Überwachungskamera: Brennweite berechnen + Objektiv berechnen

CCTV Kamera Ein Bereich soll mittels einer Videokamera überwacht werden. Doch welche Brennweite benötigt die Kamera? Welche Sensorgröße ist richtig? In welcher Höhe muss die Kamera installiert werden? Mit diesem Rechner können verschiedene Szenarien simuliert werden. Zum Beispiel die Sensorgröße oder die Installationshöhe der Kamera.

Videokamera-Rechner

Quelle: www.samcon.eu

Brennweite einer Überwachungskamera ermitteln

Bei Überwachungskamerasystemen (engl. Closed Circuit Television, kurz CCTV) kommt es darauf an, dass jede einzelne Kamera den zu schützenden Bereich optimal abdeckt und aufnimmt. Daher ist der Wahl des richtigen Bildausschnitts besonders wichtig, um beispielsweise tote Winkel zu vermeiden und den gesamten Bereich mit möglichst wenigen Kameras zu erfassen. Entscheidend ist die Brennweite des Objektivs, die wiederum von dem im Kamerainneren eingesetzten Bildsensor abhängt. Dessen Größe wird in Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) ausgedrückt, üblich sind Sensorgrößen zwischen 1/6 und 1/1 Zoll. Die Angaben zur Sensorgröße findet man in den technischen Unterlagen des Herstellers oder auf der Kamera selber.

Welche Kamera sich für ein Objekt eignet? Mittels Entfernung zum Objekt, Installationshöhe der Kamera und Breite bzw. Höhe des zu überwachenden Bereiches lässt sich dies errechnen.

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Neben der Größe des Sensors sind weitere Angaben zur Installation des CCTV-Systems erforderlich:

  • Höhe und/oder Breite des überwachten Objektes
  • Entfernung von Kamera zum überwachten Objekt
  • Installationshöhe der Kamera

Aber: Vorsicht Falle! Kameras decken nur einen bestimmten Bildwinkel ab. Je näher Objekte an der Kamera sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie außerhalb des einsehbaren Bereichs liegen.

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Die Bedeutung von Brennweite und Sensorgröße

Digitale Bildsensoren verfügen auf ihrer Oberfläche über eine Matrix von lichtempfindlichen Sensoren. Das einfallende Licht überträgt seine Energie auf die Sensorelektronik und wird digitalisiert. Je mehr Sensoren pro Quadratzoll vorhanden sind, desto feiner wird die Auflösung. Und: Je größer die Sensorfläche ist, desto mehr Fläche des Motives kann aufgenommen werden. Aus diesem Grund kann man anhand der Sensorgröße – genauer anhand der Länge der Bilddiagonalen des lichtempfindlichen Matrixfeldes in Millimetern – und der eingestellten Brennweite exakt den sichtbaren Bereich und die Bildwinkel berechnen. Übrigens: Je mehr Pixel auf einen Sensor gezwängt werden, desto mehr rauscht das Bild.

Das Objektiv von CCTV-Kameras

Die Qualität der aufgenommenen Bilder hängt wie bei DSLR-Kameras in erster Linie davon ab, was für ein Objektiv in der Kamera eingesetzt wird. Denn über das Objektiv wird das einfallende Licht gebündelt und erst danach digital vom Kamerasensor verarbeitet. Je besser (also lichtstärker) das Objektiv ist, desto besser werden die Qualität des Ausgangsmaterials und das erzeugte digitale Videobild. Objektive für die Videoüberwachung werden grob in drei Kategorien eingeteilt:

  • Objektive mit Festbrennweite (auch Fix-Objektive genannt),
  • Motor-Zoom-Objektive
  • Vario-Objektive

Die drei Objektivarten unterscheiden sich in ihrem Aufbau, dem jeweiligen Anwendungszweck und nicht zuletzt auch im Preis.

Objektive mit Festbrennweite bieten eine hohe Lichtstärke, eine kompakte Bauform und ein relativ geringes Eigengewicht. Auf der anderen Seite kann die Brennweite bei diesen Objektiven nicht angepasst werden: Sollen unterschiedliche Bildausschnitte aufgenommen werden, muss daher die Entfernung der Kamera zum Objekt angepasst werden.

Diesen Nachteil gleichen Motor-Zoom-Objektive aus, die einen größeren Brennweitenbereich abdecken und somit auch geeignet sind, um Details näher zu betrachten. Für den variablen Brennweitenbereich hat sich die Bezeichnung „optischer Zoom“ durchgesetzt, realisiert wird diese Funktion durch kleine Motoren im Objektiv, über die Brennweite, Blende und Fokus gesteuert werden.

Eine technisch einfachere Variante stellen Vario-Objektive dar, die keine Motorunterstützung bieten. Bei ihr müssen Veränderungen der Brennweite und die notwendige Nachfokussierung daher direkt am Kameraobjektiv vorgenommen werden. Dafür sind Vario-Objektive kompakter und leichter konstruiert und deutlich günstiger in der Anschaffung als Motor-Zoom-Objektive.

