Bildwinkel & Auflösung

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1 Whitepaper HD-Kameras Bildwinkel & Auflösung Box-Kameras DF4510HD DF4910HD DF4910HD-DN DF4920HD-DN Dome-Kameras DDF4510HDV DDF4910HDV DDF4910HDV-DN DDF4820HDV-DN DDF4920HDV-DN IR-Kameras DF4910HD-DN/IR DF4920HD-DN/IR Deutsch Rev /

2 1 Gültigkeit Dieses Dokument ist gültig für die folgenden Dallmeier HD-Kameras: Box-Kameras DF4510HD DF4910HD DF4910HD-DN DF4920HD-DN Dome-Kameras DDF4510HDV DDF4910HDV DDF4910HDV-DN DDF4820HDV-DN DDF4920HDV-DN IR-Kameras DF4910HD-DN/IR DF4920HD-DN/IR Die Ausführungen in diesem Dokument basieren auf der Software-Version Zusammenfassung Die oben genannten Dallmeier HD-Kameras liefern Bilder in hoher Qualität bei allen Auflösungen. Es muss jedoch beachtet werden, dass sich je nach eingestellter Auflösung und somit verwendeter Sensorfläche der nutzbare Bildwinkel bei gegebener Brennweite verändert. Dieses Dokument beschreibt, wie der nutzbare Bildwinkel mit der verwendeten Sensorfläche und der Objektivbrennweite in Verbindung steht. 3 Spezifikationen 3.1 Sensor Die folgenden Sensorspezifikationen gelten für die oben genannten Kameras: Sensorspezifikationen Format 1/2,5" (4:3) Aktive Sensorgröße 5,70 mm (H) 4,28 mm (V), 7,13 mm diagonal Aktive Pixel 2592 (H) 1944 (V) Pixelgröße 2,2 μm 2,2 μm Farbfilteranordnung RGB Bayer-Matrix Tabelle 1: Sensorspezifikationen 3.2 Objektiv Für die im Folgenden beschriebenen Berechnungen werden folgende Objektivspezifikationen herangezogen: Objektivspezifikationen Format 1/2" Typ 3-Megapixel Varifokal-Objektiv Brennweite 3,9 10 mm Blendenbereich F Max. Bildwinkel 96,5 70,95 37,3 28,0 Sonstiges DC Autoiris Tabelle 2: Objektivspezifikationen Beachten Sie, dass die tatsächlichen Objektivspezifikationen vom verwendeten Kameramodell oder Objektiv abhängen. 2

3 HINWEIS: Das Objektivformat darf nie kleiner sein als das Sensorformat, da dies zu Randabschattungen bzw. Vignettierung im Bild führen würde. Vielmehr sollte das Objektivformat möglichst größer als das Sensorformat gewählt werden, da die Abbildungsqualität eines Objektivs vom Zentrum seiner optischen Achse zu den äußeren Rändern hin abnehmen kann (z. B. durch Randlichtabfall). Der in den Objektivspezifikationen angegebene Bildwinkel gibt üblicherweise den maximalen Bildwinkel (oder zutreffender den Erfassungswinkel ) an, den das Objektiv bei Einstellung auf unendlich mit annehmbarer Qualität abbilden kann, und ist nicht abhängig von der Sensorgröße. Der tatsächlich nutzbare Bildwinkel einer Kamera hängt jedoch auch mit der verwendeten Sensorfläche zusammen. 3.3 Bildauflösungen Je nach verwendetem Kameramodell können folgende Bildauflösungen an Encoder 1 eingestellt werden: Pixel (4CIF) / Pixel (4SIF) Pixel (D1 PAL) / Pixel (D1 NTSC) Pixel (720p) Pixel (1080p) Pixel (2 MP) Pixel (3 MP) Pixel (4 MP) Pixel (5 MP) Abhängig von der eingestellten Bildauflösung wird ein bestimmter Bereich der gesamten Sensorfläche (durch On-Chip Windowing ) zur Bilderfassung verwendet, wie in folgender Abbildung veranschaulicht wird: (4 MP) (3 MP) (720p) (2 MP) Aktive Pixel: (Aktive Sensorgröße: 5,70 mm (H) 4,28 mm (V); d = 7,13 mm) (1080p) (D1 NTSC) (5 MP) Abb. 1: Verwendete Sensorbereiche bei unterschiedlichen Bildauflösungen 3

4 Standardmäßig entspricht die Auflösung des ausgegebenen Bildes der Auflösung der verwendeten Sensorfläche. Durch Downsampling oder spezielle Subsampling-Methoden (Skipping und/oder Binning) entspricht die verwendete Sensorfläche bzw. die Eingabeauflösung jedoch bei 4CIF, 4SIF, D1 PAL, D1 NTSC und 720p nicht, wie zu erwarten wäre, der Ausgabeauflösung, sondern unterscheidet sich deutlich. 3.4 Bildwinkel Die folgenden Tabellen zeigen die nutzbaren (berechneten) Bildwinkel bei den jeweiligen Bildauflösungen: Bildwinkel (H V) Brennweite Auflösung in Pixel * ** f = 3,9 mm 62,7 44,2 71,7 44,2 23,0 15,4 39,7 23,0 f = 10 mm 26,7 18,0 31,5 18,0 9,1 6,0 16,0 9,1 Tabelle 3: Bildwinkel bei jeweiligen Bildauflösungen * Durch Column Skip 3 (horizontales Skipping), Row Bin 3 (vertikales Binning) ** Durch Column Bin 2 (horizontales Binning), Row Bin 2 (vertikales Binning) Für mehr Informationen zu Skipping bzw. Binning siehe Abschnitt Subsampling (Funktion Weitwinkel ) auf Seite 5. Bildwinkel (H V) Brennweite Auflösung in Pixel f = 3,9 mm 56,9 33,9 48,6 37,4 60,0 46,8 66,8 52,4 72,3 56,9 f = 10 mm 23,9 13,5 20,0 15,0 25,4 19,2 28,8 21,7 31,8 23,9 Tabelle 4: Bildwinkel bei jeweiligen Bildauflösungen 4 Berechnungen Der Bildwinkel α kann mit folgender Formel berechnet werden, in der Annahme, dass das Objektiv auf unendlich fokussiert ist und der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls gleich dem Austrittswinkel ist: arctan bezeichnet die Umkehrfunktion des Tangens oder tan 1. d gibt die Abmessung der genutzten Sensorfläche in mm an (vertikal, horizontal oder diagonal). Um beispielsweise den horizontalen Bildwinkel α H zu berechnen, muss die horizontale Abmessung (Breite) d H der genutzten Sensorfläche eingesetzt werden. f gibt die festgelegte Objektivbrennweite an. 4

