Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2009, S. 36 bis 39

Objektiv betrachtet

Zunehmend erobern Megapixelkameras den Markt für Sicherheitstechnik, neben hochauflösenden Kameras werden zudem Megapixelobjektive an geboten. Was diese für den Einsatz mit einer Megapixelkamera empfiehlt und worauf zu achten ist, erläutert der nachstehende Fachbeitrag.

Mittlerweile gibt es eine große Auswahl an Megapixelobjektiven für unterschiedlichste Anwendungen am Markt. (Bild: Fujinon)

Nicht wenige Anwender werden sich fragen, weshalb Megapixelobjektive auf dem Markt angeboten werden. Schließlich wählt man ein Objektiv aufgrund des benötigten Bildwinkels und der Lichtstärke aus, doch nach der Auflösung?

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass jedes Objektiv letztlich einen Kompromiss darstellt, denn jede optische Abbildung enthält Fehler. Das Problem, das sich bei der Konstruktion eines Objektives ergibt, ist, dass das Verhindern des einen Fehlers zu einem anderen führt. So kann kein Fehler völlig behoben, sondern immer nur minimiert werden. Ein gutes Objektiv erfordert viel Erfahrung bei der Konstruktion und ein großes Know-how bei der Produktion.

Die Auflösung spielt eine wichtige Rolle

Die Auflösung spielt in der Video-überwachung eine wichtige Rolle und ermöglicht es, nicht nur zu sehen, sondern auch zu erkennen. Hochaufgelöste Bilder bieten die Möglichkeit, Details, wie beispielsweise Gesichter, beim Sichten des Bildmaterials nachträglich vergrößert wiederzugeben. Auflösung meint dabei die Anzahl unterscheidbarer Details – sind zwei Punkte im Bild zu differenzieren, sind sie „aufgelöst“.

Zur Bestimmung der Auflösung von Objektiven verwendet man die Modulations Transfer Funktion (MTF). Will man die Auflösung eines Objektivs messen, nimmt man ein Testbild mit unterschiedlich feinen schwarz/weißen Linien. Unterscheidet sich die Helligkeit einer schwarzen und einer weißen Linie im Bild, sind die-se „aufgelöst“, sind sie nicht aufgelöst sieht man eine graue Fläche.

Der Übergang von „aufgelöst“ zu „nicht aufgelöst“ ist dabei fließend, der Helligkeitsunterschied nimmt ab. Ist der Helligkeitsunterschied – der Kontrast – bei zwei breiten Linien stark, nimmt er ab, je schmaler die Linien werden. Überträgt man die Veränderung des Kontrastes in Abhängigkeit der Linienbreite – deren Frequenz – in einen Grafen, so erhält man die Modulations-Transfer-Funktion.

Potenzial von Megapixelkameras ausschöpfen

Eine Kamera benötigt zum Unterscheiden zweier Linien einen minimalen Kontrast. Wird dieser Wert unterschritten, erzeugt die Kamera trotz höherer Auflösung nur eine graue Fläche. Die höchste Frequenz, die vom Objektiv noch mit einem ausreichenden Kontrast übertragen werden kann, ergibt die Auflösung des Objektivs.

Generell lassen sich Objektive für hochauflösende IP- oder Megapixelkameras nicht mit denen für Analogkameras vergleichen: Während die Überwachungsszene im analogen Umfeld beispielsweise in 600.000 Punkte aufgeteilt wird, sind es bei der Megapixeltechnik drei Millionen und mehr.

Ein mit einer hochauflösenden IP- oder Megapixelkamera eingesetztes Objektiv sollte in der Lage sein, diese hohe Anzahl von Bildpunkten sauber voneinander getrennt darzustellen, um das volle Potenzial dieser Kameras auszuschöpfen. Dabei unterscheidet sich die Auflösung von Megapixelobjektiven ebenso sehr wie die der Kameras. Renommierte Hersteller geben sie entsprechend an, damit sich Kamera und Objektiv optimal aufeinander abstimmen lassen.

Festbrennweiten und Varifokal-Objektive

Neben den Varifokal-Objektiven werden auch oft Festbrennweiten für Megapixelkameras eingesetzt. Festbrennweitige Objektive besitzen eine feste Brennweite und verfügen meist über eine manuelle Blendeneinstellung. Diese Objektive kommen aus dem „Machine Vision“-Bereich, wo schon länger Megapixelkameras verwendet werden und deshalb eine große Auswahl an hochauflösenden Objektiven erhältlich ist.

Für den Einsatz in CCTV-Kameras ergeben sich jedoch einige Nachteile. Neben der geringeren Flexibilität durch die feste Brennweite und manuelle Blendeneinstellung sind diese Objektive primär für den harten Einsatz in Maschinen unter dauerhafter mechanischer Belastung konstruiert. Dementsprechend liegen sie preislich in der Regel über den Varifokal-Megapixelobjektiven für den CCTV-Einsatz.

In den meisten Fällen kommen in Überwachungskameras so genannte Varifokal-Objektive zum Einsatz. Der Vorteil von Varifokal-Objektiven liegt in einer deutlich höheren Flexibilität gegenüber Festbrennweiten. Die Brennweite ist anders als bei Festbrennweiten variabel. Dass heißt, der Bildwinkel kann – wie bei einem Fotoapparat mit Zoomoptik – verändert werden. Eine automatische Blendensteuerung ermöglicht außerdem eine bessere Anpassung an schwankende Lichtbedingungen.