Einfache Physik: Ohne Licht kein Bild

Je weniger Licht in einer Überwachungssituation vorhanden ist, desto wichtiger wird ein lichtstarkes Objektiv für die Kompensation. Sofern das Objekt jederzeit – etwa durch Kunstlicht – ausreichend stark beleuchtet wird, kann man auch ein Objektiv mit geringer Lichtstärke einsetzen. Im Umkehrschluss muss das Objektiv bei dunklen Lichtverhältnissen besonders lichtstark sein, um noch verwertbare Aufnahmen zu gewährleisten.

Die Lichtstärke gibt man bei Objektiven als Quotient von Durchmesser und Brennweite an, etwa mit der Angabe F 1:1,0 oder 1:1,4. Je kleiner der zweite Wert, desto lichtstärker ist die eingesetzte Optik, desto weniger Licht muss also vorhanden sein. Diese Größen haben direkten Einfluss auf die mögliche Bildqualität. Denn: je weniger Licht auf den Kamerasensor fällt, desto mehr muss die Kameraelektronik das Videosignal verstärken. Und das führt zu einer Verschlechterung der Bildqualität durch Bildrauschen und eine reduzierte Detailtiefe. Um unter ungünstigen Lichtbedingungen also noch deutliche Bilder zu erhalten, muss man Objektive mit einer größeren Blende (F 1:1,0) einsetzen, die jedoch deutlich kostenintensiver sind als weniger lichtstarke Vertreter.

Die durchgelassene Lichtmenge halbiert sich dabei von einer Blendenstufe zu nächsten (etwa von Blende 4,0 auf 5,6 ), bei einer Verdoppelung der Blendenzahl (von 4,0 auf 8,0) geht die verwertbare Lichtmenge auf ein Viertel zurück.

Die Blende steuern für optimale Ergebnisse

Nicht nur bei Aufnahmen mit zu wenig Licht leidet die Bildqualität, auch zu hell ausgeleuchtete Motive werden nicht in optimaler Bildqualität aufgezeichnet, zudem kann zu starker Lichteinfall dem Bildsensor schaden. Aus diesem Grund lässt sich der Blendenwert von Objektiven regulieren, sowohl manuell als auch automatisch.

Bei der manuellen Blendensteuerung kann man den Lichteinfall von Hand direkt am Objektiv regeln. Der Nachteil hierbei: Verändern sich die Lichtverhältnisse, muss die Blende manuell neu eingestellt werden, eine automatische Anpassung ist nicht möglich. Daher wird bei der manuellen Blendensteuerung die Blende in der Regel auf einen Durchschnittswert eingestellt, der sowohl an hellen Sonnentagen wie auch in der Dämmerung akzeptable Aufnahmen gewährleistet. Damit ausgestattete Objektive sind günstiger und eignen sich für alle Einsatzbereiche mit konstantem Lichteinfall, etwa in Innenräumen.

Auto-Iris-Objektive, bei denen die Blendensteuerung automatisch nachgeregelt wird, für den Einsatz im Außenbereich besser geeignet. Entweder wird die Blende vom Prozessor der Kamera gesteuert oder das aufgenommene Videosignal wird kontinuierlich analysiert und dient damit der exakten Steuerung der Blende. Diese Objektive sind aufgrund des höheren technischen Aufwandes deutlich teurer, sorgen dafür aber auch bei häufig wechselnden Lichtverhältnissen für optimale Aufnahmen.

Aufnahmen bei Dunkelheit

Um auch in der Dunkelheit Videoaufzeichnungen in verwertbarer Qualität zu machen, können in der Nacht Infrarotstrahler zur Ausleuchtung eingesetzt werden. Mit einem speziellen, IR-tauglichen Objektiv können die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes, die sich im sicht- und unsichtbaren Bereich bewegen, gleichzeitig aufgenommen werden. IR-Objektive gleichen die Unterschiede in den Wellenlängen mit einen besonderen optischen Aufbau aus, während man bei einem konventionellen Objektiv die Schärfe bei jedem Umschalten in den Tag-/Nachtbetrieb nachregeln muss, um bei wechselnden Lichtverhältnissen Aufnahmen mit ausreichender Tiefenschärfe zu gewährleisten.

Innere Werte von Objektiven

Reflexionen und Streulicht sind – besonders bei sehr hellen Lichtverhältnissen oder Gegenlicht – nicht zu vermeiden, gehen aber zu Lasten der Bildqualität. Reduzieren kann man diese Effekte durch eine Oberflächenvergütung, die bei hochwertigen Objektiven und Kamerasystemen mittlerweile zum Standard zählt.

Viele Objektivhersteller werben zusätzlich mit „asphärische Linsen“, bei denen mindestens eine Linse nicht kugelförmig („sphärisch“) geschliffen ist. Damit werden optische Bildfehler wie die sphärische Aberration unterdrückt, ohne die Aufnahmequalität zu verringern. Durch den höheren technischen Aufwand in der Produktion sind solche Objektive jedoch teurer.

„Achromaten“ und „Apochromaten“ sind speziell für die korrekte Farbwiedergabe entwickelte Objektive: Während Achromaten nur das primäre Farbspektrum bei Aufnahmen korrigieren, gleichen Apochromaten auch das sekundäre Farbspektrum an.