Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2011, S. 46 bis 48
Optische Potenziale
Eine hochauflösende Kamera benötigt ein Objektiv mit hohem Auflösungsvermögen, um hochaufgelöste Bilder zu produzieren. Warum das so ist und was den Unterschied zu Standard-Objektiven ausmacht, klärt folgender Fachbeitrag.
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| (Bild: Fujifilm) |
Die Verbreitung von Kameras mit hohen Auflösungen nimmt im CCTV-Bereich stetig zu. Die Gründe liegen auf der Hand: Eine höhere Auflösung führt zur besseren Erkennung von Details in einem zu überwachenden Bereich, ermöglicht die Reduktion der Anzahl eingesetzter Kameras, erleichtert die Identifizierung verdächtiger Personen und vieles mehr. Ein Überwachungssystem mit hochaufgelösten Bildern entsteht jedoch nicht alleine durch den Einsatz hochauflösender Kameras, denn das Gesamtsystem einer Videoüberwachung besteht aus vielen verschiedenen Teilen. Jede einzelne dieser Komponenten muss in der Lage sein, mit hohen Auflösungen umzugehen, diese zu verarbeiten (größere Datenmengen) und auch wiederzugeben (hochauflösende Monitore). Dabei ist die erste Komponente des Gesamtsystems nicht die Kamera, sondern das Objektiv.
Viele Details differenzieren
Alle Lichtstrahlen, die zur Abbildung eines Objektes auf den Sensor der Kamera beitragen, passieren zuerst das Objektiv. Das Objektiv muss dementsprechend möglichst viele Details und kleine Strukturen der zu überwachenden Objekte voneinander differenzieren – also „auflösen“ – und auf dem Kamerasensor abbilden. Dazu ist ein hochauflösendes Objektiv in der Lage. Wird jedoch ein Objektiv mit geringerem Auflösungsvermögen eingesetzt, bildet das Objektiv kleine Strukturen nicht getrennt voneinander ab. In diesem Fall entsteht auf dem Kamerasensor ein Bild, in dem weniger Details und Strukturen unterscheidbar sind, obwohl die Kamera die Strukturen prinzipiell auflösen könnte. Dieser Verlust an Auflösung kann nachträglich nicht mehr ausgeglichen werden. Aus diesem Grund kann eine hochauflösende Kamera nur dann hochaufgelöste Bilder liefern, wenn das Auflösungsvermögen des Objektivs die Auflösung der Kamera unterstützt und deren Potential ausschöpft.
Reduziert man die Linienbreite, verringert sich auch der vom Objektiv übertragene Kontrast. (Bild: Fujifilm)
Die Auflösung von Objektiven: die MTF
Die Bestimmung des Auflösungsvermögens von Objektiven erfolgt über die Modulations-Transfer-Funktion (MTF). Dafür wird mit Hilfe eines Testbildes mit unterschiedlich feinen schwarz/weißen Linienpaaren (Frequenzen) der Kontrast gemessen, der vom Objektiv übertragen wird. Bei breiten Linien ist der Kontrast zwischen schwarzen und weißen Linien im Bild gut erkennbar, die Linien sind „aufgelöst“. Reduziert man die Linienbreite, verringert sich auch der vom Objektiv übertragene Kontrast, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Sobald die Linien so fein werden, dass im Bild keine Helligkeitsdifferenzen mehr unterscheidbar sind, werden diese Linien vom Objektiv „nicht aufgelöst“. Die Kamera erzeugt dann trotz höherer Auflösung nur noch eine graue Fläche.
Die maximale Auflösung eines Objektivs resultiert also aus der höchsten Frequenz, die mit einem ausreichenden Kontrast übertragen werden kann. Dabei ist der Übergang von „aufgelöst“ zu „nicht aufgelöst“ fließend. Überträgt man die Änderung des Kontrastes in Abhängigkeit zur Frequenz in ein Diagramm, erhält man die MTF-Kurve. Aus der Kurve ist ablesbar, welche Ortsfrequenz [Linienpaare/Millimeter) mit welchem Kontrast vom Objektiv übertragen wird. Im direkten Vergleich zwischen hochauflösendem und Standard-Objektiv (Abbildung 2) wird deutlich, dass ein hochauflösendes Objektiv höhere Frequenzen mit größerem Kontrast übertragen kann, als ein konventionelles Objektiv.
Allerdings ist die Qualität jeder optischen Abbildung konstruktionsbedingt in der Mitte besser als in den Randbereichen. Das heißt, auch die Auflösung nimmt von der Mitte zum Rand hin ab. Das reale Auflösungsvermögen wird zusätzlich durch weitere Parameter beeinflusst, wie die Blendenöffnung oder die Entfernung zwischen Objekt und Objektiv. Für eine aussagekräftige und vergleichbare Definition des Auflösungsvermögens sollten deshalb Angaben über Blendeneinstellung, Objektdistanz und Bildort (Abstand zur Bildmitte) bei der MTF-Messung vermerkt sein.