5 Beispiel: Zur Berechnung des horizontalen Bildwinkels α H bei einer Brennweite f von 3,9 mm, einer horizontalen Auflösung von 1920 Pixel und einer Pixelbreite von 2,2 μm (wie in den Sensorspezifikationen angegeben), wurden die folgenden Gleichungen verwendet: Beachten Sie, dass der tatsächliche Bildwinkel vom berechneten Wert aufgrund der Konstruktion des verwendeten Objektivs abweichen kann (z. B. durch Verzeichnung). 5 Downsampling Downsampling wird standardmäßig für die Auflösungen 4CIF, 4SIF, D1 PAL, D1 NTSC angewendet. 6 Subsampling (Funktion Weitwinkel ) Standardmäßig entspricht die Ausgabeauflösung der vollen Breite und Höhe der genutzten Sensorfläche wie in Abb. 1 veranschaulicht. Für die Auflösungen D1 PAL, D1 NTSC und 720p können spezielle Subsampling-Methoden angewendet werden, um die Ausgabeauflösung zu reduzieren ohne den nutzbaren Bildwinkel zu verringern. Subsampling kann in den Encodereinstellungen der jeweiligen Kamera mithilfe der Checkbox Weitwinkel aktiviert oder deaktiviert werden. 6.1 Skipping Skipping (to skip = überspringen) reduziert die Ausgabeauflösung, indem nur ausgewählte Pixel der genutzten Sensorfläche im ausgegebenen Bild verwendet werden. Ganze Zeilen und Spalten werden übersprungen bzw. nicht ausgelesen. Im 2 Skipping-Modus wird beispielsweise jeweils ein Pixelpaar (zwei benachbarte Pixel der Bayer-Farbmatrix) pro ausgegebenen Pixelpaar übersprungen. Im 3 Skipping-Modus werden jeweils zwei Pixelpaare pro ausgegebenen Pixelpaar übersprungen. Beachten Sie, dass Zeilen und Spalten immer paarweise ausgelesen werden. 6.2 Binning Binning (to bin = gruppieren, zusammenfassen) arbeitet in Verbindung mit Skipping und reduziert die Ausgabeauflösung durch Kombination und Mittelung von zwei oder drei benachbarte Zeilen oder Spalten (Zusammenfassung der Ladung benachbarter Pixel derselben Farbe). Binning kann Aliasing-Artifakte, die durch Skipping auftreten können, verringern, die Lichtempfindlichkeit verbessern und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) steigern. 5

6 7 Pixel-Auslesemethode und Ausgabeauflösung 4CIF (Downsampling) Verwendete Sensorpixel: Ausgabeauflösung: SIF (Downsampling) Verwendete Sensorpixel: Ausgabeauflösung: D1 PAL (Downsampling) Verwendete Sensorpixel: Ausgabeauflösung: D1 PAL (Subsampling On: Column Skip 3, Row Bin 3 ) Grau dargestellte Spalten/Zeilen werden übersprungen/zusammengefasst, weiß dargestellte Spalten/Zeilen werden ausgelesen. Verwendete Sensorpixel: Ausgelesene Pixel: Ausleserichtung Spalten Ausleserichtung Zeilen Abb. 2: Pixel-Auslesemethode bei D1 PAL HINWEIS: Aus technischen Gründen wird nur 3 vertikales Binning unterstützt. Für 3 horizontales Binning wird stattdessen 3 horizontales Skipping angewendet. 6

7 D1 NTSC (Downsampling) Verwendete Sensorpixel: Ausgabeauflösung: D1 NTSC (Subsampling On: Column Skip 3, Row Bin 3 ) Grau dargestellte Spalten/Zeilen werden übersprungen/zusammengefasst, weiß dargestellte Spalten/Zeilen werden ausgelesen. Verwendete Sensorpixel: Ausgelesene Pixel: Ausleserichtung Spalten Ausleserichtung Zeilen Abb. 3: Pixel-Auslesemethode bei D1 NTSC HINWEIS: Aus technischen Gründen wird nur 3 vertikales Binning unterstützt. Für 3 horizontales Binning wird stattdessen 3 horizontales Skipping angewendet. 7

8 720p (Subsampling On: Column Bin 2, Row Bin 2 ) Grau dargestellte Spalten/Zeilen werden zusammengefasst, weiß dargestellte Spalten/ Zeilen werden ausgelesen. Verwendete Sensorpixel: Ausgelesene Pixel: Ausleserichtung Spalten R G R G R G R G Ausleserichtung Zeilen G B G B G B G B R G R G R G R G G B G B G B G B R G R G R G R G G B G B G B G B R G R G R G R G G B G B G B G B Abb. 4: Pixel-Auslesemethode bei 720p 8

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