Máy tính FOV

HFOV , VFOV và FOV — công thức toán học đằng sau mọi camera CCTV

Góc nhìn của camera được xác định bởi chính xác hai đại lượng vật lý: kích thước hoạt động của cảm biến hình ảnh và tiêu cự của ống kính. Mọi thứ khác — megapixel, codec, thương hiệu, loại ngàm — đều không liên quan đến phạm vi góc nhìn. Góc nhìn ngang ( HFOV ) được tính bằng công thức HFOV = 2 × arctan(W / 2f), trong đó W là chiều rộng hoạt động của cảm biến tính bằng milimét và f là tiêu cự của ống kính tính bằng milimét. Góc nhìn dọc ( VFOV ) sử dụng cùng công thức nhưng thay chiều cao cảm biến bằng chiều rộng (H) thay cho chiều rộng (W). Góc nhìn chéo FOV sử dụng đường chéo của cảm biến. Hầu hết các bảng thông số kỹ thuật của camera quan sát chỉ ghi HFOV ; công cụ tính toán ở trên sẽ tính toán HFOV dựa trên tiêu cự và cài đặt sẵn của cảm biến mà bạn chọn.

Tỷ lệ khung hình rất quan trọng vì chiều rộng và chiều cao của cảm biến không độc lập với nhau. Một cảm biến CMOS 16:9 hiện đại như Sony IMX415 có diện tích hoạt động là 5,6 × 3,1 mm (định dạng quang học 1/2,8"). Với ống kính 4 mm, ta có HFOV ≈ 70° nhưng VFOV ≈ 42°. Một cảm biến 4:3 có đường chéo tương đương sẽ cho HFOV ≈ 64° và VFOV ≈ 50°. Việc chỉ định "góc rộng" mà không nói rõ trục nào rộng sẽ gây nhầm lẫn: cùng một ống kính sẽ cho hình ảnh khác biệt đáng kể trên cảm biến 16:9 so với cảm biến 4:3.

Kích thước cảm biến trong hệ thống CCTV được kế thừa từ cách đặt tên của ống vidicon và hầu như không bao giờ khớp với phân số thực tế. Cảm biến "1/3 inch" có chiều rộng khoảng 4,8 mm, "1/2,7 inch" là 5,0 mm, "1/2,8 inch" là 5,4 mm, "1/2 inch" là 6,4 mm, "2/3 inch" là 8,8 mm và "1 inch" là 12,8 mm. Sử dụng phân số inch thực tế trong bất kỳ công thức tính FOV sẽ ước tính quá cao phạm vi góc nhìn từ 30–60%. Luôn luôn tra cứu chiều rộng mm thực tế từ bảng thông số kỹ thuật của cảm biến hoặc dựa vào các thiết lập sẵn có trong máy tính ở trên.

FOV (Instant FOV) — trường nhìn tức thời, hay kích thước góc của một pixel — là yếu tố thực sự quyết định liệu bạn có thể nhận diện được khuôn mặt hay đọc được biển số xe hay không. FOV tính bằng milliradian xấp xỉ 1000 × khoảng cách giữa các pixel / tiêu cự. Một cảm biến 4 MP kích thước 1/2.8" có khoảng cách giữa các pixel khoảng 2.0 µm; với ống kính 4 mm thì đó là 0.5 mrad/px, hay xấp xỉ một pixel trên 2 mm ở khoảng cách 4 m. Nhân với số pixel cần thiết trên mục tiêu (thường là 200 px trên khuôn mặt để nhận dạng) và bạn sẽ có phạm vi nhận dạng tối đa mà không cần sử dụng đầy đủ các phép toán DORI .

Chế độ hành lang xoay cảm biến 90° sao cho trục dài chạy theo chiều dọc — hữu ích cho hành lang, thang cuốn và lối đi hẹp. Góc nhìn ngang HFOV và góc VFOV hoán đổi vị trí trong phần mềm, và camera tạo ra luồng video theo hướng dọc. Hệ thống quản lý video (VMS) phải hỗ trợ bố cục 9:16 để hiển thị chính xác. Camera đa cảm biến và camera toàn cảnh ghép các khung hình chồng lên nhau từ hai đến tám cặp cảm biến-ống kính để tạo ra trường nhìn rộng liên tục — HFOV hiệu quả điển hình là 180° hoặc 360°, nhưng độ phân giải tại các đường nối giảm đáng kể và mật độ điểm ảnh trên mỗi mét ở khoảng cách xa không tốt hơn so với cảm biến đơn có cùng số megapixel.

