Seis tesis sobre la sensibilidad.
El mercado moderno de videovigilancia, diseñado para un amplio consumidor, se ha formado en los últimos 10 a 15 años. Además, esto sucedió durante un período de destrucción activa de empresas estatales y abolición de las instituciones de control.
En la Unión Soviética, cualquier producto era diseñado en empresas estatales, tenía documentación técnica estrictamente verificada y las autoridades de inspección supervisaban estrictamente que los productos suministrados cumplieran sus requisitos. Las importaciones se realizaban según el mismo principio, es decir, todos los productos importados del extranjero cumplían los requisitos técnicos aprobados. Además, cabe señalar que todos los dispositivos técnicos se fabricaron sobre la base o teniendo en cuenta el nivel de conocimiento creado por la ciencia académica en las instituciones académicas. Por lo tanto, la documentación técnica de los productos, por supuesto, correspondía al nivel de tecnología existente y correspondía casi por completo a sus características reales.
Desafortunadamente, el mercado moderno de videovigilancia a menudo peca de indicar en la documentación técnica parámetros interpretados de manera muy vaga, algunos autores intentan caracterizar ciertos productos, utilizando algunos términos científicos, describiendo algunas tecnologías; Tras una discusión detallada, resulta que no saben qué incluyen estas tecnologías, sino que simplemente repiten opiniones escuchadas en algún lugar que son válidas para productos de otra clase, fabricados con otra versión de esta tecnología.
Como resultado, un instalador que necesita construir un sistema de videovigilancia con ciertos parámetros basándose en los equipos que ofrece el mercado moderno de videovigilancia debe confiar únicamente en su propia experiencia y crear sistemas de videovigilancia basados en equipos que le son bien conocidos.
Para intentar facilitar un poco la tarea al instalador, intentaremos analizar los parámetros de las cámaras de vídeo, y también prestaremos atención a algunas sutilezas que pueden ayudar a evaluar los parámetros reales de tal o cual equipo.
Sensibilidad de la cámara de vídeo
Los elementos fotosensibles se caracterizan por parámetros tales como sensibilidad integral a la corriente, sensibilidad integral al voltaje y sensibilidad monocromática.
La sensibilidad actual Si determina la cantidad de fotocorriente creada por una unidad de flujo de radiación y se mide en A/lux o A/Watt dependiendo de si la luz se mide en unidades luminosas (lux) o de energía (vatios). Es necesario llamar la atención del lector sobre el hecho de que 1 lux es la iluminación de una superficie de 1 metro cuadrado. m con un flujo luminoso que incide sobre él igual a 1 lm.
La sensibilidad al voltaje Su caracteriza la magnitud de la señal en voltios por unidad de radiación incidente. La sensibilidad a la corriente y al voltaje se denomina integral si caracteriza la sensibilidad al flujo integral de una fuente de luz y monocromática si caracteriza la sensibilidad a la radiación monocromática.
Los métodos para determinar estos parámetros fueron definidos clara e inequívocamente por los GOST y los estándares hace muchos años y no generan dudas ni discusiones en nadie. Por ejemplo, la sensibilidad integral se determina midiendo la corriente o el voltaje proveniente de un fotodetector conectado según un circuito eléctrico específico. En este caso, el fotodetector se ilumina desde una fuente tipo A con un flujo luminoso de aproximadamente 1000 lúmenes o 2000 lúmenes, ubicada a una distancia de aproximadamente 30 cm del fotodetector en una instalación especial que proporciona un cierto ángulo sólido. Esta fuente simula la emisión de luz solar. Tenga en cuenta que una lámpara incandescente convencional de 100 W con un voltaje de 220 V crea un flujo luminoso de aproximadamente 1300 lm.
La sensibilidad de corriente integral se calcula mediante la fórmula:
Si = Iph/(E x A) , donde
Iph – fotocorriente,
E – luminosa flujo, incidente sobre el fotodetector,
A es el área del fotodetector.
Repito que la sensibilidad tiene la dimensión A/lx. En este caso, el flujo luminoso incide, por supuesto, sobre el propio fotodetector y no sobre la lente. Además, como se desprende de la fórmula, cuanto mayor sea la fotocorriente, mayor será la sensibilidad, mejor y de mayor calidad será el fotodetector.
Hay dos parámetros más importantes para los equipos de CCTV.
