ビデオ監視システムのレンズ選定における重要な考慮事項
アンドレア・イニゲス ビジネス開発担当副社長、Theia Technologies.
これは、レンズ選定が間違っていた場合と正しかった場合の話です。よくあることですが、レンズ選定はあまり注目されず、最悪の場合、後回しにされることがあります。慎重に考慮される場合でも、完全に理解されているわけではありません。ビデオ監視システムを設計する際にコストのかかるミスを避けるためには、十分な注意を払うことが重要です。
以下の2つのケーススタディを使用して、レンズ選定における最も重要な考慮事項のいくつかを示します。両方のケースは、公共学校のセクターからのものです。両校とも目標を定め、選定したレンズの調査、評価、およびテストを行った後に設置を行いました。それでも、片方のプロジェクトは失敗し、もう片方は成功しました。では、失敗したケースで何が問題だったのでしょうか？成功した応用には何が違いをもたらしたのでしょうか？詳細を掘り下げてみましょう。
ケーススタディ1 - ニュージャージー州の高校
この学校が抱えている問題は、安全性の問題であると説明しました。彼らは、暴力に発展させたくない受け入れ難い攻撃的な生徒の身体的行動や、限定的な窃盗を抱えていました。彼らは、改善されたビデオ監視システムが抑止力および事後対応に役立つと考えました。既存のビデオ監視システムは「高解像度」と考えられるアナログカメラで構成されていましたが、カバーする必要範囲をコスト効果的に満たすと感じていた広角レンズを使用するには解像度が十分ではなかった。彼らは、PTZカメラを持っていなかったし、持ちたくもありませんでした。なぜなら、スタッフが限られており、そのような機器を制御および監視する時間が足りなかったからです。彼らが特定した目標には、出入り口での法医学的品質の識別、駐車場での人の認識、そして珍しい形をした六角形の中央ホールでの法医学的品質の識別が含まれていました。
学校のセキュリティスタッフは、自分たちのニーズに合う製品を見つけるために広範囲なオンライン検索を行いました。彼らは、メガピクセルカメラにアップグレードすることで、より高い画像解像度を得つつ、広い範囲をカバーするために広角レンズも使用できると考えました。彼らはメガピクセルカメラを探し、多くのカメラブランド、モデル、機能の比較を行いました。結果的に、すべてのメガピクセルカメラが彼らのニーズを満たすわけではないことがわかりました。
さらに、広角レンズの調査を行い、広い範囲をカバーすることを求め、地元のインテグレーターにアドバイスを求めました。レンズメーカー4社からのレンズサンプルを評価しました。彼らは、テストしたほとんどの広角レンズが極端な魚眼効果を示すことを発見しました。そして驚いたことに、一部のテストしたレンズでは、5メガピクセルカメラを使用しても不明瞭、または「ぼやけた画像」を生成することがわかりました。
調査と評価の結果、彼らは2台の8メガピクセル、360度マルチセンサーカメラを選択しました。一台はカフェテリア用、もう一台はコンピュータラボ用です。また、34台の5メガピクセルカメラを選択しました。そのうち11台は屋外ドームに、6台は屋内ドームに、残りの17台は5インチ屋内ドーム向けとして。
彼らは水平画角25度のレンズ18台と90度のレンズ8台を選択しました。加えて、Theia Technologiesから水平画角135度、低魚眼歪みレンズ12台を選択し、6台で六角形のホールをカバーし、2台で駐車場とオープンフィールドエリアをカバー、1台で前面の入り口をカバーし、2台で建物のウィングの角をカバーし、さらに1台で2つの仮設建物をカバーすることにしました。
プロジェクトは予算を30%下回り、彼らが選択した機器を指定された場所に配置し、優れた解像度を達成し、画像の流動性が優れ、応答時間が迅速であることが確認できました。行政は十分に満足し、地区内の他の学校も同様にアップグレードすることを計画しました。
サイドバー - 広角レンズ選定
この学校の独特な六角形の廊下は挑戦でした。プロジェクトマネージャーのニック・スティール（セーラム市学校区、ニュージャージー州セーラム）によれば、「私たちが連絡したすべてのインストーラーは、リングの角度が非常に挑戦的であると言い、少なくともカメラの台数を倍にし、角度を半分にするように言われました。駐車場についても同様です。実際にいくつかのベンダーやインストーラーと激しい議論をしました。私たちは計算を行い、新しい（BrandX）5メガピクセルカメラがそれを実現できるとわかっていました。ただ、彼らが全く間違っているということを証明できるレンズを我々は見つける必要があっただけです。
探し回った結果、私たちの仕様を満たす唯一のものがTheiaレンズでした。写真を見たときには驚きました。私たちが必要とした極端な広角を得ただけでなく、誰もが避けられないと言った魚眼効果を回避することもでき、5.1メガピクセルの画像のすべてのドットが完全に活用され、歪みがありませんでした。
5メガピクセルカメラと5メガピクセルTheiaレンズの組み合わせは、彼らが期待していた解像度を提供しました。「誰かが鉛筆を持っているかどうかさえ分かります。」
ケーススタディ2 – 南カリフォルニア高校
