Focale, vous avez dit Focale ?

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L’idée de cet article m’est venue lorsqu’un visiteur du site voulait connaître avec précision ce que pouvait filmer une caméra et ceci bien sûr avant d’en faire l’acquisition.

Il posait alors des critères de cadrage bien arrêtés : Etre sûr que la caméra va bien prendre les éléments à droite, à gauche, en haut et en bas qu’il souhaitait.

Les fabricants indiquent généralement l’angle de vision de la caméra mais il est difficile d’associer cette information à ce que va être concrètement la vue de la caméra.

Si vous voulez entrer dans le détail afin de connaître ce que va réellement filmer la caméra  ou tout simplement comprendre comment tout cela s’articule, alors cet article est fait pour vous.

 

 Focale

C'est la distance entre
le centre optique de la lentille de votre caméra et le capteur d’image

 



Oui et alors ?

Et bien, lorsque que souhaitez faire l’acquisition d’une caméra IP, un point capital est celui du choix de la focale. Surtout si la focale de la caméra est fixe.

En fonction de la valeur en mm de la focale (2.8, 4, 6, …), votre caméra aura un angle de vision plus ou moins grand.

Bien sûr il existe des caméras à focale variable (« varifocale »)  ou carrément PTZ qui vous permettront d’ajuster au mieux la focale lors de l’installation, mais ce n’est pas le même budget.

Tenez compte que plus l’angle de vision est grand, plus la scène filmée sera grande.

En revanche si vous souhaitez privilégier les détails, la reconnaissance des visages par exemple, votre choix devra se porter sur des focales importantes au détriment de la taille de la scène.

Autrement dit, si vous souhaitez surveiller la porte d’entrée de votre maison, il est inutile de filmer  le jardin et la toiture. Vous perdriez en plus des détails comme celui des visages des personnes qui sonnent à votre porte.


Mais comme toujours, rien n’est simple car il faut prendre en compte d’autres paramètres.

C’est ce que nous allons développer maintenant en prenant dans un premier temps : le capteur d’image.



Capteur d’image

Si la focale est un critère essentiel, la taille du capteur l’est aussi, car ils forment un tandem qui va déterminer l’angle de vision de votre caméra.

Sur le marché des caméras grand public, la plupart des caméras ont un capteur 1/3 ou très proche de 1/3. Nous allons donc choisir ce format pour notre étude.

Les dimensions d’un capteur 1/3 sont très petites :

  • Largeur : 4,8 mm
  • Hauteur : 3.6 mm
  • Diagonale : 6 mm

Comparé avec le fameux format connu de tous, celui des diapositives argentique 24x36, le capteur 1/3 est vraiment minuscule.

Avec une taille aussi petite, on prend tout de suite conscience de l’importance de sa résolution exprimée en pixels.

Pour vous donner un avis tout à fait subjectif, avec un capteur 1/3 de 4 MP (Millions de Pixels) l’image de la caméra est plus que convenable.

On trouve maintenant sur le marché des caméras possédant un capteur 4K de 8MP avec un format de 1/1.7, plus grand que le format 1/3 mais le budget est important.

Un capteur 1/1.7 a les dimensions suivantes : Largeur 7.6 mm, Hauteur 5.7 mm

Reste à savoir maintenant si 8MP sur un capteur de 1/1.7 c’est nettement mieux que 4MP sur un capteur de 1/3, mais nous n’irons pas aussi loin dans le détail.

 

Angle vision

Maintenant, on sait ce qu’est une focale et on connaît l’importance de la taille du capteur.

Comment associer tout ça pour obtenir l’angle de vision ?

Le croquis ci-dessous montre tous les acteurs en jeu qui vont permettre de calculer :

  • L’angle de vision Horizontal, ce que l’on cherche
    • L’angle horizontal θ, pour les calculs
  • L’angle de vision Vertical, ce que l’on cherche
    • L’angle vertical α, pour les calculs

Pourquoi 2 angles de vision différents ?

Et bien parce que le capteur est rectangulaire et en fonction soit de la hauteur ou soit de la largeur, nous aurons un angle de vision différent.

Pour les calculs
  • Angle de vision horizontal θ :
    • Tan θ = (L/2)/F
    • θ = Atan(Tan θ) /PI*180
    • Ah = θ*2
  • Angle de vision vertical α :
    • Tan α = (H/2)/F
    • α = Atan(Tan α)/PI*180
    • Av = α*2


Mais à quoi ça sert tout ça ?

Lorsque l’on a choisi une caméra, on connait donc la taille du capteur et les focales qui peuvent être montées sur cette caméra, mais nous sommes incapables d’imaginer ce que va réellement voir la caméra.

Je souhaite par exemple avoir la vue sur le portail d’entrée de la maison mais surtout pas tout le quartier, le ciel et les oiseaux !

Nous allons donc voir comment dimensionner la scène filmée en fonction du capteur et de la focale.

Trois nouvelles dimensions vont entrer dans le jeu :

  • Distance du centre optique à la scène filmée
  • Largeur de la scène filmée
  • Hauteur de la scène filmée

Entre parenthèse, vous pouvez faire ces calculs pour connaître la taille d’une image projetée sur un écran par un vidéo projecteur.

Revenons à nos moutons !

 

Capteur

H : Hauteur

L : Largeur


F : Focale


Scène

Hs : Hauteur

Ls : Largeur 

D : Distance depuis le centre Optique


Angle de vision

Ah = θ*2 : Horizontal

Av = α*2 : Vertical


Pour les calculs

  • Hs = D*Tan α*2
  • Ls = D*Tan θ*2

 



Comment synthétiser tout ceci ?

Pour la compréhension des angles de vision, qu'ils soient horizontaux ou verticaux, l'essentiel a été dit.

Vous pouvez maintenant les calculer et connaître leurs valeurs en fonction du capteur et de la focale.

Maintenant, vous devriez être capable de les distinguer comme dans l'exemple ci-contre.

On pourrait en rester là si la scène est relativement petite. Par exemple on connait la distance qui sépare la caméra du portail de sa maison et on a calculé la largeur de la scène et sa hauteur.

Sur le terrain, tout cela reste assez facilement mesurable.

Mais pour des vues beaucoup plus grandes où les dimensions de la scène sont impossibles à mesurer il faut trouver une autre solution.

C'est ce que je vais vous proposer dans le paragraphe suivant en prenant pour référence une photo de la scène.


Prenons un cas concret où nous possédons une photo prise par une caméra dont nous connaissons les dimensions du capteur et sa focale.

En suivant de tout ce qui a été dit précédemment, nous allons pouvoir cadrer cette photo en fonction des caractéristiques d’une caméra qui aurait un même capteur mais avec des focales différentes.

Par souci de simplicité, nous ne détaillerons pas les calculs, ceux-ci sont réalisés uniquement sur les recherches des valeurs de Hs et Ls selon les différents paramètres de la caméra : capteur, focale, … Vous avez normalement tous les outils.

Sur l’image ci-dessous, prise avec une focale de 2.8 mm et un capteur 1/3, vous pouvez voir les différents cadrages que l’on peut obtenir selon la focale utilisée.



Conclusion

Cet article est long et compliqué, j’ai donc essayé de rester le plus simple possible. J’espère que j’y suis parvenu.

Si cela ne vous effraie pas, on pourrait rajouter le cas où la photo qui sert de référence est prise par un appareil photo d’une focale et d’un capteur complètement différents de ceux de la caméra que l’on souhaite acquérir.

Il faut toutefois que focale et capteur soient connus.

Comme on dit, c’est vous qui voyez ! Les commentaires sont là pour ça !

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