Видеорегистратор и законы физики

Поговорим о том, чего не стоит ждать от видеорегистраторов и на что способны эти приборы в потенциале. Для этого обратимся к науке, непосредственно связанной с предметом исследования - Оптике - разделу физики. Но помимо нее в этой теме мы также коснемся некоторых областей электротехники и отчасти даже законов психофизического восприятия человека.
Некоторые вопросы, которые будут здесь обозначены во многом навеяны обсуждениями материалов нашего первого большого теста регистраторов.

Причины засветки номера

Очень характерный пример подобного явления можно увидеть, опять же, в вышеобозначенных материалах теста. Для примера возьмем это видео:



Прежде всего, скажем, что это самая сложная и не совсем типичная ситуация, когда регистратор находится в высокой машине (джипе), а впереди легковая машина с низким расположением номера. Свет фар при этом светит на прямую в номер.
Один из законов оптики говорит, что угол падения равен углу отражения, по крайней мере, для зеркальных поверхностей. Здесь поверхность не зеркальная, но близка к ней - номер имеет специальное светоотражающее покрытие у которого очень высокий коэффициент отражения при углах близких к прямым, т. е. с ярковыраженной направленностью. Можно заметить как при обгонах засветка резко исчезает.
Повторюсь, здесь мы привели крайний случай, если бы номер был чуть выше, или машина с регистраторами была ниже результат был бы другой.

Угол обзора, читаемость номеров и общее качество детализации

При прочих равных на качество распознавания мелких деталей на видео будет влиять угол обзора и качество оптики. Даже если матрица позволяет записывать при высоком разрешении (сейчас порог большинства видеорегистраторов 1080p - так называемое Full HD), что само по себе не является желаемым пределом, нас будет сильно ограничивать широкий угол. Он, конечно, дает вам очень хорошее представление о развитии ситуации в общем и целом, но вот с деталями проблема. Номера только при относительно близком рассмотрении и при минимальной разнице в скорости будут гарантированно читаться в случае широкоугольной оптики. Для примера возьмем несколько видео:





Как видим, на регистраторе FineVu 500, который обладает достаточно широкоугольной оптикой номера можно разобрать только при ближайшем рассмотрении в самом конце ролика. У Fuho, наоборот, оптика значительно более длиннофокусная и разобрать можно уже и задний номер белого Фольксвагена, и даже номера встречных машин. Здесь дело не столько в качестве оптики и матрицы, сколько в разных масштабах изображения при том же разрешении. Грубо говоря, FineVu пытается запихнуть на такую же плоскость большее количество деталей и при равном масштабе мы получаем 500 пикселей у одного и 1000 у другого.
Об оптике, кстати. Для нее существует такое же понятие разрешения, как и у матриц. Обычно оно измеряется в линиях на миллиметр и зависит от качества материала, используемого в оптической системе (пластик, стекло, низкодисперсное стекло), ее размеров (чем больше, тем лучше) и большого количества других факторов. На данным момент, однако, именно разрешающая способность матрицы является сдерживающим фактором улучшения качества детализации, но, возможно, ситуация через несколько лет изменится.

Время выдержки, чувствительность матрицы и светосила объектива

Теперь добавим скорость. Если в наших видеопримерах речь шла в основном о городском режиме, то на трассе разница скоростей выше: в среднем в 2 или даже в 4 раза. И здесь появляется еще одно ограничение - время выдержки. Время выдержки - это время в течении которого происходит экспозиция одного кадра. Чем оно больше - тем, грубо говоря, большее кол-во событий в кадре успевает произойти и если есть движение, то изображение будет смазано. Это будет критично в первую очередь для мелких деталей, к коим относятся номерные знаки. Время экспозиции изначально ограничено кол-вом кадров. При стандартных 30 fps (frames per second) или кадров в секунду максимально возможное время выдержки кадра будет равно 1/30 секунды. Для примерного ориентира скажу, что для того чтобы минимизировать смазку нам нужно что-то в районе 1/250 секунды. Чем короче - тем лучше. В спортивной фотографии, к примеру, применяются такие величины как 1/4000 и 1/8000.
На время выдержки также на прямую будут влиять чувствительность матрицы и относительное отверстие объектива. С чувствительностью понятно - чем выше, тем лучше, а значение относительного отверстия говорит о светосиле оптики, то есть какое кол-во света способен пропустить объектив. Светосила выражается дробным числом и, как правило, обозначается на объективах выражением 1:2,4 или f/2,4. Максимально возможное значение относительного отверстия равняется единице и в теории означает что прошло ровно столько света сколько попало. На практике никогда так не бывает и для нас это не очень важно. Главное - понять, что чем светосила ближе к единице, тем лучше. На практике 1:1.2 можно назвать сверхсветосильной оптикой, а 1:2.0 средней. На практике производители видеорегистраторов редко указывают величину относительного отверстия, от чего этот параметр не становится менее важным, поэтому ориентироваться, в любом случае, лучше всего будет на качество картинки.
И теперь чтобы подытожить: на длительность выдержки будут в равной степени влиять чувствительность матрицы и светосила оптики, чем выше светосила и чем выше чувствительность, тем короче выдержка и меньше смазка при прочих равных.
Естественно, что от этих двух параметров будет также зависеть качество съемки в ночное время, особенно, при минимальных освещенностях, какую, к примеру можно наблюдать в пасмурную погоду ночью на неосвещенной трассе в дождь.