ニュージャージーの高校で説明された問題と同様に、学生とスタッフの安全がこの学校の運営にとって最も重要な関心事でした。既存のビデオ監視システムは170台のアナログカメラで構成されていました。このシステムは広角レンズに対して十分な解像度を提供しておらず、法的に認められる個人に関する描写をするには不十分でした。また、このシステムは信頼性が低く、頻繁な故障やダウンタイムがありました。加えて、このシステムは複雑で、維持管理と監視にコストがかかりました。
予想される通り、運営側の目標は、既存のアナログシステムよりも広い空間カバー範囲を達成し、画像の明瞭さを向上させ、システムの稼働時間を増加させ、システムのサイズをより管理しやすくすることでした。新しいシステムでは、60〜70フィートの距離から法的に認められる描写を得るためにズームインし、広く連続的にカバーしたいと考えていました。また、PTZカメラは望んでいませんでした。
彼らのアプローチは少し異なりました。この学校区は、ニーズを満たすシステムを設計するためにコンサルタントを雇いました。このコンサルタントは学校と会って彼らのニーズを理解し、機器を選定し、メーカーのアドバイスを求め、テストを実施しました。
このコンサルタントはシステムを指定し、カメラの台数を170台のアナログカメラから43台のメガピクセルカメラに減らし、さらにTheia Technologiesからの43台の広角、低歪みの5メガピクセルレンズを選びました。
結果: カメラとレンズが購入され、取り付けられたが、その後すぐにレンズが返品されました。何がうまくいかなかったのでしょう？
何が問題だったのでしょうか？ CSI効果が登場します。
メガピクセルカメラとメガピクセルレンズの組み合わせがどれほど強力であっても、人気番組のCSIでは無視されている技術的な物理的制限があり、結果的に非現実的な期待が生じます。メガピクセルカメラとメガピクセルレンズがあれば、何でも可能だと信じたくなる誘惑は否定できません。
画像解像度vsｆ画角
重要でありながらしばしば無視される考慮事項の1つは、画像解像度と画角の間のトレードオフです。カメラとレンズの組み合わせにおいて、カメラのネイティブ解像度はレンズの画角全体に広がり、ピクセル密度と画像解像度に影響を与えます。解像度が広がるほど、ピクセル密度は低くなります。以下の画像は、同じカメラで同じ距離から撮影され、このトレードオフを示しています。最も広い画角は最も広い範囲をカバーすることができますが、詳細部を見ることはできません。一方、最も狭い画角は詳細部のキャプチャを可能にしますが、広い範囲のカバーは犠牲になります。
次の一連の画像は、すべて同じ高解像度のカメラで同じ距離から撮影されたもので、広画角と広い範囲をカバーする能力と引き換えに、詳細部や人を識別する能力が犠牲になることを同様に示しています。
万能なものはない
システム設計におけるもう一つの重要な考慮事項は、特定のニーズを理解し、それに合った適切な機器を使用することです。物語の初めで、カリフォルニアとニュージャージーの学校の両方が異なる場所で異なる解像度の必要性を認識していたことに気づいたかもしれません。それにもかかわらず、新しいカリフォルニアの学校システムに選定された機器は「全てに対応する一律のアプローチ」を反映していました。これがシステム設計の重大な欠陥であり、レンズが返品される原因となりました。インストール後、学校の運営側は広い駐車場をカバーするだけでなく、距離を置いた場所からナンバープレートをズームインして読み取り、顔を識別することも期待していたことが判明しました。この状況では、広範囲をカバーするための広角レンズと、出入り口ポイントを高解像度でカバーする狭いレンズの組み合わせを使用して、両方のタスクを達成することができたでしょう。
機器選定に対するより特化したアプローチは、調査とテストの面で時間がかかるかもしれませんし、大量購入によるボリュームディスカウントを失うことを意味するかもしれません。しかし、不適切な機器を取り付けてから取り外し、正しい機器を再インストールするという手間、時間、費用、ダウンタイム、そして安全リスクを節約することができます。
利用可能なツールを使用
システム設計と適切な機器選定をサポートするための多くの便利なツールが利用可能です。その一つがTheiaが提供する無料の画像解像度とレンズ計算ツールで、アプリケーションや機器の重要な詳細を入力すると、これらの仮定に基づいて画像解像度を迅速に計算することができます。使用するカメラの解像度とセンサーサイズ、必要だと思われるレンズの画角を入力し、次にプロジェクトの主要な変数 – ピクセル密度として必要だと思う解像度、または距離（フィートまたはメートル）で必要なカバーする範囲、またはカメラが被写体からどれだけ離れているか – を入力します。その後、ツールが他の変数を計算します。
例えば、5メガピクセル、1/2.5インチセンサーのカメラと焦点距離3mmレンズを使用し、被写体から5フィート離れていると指定します。ツールはピクセル密度（この場合27ピクセル/フィート）とカバー範囲幅（ここでは97フィート幅）を計算します。ツールは選択した変数に対する画像解像度のレベルを示す画像を提供し、アプリケーションのニーズを満たすための十分な解像度があるかどうかを迅速に確認することができます。
メガピクセルレンズが必要なのか？
