Очень давно, на заре телевидения, когда оператору требовалось изменить фокусное расстояние объектива, он применял вращающиеся механизмы-турели, на которых были закреплены объективы с разыми оптическими характеристиками. По сравнению с ручной заменой объективов на ходу этот способ был несколько удобнее, однако и в этом случае переход на другое фокусное расстояние был не плавным, а ступенчатым. И, что более важно, в процессе смены объектива была неизбежной засветка сенсора и соответствующее прерывание трансляции изображения.
Поэтому перед инженерами-оптиками встала задача создания механизма, позволяющего непрерывно изменять фокусное расстояние. Принцип действия такого механизма основан на одновременном перемещении нескольких групп оптических элементов (линз). Перемещение это, естественно, производится вдоль оптической оси, однако оно должно быть весьма точным и заведомо нелинейным. Это накладывает весьма серьёзные требования не только на оптическую часть конструкции, но и на механическую. Задача эта была решена успешно, и, как всем нам известно, зум-объективы приобрели большую популярность и нашли повсеместное применение в видеонаблюдении и веща- тельном телевидении. При помощи особого барабанно-кулачкового механизма, как правило, две группы линз (одна носит название вариатора, вторая компенсатора) перемещаются друг относительно друга таким образом, что эффект масштабирования осуществляется при сохранении фокусировки на объекте. Как вы прекрасно понимаете, для успешной работы всей этой системы крайне необходимо обеспечить точность и отказоустойчивость механических частей.
Многие фотографы-перфекционисты считают, что зум-объективы никогда не догонят по качеству изображения фиксированную оптику. В буквальном смысле они правы, поскольку при перемещении элементов оптической системы в зум-объективе всегда возникают погрешности, обусловленные точностью изготовления движущихся частей, что приводит к дополнительным оптическим искажениям (аберрациям!) по сравнению с фиксированными объективами. Следовательно, по абсолютным показателям оптического качества при одном и том же фокусном расстоянии зум-объектив всегда будет несколько хуже фиксированного. В видеонаблюдении, однако, для достижения адекватного результата нужны компромиссы, ведь у безопасности другая задача, которая далека от художественных целей. Возможность непрерывного изменения углов поля зрения без необходимости замены оптики представляет собой исключительную практическую ценность. В особенности эта функция удобна в случаях, когда камеры жёстко закреплены на своих позициях (например, на мачтах либо крышах зданий); к тому же, повторюсь, требования к разрешению изображений здесь не так критичны, как в киноиндустрии. Однако не следует думать, что в ходе своей эволюции зум-оптика никогда приблизится по качеству к фиксированным объективам.
Главной характеристикой зум-объективов считается их степень масштабирования, или кратность. Определяется она как отношение максимального фокусного расстояния (режим телеобъектива) к минимальному (режим широкоугольника). Обычно угол поля зрения в режиме телеобъектива является меньшим, чем стандартный, а в режиме широкоугольной съёмки большим. Поскольку фокусное расстояние телеобъектива заведомо больше, чем широкоугольного, кратность зум-объектива всегда превышает единицу.
В последние годы приобрели значительную популярность мини-купольные поворотные камеры с зумом. Большинство из них оборудованы встроенными зум-объективами с различной кратностью. Обычно, помимо оптического масштабирования, в такого рода камерах предусмотрено и цифровое. Цифровое увеличение, несмотря на существенные отличия от оптического, в ряде случаев позволяет лучше рассмотреть удалённые объекты. Купольные поворотные камеры удалось значительно минимизировать (обычно диаметр купола составляет около 12 сантиметров) благодаря использованию в них всё уменьшающихся сенсоров. Чем меньше сенсор, тем меньше и размеры оптики. Собственно, это, наряду со снижением затрат на производство, является одним из оснований для минимизации сенсоров. Однако следует понимать, что требования к зум-оптике под, скажем 1/4-дюймовые сенсоры и меньше, более высоки из-за более высокой пиксельной плотности матриц.