Hiệu chỉnh độ nghiêng rất quan trọng đối với bất kỳ máy ảnh nào không được hướng hoàn toàn theo phương ngang. Nếu một máy ảnh ở độ cao 4 m nhìn xuống mục tiêu trên mặt đất cách đó 10 m, thì phạm vi nghiêng là √(4² + 10²) = 10,77 m, chứ không phải 10 m. FOV thẳng đứng thu được cả mặt đất gần và xa cùng một lúc, do đó mật độ điểm ảnh thay đổi đáng kể dọc theo vùng phủ sóng được chiếu. Hầu hết các lỗi trong lập kế hoạch đều bắt nguồn từ việc các kỹ sư bỏ qua điều này và giả định một vùng phủ sóng hình chữ nhật sạch sẽ với PPM đồng nhất.

Hướng dẫn cách sử dụng công cụ tính toán FOV này.

1. Chọn định dạng cảm biến. Bốn thiết lập sẵn này bao phủ hầu hết các camera ống kính cố định được bán ra hiện nay: 1/3" cho camera bullet cấp thấp, 1/2" cho camera turret tầm trung và hầu hết các camera 4 MP, 2/3" cho các mẫu camera hộp và PTZ cao cấp, và 1" cho các cảm biến chuyên dụng cho điều kiện ánh sáng yếu. Chiều rộng tính bằng mm được điền tự động.
2. Thiết lập tiêu cự. Kéo thanh trượt để chọn bất kỳ giá trị nào từ 1 đến 50 mm, hoặc nhấp vào một thiết lập sẵn phổ biến (2.8, 3.6, 4, 6, 8, 12, 16, 25, 35, 50). Đối với ống kính đa tiêu cự, hãy đánh giá máy tính ở cả hai đầu phạm vi thu phóng.
3. Đặt khoảng cách mục tiêu. Đây là khoảng cách ngang từ camera đến mặt phẳng cần quan sát — cổng, dãy kệ, mép bãi đỗ xe. Sử dụng mét hoặc feet tùy theo đơn vị bạn muốn sử dụng. Độ rộng vùng phủ sóng ở khoảng cách đó được tính toán trực tiếp bên dưới.
4. Đọc hai thẻ đầu ra. Hình ảnh đầu tiên hiển thị góc nhìn ngang FOV tính bằng độ — hữu ích khi so sánh với thông số quảng cáo của nhà sản xuất. Hình ảnh thứ hai hiển thị chiều rộng tuyến tính của khung cảnh được bao phủ ở khoảng cách bạn đã chọn — hữu ích khi so sánh với diện tích thực tế bạn cần giám sát.

Ví dụ minh họa: Hệ thống nhận dạng biển số xe tự động (ANPR) tại bãi đỗ xe

Người quản lý khu thương mại muốn lắp đặt hệ thống nhận dạng biển số tự động (ANPR) tại lối vào dành cho xe một làn. Làn đường rộng 3,5 m, và camera sẽ được gắn ở độ cao 4 m trên một cột đặt cách vạch kẻ đường 12 m. Xe phải di chuyển đủ chậm để có thể nhận dạng được — giả sử tốc độ là 10 km/h hoặc thấp hơn, điều này cho phép thời gian phơi sáng khoảng 1/250 giây.

Hãy bắt đầu với camera 4 MP (2560 pixel ngang) trên cảm biến 1/2.8". Để đọc biển số xe châu Âu (rộng 520 mm) một cách đáng tin cậy, bạn cần ít nhất 250 PPM trên mặt phẳng biển số — tương đương với khoảng 130 pixel trên chính biển số đó. Nhập ống kính 4 mm vào máy tính: HFOV ≈ 68°, chiều rộng cảnh ở 12 m ≈ 16,2 m. Điều đó trải rộng 2560 pixel trên 16,2 m, chỉ cho ra 158 PPM — thấp hơn nhiều so với 250 PPM cần thiết.

Nâng cấp lên ống kính 8 mm. Góc HFOV giảm xuống còn 37,4°, chiều rộng khung hình ở khoảng cách 12 m trở thành 8,1 m, và mật độ điểm ảnh tăng lên 316 PPM — cao hơn đáng kể so với ngưỡng nhận dạng 250 PPM. Vùng phủ sóng ngang 8,1 m dễ dàng bao phủ làn đường 3,5 m cộng thêm vùng rìa. Khoảng cách xiên từ độ cao lắp đặt 4 m đến vạch đọc 12 m là √(4² + 12²) = 12,65 m, do đó PPM hiệu quả tại mặt phẳng mục tiêu xiên gần với 300, vẫn cao hơn ngưỡng cho phép.