テストの結果、ニュージャージーの高校は、5メガピクセルカメラで標準解像度レンズを使用すると画像がぼやけることがわかりました。通常、多メガピクセルカメラのすべてのピクセルを活用したい場合は、相応する解像力を持つ高品質なレンズが必要です。さもなければ、高解像度カメラに費やしたお金は無駄になります。
メガピクセルカメラを使用する際には、使用されるレンズの焦点面のスポットサイズがカメラのピクセルサイズと同じかそれより小さくあることが重要です。そうでないと、光がピクセルから落ちてぼやけた画像になります。スポットサイズとは、下の画像で示すようにレンズが光線を焦点に合わせる領域です。
メガピクセルレンズは、より多くのレンズ枚数、より複雑な形状と高精度なレンズエレメント（例えば非球面レンズ）が必要となるため、製造が難しく、購入コストが高くなります。
メガピクセルカメラでは、ピクセルサイズと必要とされるレンズのスポットサイズは、センサーのサイズと含まれるピクセルの量によって異なります。たとえば、センサーサイズが異なれば、2台の1.3メガピクセルカメラでもピクセルサイズは異なることになります。下の図はこれを示しています。
レンズを選定する際には、同じセンサーサイズまたはそれより小さいサイズで使用するように設計され、カメラのメガピクセル等級に一致するか、それ以上の等級に対応するレンズを選ぶことが重要です。
それに加え、すべてのメガピクセル等級とされたレンズが必ずしも同等ではなく、メガピクセルレンズを選定する作業は複雑です。これに関するさらに詳細な情報については、以下のリンクにあるホワイトペーパーを参照してください。なぜメガピクセルレンズが必要なのか？
Day/Nightレンズが必要か？
この2つの学校のケーススタディでは、TheiaのSY125レンズが使用されました。SY125レンズはDay/Night（昼夜兼用）またはIR（赤外線）補正されたレンズではありません。レンズの選定は正しかったのでしょうか？答えは、状況によります。
Day/NightまたはIR補正レンズは、赤外線（IR）域の光が存在する際に焦点を維持します。通常、レンズは可視域の光線範囲で設計され、焦点が合わせられています。IR補正されていない場合、IR域の光が投入された場合、焦点がずれる、または焦点がぼやける結果としてぼやけた画像が生成されます。
日光、街灯（蛍光灯を除く）、および目に見えない照明のためのIR LED照明はIR光の源です。自然に発生するIR光を使用する場合、IR照明を人工的に導入する場合、およびDay/Nightカメラを使用して夜間にIRカットフィルターを取り外し、IR光がセンサーに当たるようにする場合には、IR補正レンズまたはDay/Nightレンズが必要です。
IR補正レンズは、可視域の光とIR域の光を同じ焦点面に合わせるように特別に設計されています。これには、より複雑なレンズ設計が必要で、通常はより多くのレンズ枚数、非球面などの複雑な形状のレンズ、および特別なコーティングが含まれます。
Day/Nightレンズに関する詳細な情報については、以下のリンクにあるホワイトペーパー「Day/Night DeMystified: Understanding Day/Night Cameras and Lenses」を参照してください。
F#については？
レンズのF/#（Fナンバー）は、レンズを通過する光の量を決定し、1:1.8 または F1.8 または F/1.8 と表現され、レンズの焦点距離を瞳孔の直径で割ったものを指します。F/#が小さいほど光の集光能力が高く、低光条件ではF/#が低いほど良いです。セキュリティアプリケーションの場合、F/# 2.0以下のレンズを探してください。
レンズ枚数とガラスコーティングも光の透過に影響を与え、希望するF/#と光の集光能力を達成するためには、より複雑なレンズ設計と、しばしば高価なレンズが必要です。
宿題の代わりはありません
これらの2つのケースで示されているように、システム機器、機能、および利点を調査するだけでなく、アプリケーションのニーズを理解することが重要です。これらのニーズは場所によって異なり、場合によっては対立し、ニーズを満たすためにトレードオフが必要です。
アプリケーションとシステムのニーズと目標を理解し、各場所の機器を調査した後、ツールを使用して選択した機器が期待通りに機能するかを計算します。これが完了したら、実際のアプリケーションで製品を評価して機器が実際に機能するかを確認します。
ほとんどの物事と同様に、事前に時間を投資することで、長期的には時間とコストを節約できます。要約すると、
- 各場所/アプリケーションのニーズを詳細に定義する
- 最初にレンズを忘れない
- 必要性 vs 欲求を理解し、トレードオフを特定する
- 単にできるからといって過剰に設計しない（CSI効果）
- 専門家（コンサルタント、製造業者、インテグレーター）のアドバイスを求める
- 社内の第一手の経験を無視しない
- 利用可能なツール（計算機、設計ツール）を調査し、使用する
- 可能な限り実際の状況にて技術的解決策をテストする
- 予算を覚えておくが、ケチって損をしない
- 時間を投資し、コストを節約する！
アンドレア・イニゲス ビジネス開発担当副社長、Theia Technologies