Capacidad de detección D*, cm x Hz ½ W -1 caracteriza la posibilidad de utilizar un fotodetector para detectar señales ópticas extremadamente pequeñas y se determina mediante la fórmula:
D* = Uф x (A x f ) 1/2/Uш x Ф, donde
Uph – voltaje de la fotoseñal,
Ush – voltaje de ruido del fotodetector,
f – ancho de banda de frecuencias transmitidas,
A – área del fotodetector.
Umbral de sensibilidad del fotodetector F por. Determina el nivel de potencia del flujo luminoso en el que la señal es igual al ruido. La sensibilidad del umbral y la capacidad de detección están relacionadas entre sí mediante la relación:
F por. = A1/2/D*
Sin embargo, en el mercado ruso, casi todas las descripciones de cámaras de videovigilancia contienen un parámetro como la sensibilidad. Sin embargo, este parámetro no está especificado en ninguno de los GOST actuales ni en ningún estándar. Esto permite a los fabricantes de equipos interpretar esta sensibilidad como deseen.
En primer lugar, muy a menudo este parámetro se mide en lux [lx] = [lm] x [unidades. área], es decir, se proporciona iluminación, muy a menudo aparece el término «iluminación mínima» en las descripciones. La sensibilidad, como se señaló anteriormente, tiene una dimensión diferente. Y esto no es sólo quisquilloso.
En segundo lugar, lo más probable es que se suponga que, con tal iluminación, aparece algún tipo de señal en la salida. El nivel de esta señal también aparentemente permanece en algún lugar oculto en la documentación del fabricante, normalmente inaccesible para el instalador. La suposición de que estamos hablando de un umbral de sensibilidad en el que la señal es igual al ruido lleva a la triste conclusión de que no hay señal útil con una iluminación determinada y el sistema no funciona.
Cabe señalar que en algunas descripciones la sensibilidad se interpreta como iluminación en lux, en la que el nivel de la señal es, por ejemplo, 50 IRE. Esto tampoco es, por supuesto, sensibilidad, sino información más específica. Me gustaría repetir que llamo la atención del lector sobre el término “sensibilidad” no para criticar, sino porque es realmente importante. Veamos esto con más detalle a continuación. Para aclarar, observo que en las rutas de video analógico, el nivel eléctrico de referencia correspondiente al color blanco está determinado por el valor de 100 IRE (unidad que recibió su nombre del Instituto de Ingenieros de Radio, una organización profesional creada en 1912 en Nueva York). York). Pero el valor del nivel de negro de referencia puede diferir en diferentes países y sistemas de TV. En el sistema PAL europeo y en la versión japonesa de NTSC, el negro siempre se define como 0 IRE, en EE. UU. y Canadá, 7,5 IRE.
En tercer lugar, la sensibilidad indicada en las descripciones de los fabricantes aparentemente se midió mediante un sistema óptico-electrónico: un elemento fotosensible con una lente. Por lo tanto, la sensibilidad dada en las descripciones es válida sólo para una cámara con una lente de la apertura especificada. Con lentes de diferente apertura será diferente. Teniendo en cuenta que las cámaras CCTV se suministran principalmente con lentes extraíbles y que diferentes fabricantes dan valores de sensibilidad para lentes con diferentes potencias fotográficas, el instalador debe tener una experiencia seria para poder sacar conclusiones sobre el valor especificado por el fabricante en relación con el término. «sensibilidad». Entonces, si las descripciones dan el valor de la iluminación mínima registrada por la cámara con dos lentes diferentes con aperturas F1.2 y F1.4, se debe tener en cuenta que la relación de los valores de apertura relativa debe elevarse al cuadrado. para obtener la correspondiente atenuación del flujo luminoso. Otra cosa es que:
la transmitancia de luz de la lente también importa;
El valor real de la apertura relativa puede diferir del indicado como F1.2 o F1.4, lamentablemente con mayor frecuencia y en menor medida.
En cuarto lugar, a veces la sensibilidad también se mide en diferentes tiempos de exposición, es decir, cuando el obturador se mantiene abierto desde una fracción de segundo hasta varios segundos. Algunos fabricantes, al aumentar el tiempo de exposición de 1/25 sa 1/8 s, consiguen un aumento de la sensibilidad de aproximadamente 10 veces. Al mismo tiempo, la iluminación mínima registrada por la cámara, por supuesto, aumenta a medida que aumenta el tiempo de exposición. Sin embargo, la imagen de la cámara puede aparecer borrosa, especialmente si la cámara apunta a objetos que se mueven rápidamente. Al respecto, es necesario aclarar lo siguiente.