Влияние ширины угла объектива на читаемость номеров на скорости

Как мы уже говорили, от ширины угла будет зависеть качество восприятия мелких деталей. И в этом случае также можно сказать, чем шире угол, тем принципиальнее будет и время выдержки. Дело в том, что здесь мы имеем дело не с гипотетической умозрительной скоростью, а с визуализированной в пространстве. Чем дальше объект и чем параллельней по отношению к нам угол наблюдения (машина вдалеке на встречной полосе в прямой видимости), тем скорость менее очевидна, чем ближе объект и чем перпендикулярнее угол наблюдения (машина проезжающая мимо нас, когда мы смотрим в боковое окно), тем скорость выражена сильнее. Широкоугольная оптика позволяет наблюдать эти перпендикулярные углы лучше, но так как разница скоростей выше, нужны и более короткие выдержки для четкости картинки. Одна из причин почему это может быть нужно как раз в том что это те места, где номера встречного транспорта будут видны лучше всего, т. к. будут ближе всего к нам в случае широкоугольного объектива.
С длиннофокусной оптикой ситуация опять легче, т. к. она позволит различить номера раньше, до того момента когда визуальная скорость достигнет своего максимума. Кроме этого, угол обзора будет прямым образом влиять и на засветку номера и в целом на читаемость деталей, но уже по другим причинам. Об этом далее.

Динамический диапазон матриц и особенности зрительного восприятия у людей

Динамический диапазон - это способность средства фиксации различать перепады яркостей от самого светлого до самого темного. Чем большую разницу можно различить, тем диапазон шире. У матриц он обычно не превышает 6-7 ступеней, даже у самых качественных. Ступень - это степень изменения яркости в два раза. Это напрямую влияет на способность воспроизводить засвеченный прямым светом номерной знак в ночное время, просто потому что технически такой диапазон не укладывается в рамки нашего устройства. Здесь можно еще раз вспомнить об углах объективов, а, точнее, масштабах изображения. Для этого посмотрим видео от mvictor и его регистратора Cansonic:



Это хороший пример того, насколько разным может быть изображение при разном масштабе съемки, разным не только по масштабу, но и по качеству воспроизведения некоторых деталей. Так как при большей крупности меньше объектов попадает в кадр, получается и меньший перепад яркостей и экспозиционный режим другой, т.к. яркого в кадре больше. Соответственно, даже если номер сильно засвечен, как в первом примере, регистратор быстро подстроится под эти условия.

И на последок поговорим о человеческом восприятии. Не всем до конца бывает ясно, почему глазом мы видим хорошо, когда камера слепнет или наоборот - почему после ослепления фарами встречного автомобиля ночью мы достаточно долгое время пребываем в состоянии практически нулевой видимости, тогда как регистратору нужно совсем чуть-чуть чтобы отойти.
Динамический диапазон глаза, максимумы чувствительности и его возможности гораздо шире, чем у любой существующей матрицы. Однако у глаза существует ограничение по времени темновой адаптации. Это время нужно для привыкания к снизившейся освещенности. Время привыкания зависит от перепада. Если это солнечный день, то основной период адаптации к практически отсутствующему свету (например, свет от луны) занимает около двух минут. К этому времени вы начнете различать основные детали. Далее адаптация продолжается в течении примерно получаса - она может называться уже полной.
У видеофиксаторов смена экспозиционного режима (реакция на изменение освещенности) работает гораздо быстрее, адаптируя выдержку в течении доли секунд. Однако, по максимальной чувствительности они пока далеки от глаза человека.

 

Немного обновил и отредактировал.

 

Это не совсем так. У камер, например, нет понятия периферического зрения, другая широта, другая реакция на перепады света, Угол основного поля зрения примерно похож, здесь я согласен.

Да, попробовать было бы интересно.

Не согласен. Посмотрите примеры с Фухо, например, из первого сообщения.

 

Тут зависит от выдержки регистратора, но и от ширины угла будет зависеть.

 

aspb, Контрастность конечно принципиальна, но вот как она меняется ночью для меня не очень понятно, хотя чем ниже освещенность тем будет ниже и контраст. С освещенностью ночью по-разному бывает. И это никак не влияет на смазку. На смазку влияет только скорость объекта (визуальная) и длительность экспозиции кадра.

 

Посмотрите записи с Фухо дневные и ночные. Не все номера грязные, тем не менее, ночью смазаны, днем резкие.

Про это и говорю.

 

Верно, но все зависит от условий. mvictor сделал допущение, что на длиннофокусном объективе Кансоника читаться будет. Я полагаю, что это возможно.

Резкие почти все. А грязный номер не значит отсутствие резкости, правильно?

 

Что значит кошки серые? Если есть какой-то свет, достаточно чувствительности, достаточно короткая выдержка, то почему нет?

Грязный нет, чистый да.