Varifokal-Objektive sind allerdings zu unterscheiden von Zoomobjektiven, bei denen aufgrund der Objektivkonstruktion die Schärfe im Bild erhalten bleibt, wenn man die Brennweite verändert. Da bei Überwachungskameras das Objektiv meist nur einmal für einen bestimmten Bildwinkel eingerichtet wird, können diese Korrekturelemente hier eingespart werden. Ändert man bei einem Varifokal-Objektiv die Brennweite, muss die Schärfe korrigiert werden.

Tag/Nacht-Objektive

Tag/Nacht-Kameras schalten bei schlechten Lichtverhältnissen in den Schwarz/Weiß-Modus um und erzeugen selbst bei äußerst geringem Licht noch gute Bilder. In diesem Modus arbeiten die Kameras nicht mit dem normalen sichtbaren Tageslicht, sondern mit IR-Licht.

Die Sensoren dieser Kameras sind im IR-Bereich empfindlich, weshalb solche Kameras im Infrarotbereich mehr sehen als eine normale Kamera. Bei ausreichenden Lichtverhältnissen hält bei Tag/Nacht-Kameras ein ausschwenkbarer Sperrfilter das IR-Licht ab, da es zu einer falschen Farbwiedergabe führen würde.

Doch weshalb sind auch für diese Kameras besondere Objektive nötig? Verwendet man eine Tag/Nacht-Kamera mit einem normalen Objektiv, dann wird das Bild unscharf, wenn vom Tag- in den Nacht-Modus umgeschaltet wird. Das liegt daran, dass IR-Licht von Glas anders gebrochen wird als sichtbares Licht.

Aufnahmen der gleichen Szene am Tag (li.) sowie nachts mit einem nicht IR-korrigierten Objektiv und einem IR-korrigierten Objektiv (re.). (Bild: Fujinon)

Die Fokussierung, das heißt der Punkt, indem sich die Lichtstrahlen treffen, liegt bei normalen Objektiven für IR-Licht hinter dem Punkt für Tageslicht. Bei Tag/Nacht-Objektiven tritt dieser Effekt nicht auf; das Bild bleibt in beiden Kameraeinstellungen scharf. Spezielle Beschichtungen verhindern ein Reflektieren des Infrarotlichts im Objektiv, so dass diese Objektive mehr Infrarotlicht durchlassen als normale Optiken.

Mittlerweile gibt es auch Tag/Nacht-Megapixel-Objektive mit einer Auflösung von drei Millionen Pixeln.

Zoomobjektive für Tag & Nachteinsatz

Zoomobjektive ermöglichen es, sehr große Areale zu überblicken. Details lassen sich vergrößern und sensible Bereiche somit effizient überwachen. Ein Hersteller hat das weltweit erste Megapixel-Zoomobjektiv in kompakter Bauweise für Tag/Nacht-Megapixelkameras bereits vorgestellt.

Dieses Objektiv liefert bei einer Brennweite von zehn bis 320 Millimetern durchgehend ein Auflösung von mindestens 1,3 Millionen Pixeln. Durch die Kombination aufwändiger Beschichtungen und spezieller optischer Elemente wird eine extrem hohe Transmission für IR-Licht erzielt – und das ohne mechanische Korrekturelemente.

Die hohe Auflösung von Megapixel-Zoomobjektiven erlaubt kompakte Komplettsysteme inklusive Megapixel-IP-Kamera, S/N-Kopf und Wetterschutzgehäuse. (Bild: Videor)

Die hohe Auflösung erlaubt die Kombination von optischem und digitalem Zoom und ermöglicht so sehr leistungsfähige Systeme in kompakter Bauform. Ein gelungenes Beispiel ist das jüngst von einem Distributor vorgestellte System, bei dem eine Netzwerkkamera mit 2,3 Millionen Pixel Auflösung mit einem Megapixel-Zoomobjektiv zum Einsatz kommt.

Das System entspricht einem 60fach Zoom, wobei das verwendete Objektiv von der Bauform fast 50 Prozent kleiner ist als ein optisches 60fach Zoomobjektiv. Gehäuse und Schwenk-/Neigekopf fallen so deutlich kleiner aus. Da das gesamte System über ein einziges LAN-Kabel gesteuert wird, das gleichzeitig die Bilddaten und sämtliche Steuersignale überträgt, lässt es sich leicht in bestehende Videoüberwachungsanlagen integrieren.

Fazit

Vor kaum drei Jahren zum ersten Mal für Videoüberwachungskameras erhältlich, werden Megapixelobjektive heute von verschiedenen Herstellern in festbrennweitigen Versionen oder als Varifokal- und Zoomobjektive angeboten. Ebenso gibt es mittlerweile speziell für hochauflösende Tag/Nacht- oder Netzwerkkameras entwickelte Objektivserien mit entsprechenden Eigenschaften.

Erst seit relativ kurzer Zeit auf dem Markt sind hochauflösende Weitwinkel- und Ultraweitwinkel-Objektive. Sie erweitern mit ihrer aufwändigen Objektivkonstruktion und innovativen Technologien die Einsatzmöglichkeiten im Bereich hochauflösender Videoüberwachungssysteme.

Bei der Wahl des Megapixelobjektivs ist die Art der Anwendung entscheidend, beziehungsweise die zu diesem Zweck eingesetzte IP- oder Megapixelkamera: Jahrzehntelange Erfahrung, eine große Objektivauswahl und qualifizierte Beratung helfen, das für die jeweilige Überwachungssituation am besten geeignete Megapixelobjektiv zu finden.

Eine erste Orientierung bietet beispielsweise der Produktvergleich über praktische Tools auf der Website eines Distributors, bei dem sich die Megapixelobjektive der führenden Hersteller direkt miteinander vergleichen lassen.

Bernhard Uhlhaas, Sales Representative CCTV Sales bei der Fujinon (Europe) GmbH.

Markus Kissel, Public Relations für die Videor E. Hartig GmbH.