Zoom-объективы характеризуются также и относительным раскрытием диафрагмы (или Т-числом). Приводимое для зум-объективов F-число (как это было объяснено в разделе, посвящённом относительному отверстию диафрагмы) привязано к минимальному фокусному расстоянию. К примepy, F-число для объектива «8-80mm/1.8» составляет F1,8 при фокусном расстоянии 8 мм. F-число не является постоянным для всего диапазона фокусных расстояний. Относительное отверстие обычно остаётся постоянным по мере увеличения фокусного расстояния, однако в определённый момент происходит так называемое падение светосилы объектива (F-drop). Величина фокусного расстояния, при котором происходит резкое падение светосилы, зависит от конструкции объектива. Как правило, чем меньше диаметр входной линзы, тем меньше критическое фокусное расстояние. Это является одной из главных причин того, что объективы с большой степенью масштабирования имеют большие диаметры входных линз таким образом производители пытаются минимизировать эффект падения светосилы. Зум-объективы, как и фиксированные, могут иметь ручную, автоматическую либо моторизованную установку диафрагмы. Несмотря на то, что принципы работы автодиафрагмы были объяснены в разделе, посвящённом фиксированным объективам, давайте повторно уделим внимание этой теме - поскольку в конструкции зум-объектива моторизованная диафрагма представляет собой дополнительную отдельно перемещаемую под-группу оптических элементов.
Зум-объектив с ручной установкой диафрагмы оборудован регулировочным кольцом для установки необходимого значения пользователем/инсталлятором. В видеонаблюдении такого рода оптика применяется редко, в основном при тестировании камер либо в демонстрационных целях.
Объективы с автоматической диафрагмой являются наиболее распространённым типом зум-оптики. Внутри такого объектива находится электронная схема, работающая по принципу электронно-оптической обратной связи. Объектив в таких случаях подключается к разъёмам камеры для подачи на него электропитания (9В постоянного тока) и аналогового видеосигнала. Электроника объектива анализирует уровень видеосигнала и принимает соответствующие решения: если размах видеосигнала превышает 0,7В, подаётся команда на уменьшение относительного отверстия, пока поступающий на вход сигнал не будет нормализован. При слишком низком уровне сигнала диафрагма автоматически открывается, чтобы в объектив поступало большее количество света и уровень видеосигнала повысился. Для такого рода объективов (как и фиксированных) предусмотрена регулировка двух параметров - уровня и автокомпенсации засветки (ALC). Регулировка уровня призвана настроить уровень видеосигнала, на который ориентируется электронная схема, принимая решение об открытии либо закрытии диафрагмы. Эта настройка влияет на яркостную составляющую видеосигнала. При неправильно заданном уровне может возникнуть существенная разница в качестве изображения дневных и ночных сцен. Очевидно, что при задании уровня в ночных условиях съёмки необходимо принимать во внимание характеристики чувствительности камеры. Регулировка автокомпенсации засветки (ALC) задаёт параметры оценки уровня видеосигнала, на который реагирует схема установки диафрагмы. Фактически, эта функция подобна компенсации встречной засветки (backlight compensation, BLC), используемой во многих моделях бытовых видеокамер (как мы уже упоминали в раз- деле, посвящённом фиксированным объективам). Идея компенсации засветки основана на том, что при более широком раскрытии диафрагмы в условиях пересвеченного фона будут лучше видны детали объектов, находящихся на переднем плане. Типичный пример: камера направлена в коридор (в конце которого находится ярко освещённый участок), и оператор пытается разглядеть лицо человека, идущего в направлении камеры.
При обычных установках объектива лицо этого человека будет выглядеть излишне тёмным, поскольку избыток света на заднем плане приведёт к закрытию диафрагмы. Настройка ALC позволяет управлять реакцией системы диафрагмирования на интенсивность и размеры ярких объектов. Установка автокомпенсации засветки, по сути, устанавливает уровень срабатывания регулировки диафрагмы относительно усреднённого и пикового размахов видеосигнала. По этой причине крайние положения потенциометра подстройки ALC обычно обозначаются «Peak» (пиковый) и «Average» (средний). Наличие яркого малоразмерного объекта при пиковой оценке уровня видеосигнала снижает контрастность всех менее освещённых объектов и фона. При оценке по среднему яркий малоразмерный объект становится пересвеченным, однако в более тёмных участках изображения будет возможно различить детали.
Следует помнить, что регулировать автокомпенсацию засветки необходимо при съёмке сцен с заведомо высокой контрастностью. Если камера направлена на сцену с низким перепадом контрастности объектов, в видеосигнале не будет видимых изменений. В последнем случае повороты потенциометра подстройки могут сбить настройки камеры, что впоследствии может проявиться при повышении контрастности сцены. Всё упомянутое выше относится к большинству объективов с автоматической диафрагмой, управляемых, как это было описано, видеосигналом, поступающим со специального разъёма камеры. отличие от объективов с диафрагмой, управляемой видеосигналом, существуют и объективы с иным способом управления - моторизованные. О них поговорим в следующей статье.