Der Unterschied zu konventionellen Objektiven
Häufig wird die Frage gestellt, worin der Unterschied zwischen hochauflösenden Objektiven und Standard-Objektiven besteht. Um diese Frage zu beantworten, muss man wissen, dass eine optische Abbildung immer fehlerbehaftet ist. Abbildungsfehler, wie Verzeichnung, Vignettierung oder Aberrationen, sind physikalisch bedingt und können nicht vollständig beseitigt werden. Jedes Objektiv ist im Endeffekt ein Kompromiss, bei dem möglichst viele Abbildungsfehler so weit wie möglich minimiert werden.
Vergleich MTF-Kurve zwischen hochauflösendem und Standard-Objektiv. (Bild: Fujifilm)
Die Güte eines Objektivs resultiert daraus, wie gut die verschiedenen Abbildungsfehler korrigiert werden und wie gut einzelne Elemente aufeinander abgestimmt sind. Es gibt also nicht „den einen“ entscheidenden Unterschied. Es ist vielmehr ein Zusammenspiel verschiedener Merkmale, wie Beschichtung der Linsen, Konstruktion und Aufbau der optischen Elemente und ähnlichem, die über die Güte eines Objektivs entscheiden und ein hochauflösendes Objektiv von einem Objektiv mit Standard-Auflösungsvermögen abheben.
Dabei gibt es – genau wie bei Kameras – Unterschiede in der Höhe der Auflösung. Die Bezeichnung „Megapixel“ (oder MP) besagt prinzipiell, dass eine Auflösung von einer Million Pixel gegeben ist. Ist das Auflösungsvermögen größer, wird meistens der Wert mit angegeben, wie drei MP oder fünf MP. Zusätzlich findet immer häufiger der Begriff „High Definition“ (oder HD) Verwendung, der ursprünglich aus dem Fernsehbereich stammt (HDTV) und auch in der Unterhaltungselektronik verwendet wird.
Grundsätzlich entspricht HD einer Auflösung von etwa zwei Megapixeln, wenn man die Auflösung von HDTV mit 1.920 mal 1.080 Pixeln zugrunde legt. Allerdings sind die beiden Begriffe MP und HD oftmals nicht genau definiert und werden einfach für jede Auflösung benutzt, die höher als Standard-Auflösung ist. Es gilt also zu differenzieren, welches Auflösungsvermögen genau hinter den Begriffen steckt. Renommierte Kamera- und Objektivhersteller geben in der Regel die konkrete Auflösung mit an.
Bedeutung nicht unterschätzen
Objektive sind nur ein Element in einem aus vielen Einzelkomponenten bestehenden Gesamtsystem einer Videoüberwachung. Die Bedeutung dieses Bausteins sollte jedoch nicht unterschätzt werden. Denn selbst die beste Kamera kann nur so gute Bilder liefern, wie es das Objektiv ermöglicht. Da es im Gegenzug ebenso wenig Sinn ergibt, ein hochauflösendes (und damit teureres) Objektiv auf einer Kamera mit Standard-Auflösung zu verwenden, sollten Auflösung von Objektiv und Kamera aufeinander abgestimmt sein, um ein bestmögliches Ergebnis zu erzielen.
Nina Kürten, Product Manager bei der Fujifilm Europe GmbH
Das Angebot der Objektivhersteller an hochauflösenden Objektiven wächst ebenso kontinuierlich, wie das der hochauflösenden Kameras. Dabei ist zwischen verschiedenen Konstruktionsformen der Objektive zu unterscheiden:
Eine Baureihe sind Objektive mit fester Brennweite, die in verschiedenen Auflösungen angeboten werden (von ein MP bis fünf MP oder mehr). Festbrennweiten werden hauptsächlich im Bereich der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt, da sie für geringe Arbeitsabstände konstruiert sind und in der Regel über eine manuelle Blendensteuerung verfügen.
Im CCTV Bereich dagegen kommen zumeist Varifocal-Objektive zum Einsatz. Dank der variablen Brennweite sind diese flexibel auf den benötigten Bildausschnitt einstellbar und gleichen mit einer automatischen Blendensteuerung schwankende Lichtbedingungen aus. Für den Einsatz rund um die Uhr werden spezielle Tag/Nacht-Modelle verwendet, die die Fokusverschiebung zwischen den Wellenlängen des visuellen Spektrums und denen des Infrarot-Bereiches ausgleichen. Oder anders ausgedrückt: Beim Umschalten zwischen Tag- und Nachtmodus muss nicht nachfokussiert werden. Varifocal-Objektive für Tag/Nacht-Anwendungen sind aktuell mit Auflösungen bis zu drei MP verfügbar und decken alle Brennweitenbereiche von Weitwinkel bis Tele ab.
Zur Überwachung langer Distanzen werden Zoom-Objektive verwendet, mit denen auch auf weite Entfernungen große Gebiete effizient überwacht werden können. Zoom-Objektive sind derzeit für Kameras mit bis zu zwei MP erhältlich und werden oftmals in Hafengebieten oder Flughäfen eingesetzt. Sie können mit Zusatzfunktionen, wie Autofokus, IR-Filter oder Bildstabilisierung ausgestattet werden.
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