Ống kính 12 mm sẽ cho độ phân giải 474 PPM — quá mức cần thiết cho một làn đường và quá hẹp để thu được biển số xe nếu xe dừng hơi lệch sang một bên. Ống kính 8 mm là lựa chọn phù hợp. Phép tính tương tự cũng cho thấy tại sao "bất kỳ camera 4 MP nào" cũng không đủ: ống kính 4 mm ở khoảng cách 12 m đơn giản là không đưa đủ điểm ảnh lên biển số xe, bất kể camera được quảng cáo như thế nào.

Những lỗi thường gặp FOV

• Sử dụng đơn vị inch theo phân số thực tế làm chiều rộng cảm biến. Cảm biến 1/2.8" không có chiều rộng 1/2.8 inch (9 mm) mà là 5.4 mm. Sử dụng chiều rộng sai sẽ khiến mọi giá trị FOV rộng hơn 30–60% và mọi ước tính khoảng cách đều quá lạc quan.
• Trích dẫn HFOV khi quá trình cài đặt cần VFOV . Hành lang và lối đi quan tâm đến phạm vi phủ sóng theo chiều dọc, chứ không phải chiều ngang. Hoặc xoay sang chế độ hành lang hoặc tính toán VFOV một cách rõ ràng. Giá trị HFOV mặc định trong bảng thông số kỹ thuật không liên quan đến các ứng dụng trục dọc.
• Bỏ qua phạm vi độ nghiêng và độ lệch. Một camera đặt ở độ cao 4 m hướng vào mục tiêu trên mặt đất cách đó 10 m có tầm nhìn xiên là 10,77 m và diện tích tiếp xúc với mặt đất là hình thang, không phải hình chữ nhật. Phép tính đơn giản về FOV ngang chỉ chính xác tại trục quang học.
• Quên tỷ lệ khung hình khi kết hợp định dạng 16:9 và 4:3. Ống kính 4 mm trên cảm biến 16:9 1/2.8" cho HFOV 70° nhưng chỉ có góc nhìn dọc ( VFOV ) 42°. Cùng một ống kính đó trên cảm biến 4:3 có đường chéo tương đương cho HFOV 64° và VFOV 50°. Việc sử dụng phần cứng khác nhau giữa các định dạng tạo ra vùng phủ sóng không nhất quán ngay cả khi "ống kính giống nhau".
• Coi FOV toàn cảnh như một phép cộng. Camera 360° 4 cảm biến không cho số điểm ảnh gấp 4 lần ở khoảng cách xa — mà chỉ cho mật độ điểm ảnh gấp 1 lần so với cảm biến đơn ở bất kỳ phạm vi nào, chỉ là được ghép lại trên một góc phương vị rộng hơn. Hãy sử dụng camera toàn cảnh để nắm bắt tình huống, chứ không phải để nhận dạng tầm xa.

Các tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo về tuân thủ

• EN 62676-4:2015 — Hướng dẫn ứng dụng cho hệ thống giám sát video. Định nghĩa khung mật độ điểm ảnh DORI chuyển đổi FOV thành các hạng mục hiệu suất hoạt động. Máy tính EN 62676-4 →
• IEC 62676-4:2025 (OODPCVS) — Bản cập nhật quốc tế năm 2025 giới thiệu mật độ điểm ảnh chế độ hành lang (PPM_v) và các tầng phụ nhận biết phân tích AI .
• NATO STANAG 4347 / Johnson Criteria — Chỉ số chu kỳ trên mục tiêu cho cảm biến nhiệt, với 1,5 / 6 / 12 chu kỳ cho Phát hiện / Nhận dạng / Xác định. Sử dụng các chỉ số góc thay vì số lượng pixel. Công cụ tính toán tiêu chí Johnson →
• NDAA Section 889 — Hạn chế mua sắm của Mỹ đối với thiết bị video thuộc danh sách từ các nhà sản xuất được liệt kê; không liên quan đến toán học FOV nhưng thường là điều kiện tiên quyết trong quá trình đấu thầu. Tài liệu tham khảo về tuân thủ NDAA →
• IEC 61146-1 — Phương pháp đo lường cho máy quay video: định nghĩa các quy trình chính thức để đo độ phân giải, độ nhạy và phạm vi góc quay ở cấp độ phòng thí nghiệm.

Tiếp tục đọc