโปร่งใสน้อยลงเมื่อเข้าใกล้ไปยังจุดศุนย์กลางของวงกลม ค่า F-stop จะได้มาด้วยการทำงานร่วมกันของม่านรับแสงและฟิลเตอร์ ND (การลดทอนการมองเห็น)

นี่เป็นวิธีที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพในการต่อสู้กับแสงสว่างที่เข้มข้น ฟิลเตอร์ถูกเรียกว่า “เป็นกลาง” (neutral) ก็เพราะว่ามันลดทอนความยาวคลื่น (สี) อย่างเท่ากัน ดังนั้นจึงมันไม่ได้เปลี่ยนองค์ประกอบของสีภายในภาพ

 

 

ฟิลเตอร์ ND บนม่านรับแสงแบบอัตโนมัติของเลนส์

ความแม่นยำทางการมองเห็นของฟิลม์ที่บางแผ่นนั้นมันสำคัญมากต่อการรักษาคุณสมบัติ MTF ของเลนส์เมื่อค่า F-stop ได้เพิ่มขึ้น ในทางทฤษฏีแล้ว พลังในการแยกแยะภาพของเลนส์จะดีที่สุด

เมื่อตั้งค่าม่านรับแสงตรงกลาง และมันจะลดลงเมื่อค่า F-stop ลดลงหรือเพิ่มขึ้น (นี่จะแตกต่างจากในส่วนของระยะชัดลึก) แต่ฟิลเตอร์ ND อาจจะลดมันลงไปอีก ไม่ว่าอย่างไรก็ตามทุกอย่างนี้จะขึ้นอยู่กับคุณภาพของเลนส์

นอกจากฟิลเตอร์ ND ภายใน (internal ND filters) แล้ว มันยังมีฟิลเตอร์ ND ภายนอก (external ND filters) อีกด้วย ซึ่งไม่มีคุณภาพดีเท่ากับแบบภายใน

นี่เป็นชิ้นส่วนแก้วกึ่งโปร่งใสหรือเป็น optical filter ที่ลดทอนแสง x จำนวนเท่าที่ลดแสง ซึ่งอาจจะเป็น 10, 100 หรือ 1,000 เท่าก็ได้ 2 หรือ 3 ตัวเลขนี้ถูกนำมารวมกันได้

ยกตัวอย่างเช่น 10 หรื 1,000 เท่าจะทำให้ได้ผลลัพธ์เป็นฟิลเตอร์ ND ที่ลดแสงได้ 10,000 เท่า

 

ND filters แบบบนเลนส์

บางครั้ง การลดทอนของฟิลเตอร์ ND แบบภายนอกจะอยู่ในรูปของค่า F-stop เพราะเรารู้ว่าค่า F-stop ค่าต่อไปทุกค่ามันจะลดปริมาณแสงที่เข้ากล้องประมาณครึ่งหนึ่ง (50% ของปริมาณแสงที่เข้าเมื่อเลือกค่า F-stop ก่อนหน้า)

เราจะสามารถบอกได้ว่าแสงที่ลดด้วยฟิลเตอร์ ND 100 เท่าจะถูกหารด้วย 100  ซึ่งเป็นครึ่งหนึ่งระหว่าง 2⁶ และ 2⁷ (2⁶ = 64, 2⁷ = 128)

นี่หมายความว่าการลดแสง 100 เท่าจะประมาณได้เท่ากับค่า F-stop ที่ 6.5 การลดแสง 1,000 ครั้งจะใกล้เคียงกับ 2¹⁰ ซึ่งได้ค่า F-stop ประมาณ 10

ประเภทของฟิลเตอร์ ND เหล่านี้มีประโยชน์มากอย่างที่ได้อธิบายไปก่อนหน้า สำหรับการจำกัดระยะชัดลึกเพื่อจุดประสงค์ในการปรับโฟกัสไปยังด้านหลัง

สรุป

การออกแบบเรื่องของเลนส์กล้องวงจรปิดในปัจจุบันจะไม่มีความยุ่งยาก เนื่องด้วยโรงงานผู้ผลิตกล้องวงจรปิดได้ทำการคำนวณและออกแบบมาให้เราพร้อมใช้งาน

ทำให้ความคมชัดของกล้องวงจรปิด มีคุณภาพที่ดีพร้อมใช้งาน

แนะนำ :    สัญญาณกันขโมยไร้สาย    รั้วไฟฟ้ากันขโมย