Para tener en cuenta las propiedades inerciales de los fotodetectores en la fotoelectrónica clásica, se tienen en cuenta características como la sensibilidad integral del pulso, la frecuencia máxima de funcionamiento (frecuencia de modulación de la luz a la que la amplitud de la fotorespuesta disminuye a 0,7 desde el máximo), la constante de tiempo de la fotoseñal (determinada por el aumento tiempo del pulso de la fotoseñal a 0) se utilizan .63 del máximo con un pulso de luz rectangular), el cambio de fase entre la luz de entrada y las señales eléctricas de salida.
Si un pulso de luz rectangular incide sobre el fotodetector (Fig. 1a), entonces, debido a las propiedades inerciales inherentes, la corriente en la salida del fotodetector aparecerá y desaparecerá después de un tiempo d = W2/2D p, donde:
W – espesor de la base del fotodetector,
D p – coeficiente de difusión.
En este caso, el frente y la caída del pulso de fotocorriente se verán borrosos debido a la recombinación de portadores de carga en desequilibrio creados por la luz y debido a fluctuaciones en las velocidades térmicas de los portadores de carga (Fig. 1b). Si la duración de los intervalos entre pulsos de luz es mucho mayor que 1556 días, entonces la fotocorriente se presenta en forma de pulsos separados entre sí. A medida que aumenta la frecuencia de repetición de los pulsos de luz, la duración de los intervalos entre ellos disminuye y, a altas frecuencias, el siguiente nivel de fotocorriente comienza cuando el anterior aún no ha terminado (Fig. 1c). Como resultado, con una alta tasa de repetición de pulsos de luz, el fotodetector no tiene tiempo para responder a cada pulso de luz. Por tanto, los pulsos de fotocorriente se fusionan entre sí y se vuelven constantes. Una cámara CCTV que funcione en este modo no proporcionará una imagen clara. La frecuencia límite es la frecuencia a la que I f = 0,7 If max.
En quinto lugar, como se mencionó anteriormente, según GOST, la sensibilidad en su sentido clásico se mide bajo la irradiación de una fuente de luz estándar, generalmente una fuente de tipo A. Algunos proveedores de cámaras de video dicen con orgullo que los valores de sensibilidad indicados en sus descripciones se midieron bajo. exposición distinta a la del rango de radiación visible del espectro, así como la radiación del infrarrojo cercano.
Esto se debe a que todos los objetos naturales emiten rayos infrarrojos. Al mismo tiempo, a menudo se olvida que los objetos naturales se caracterizan por la radiación infrarroja de onda larga, a la que los fotodetectores en estudio no son sensibles.
En sexto lugar, como regla general, no se indica a qué distancia del fotodetector se realizaron las mediciones de iluminación a las que se recibió una señal aceptable de la cámara de video. Está claro que esto puede suceder tanto en el propio fotodetector como a una distancia de varios metros del mismo.
Todos estos aspectos explican la importancia de utilizar el término sensibilidad en su sentido clásico, de lo contrario es muy difícil entender lo que significan los parámetros dados. Pero hay otro argumento importante.
Volvamos a algo de física básica de semiconductores que determina los parámetros de las cámaras.
Recordemos que como resultado de la acción de la luz en un semiconductor se forman pares electrón-hueco, que determinan la producción de corriente eléctrica, es decir, una señal no eléctrica se convierte en eléctrica.
Dependencia de la fotoconductividad del flujo luminoso [lm]. Esta dependencia es lineal a intensidades de luz bajas, luego la característica entra en la región de saturación, es decir, al aumentar la intensidad de la luz, la fotoconductividad permanece constante. Teniendo esto en cuenta, la fotocorriente real con flujos de luz bajos puede ser un orden de magnitud menor que el valor aproximado del valor de la fotocorriente medido bajo iluminación con una fuente estándar, debido a la no linealidad de la dependencia de la fotocorriente del valor de la luz. flujo. Por tanto, es importante llamar una vez más la atención de los instaladores sobre la necesidad de comprobar con el fabricante de la cámara a qué valores de iluminación reales se midió la sensibilidad y si el valor indicado es el resultado de aproximaciones teóricas que no tienen en cuenta cuenta los procesos físicos descritos.
La señal útil o fotocorriente es igual a la corriente total menos la corriente oscura debida al ruido de diversa naturaleza (térmico, de generación-recombinación, de disparo) y menos la corriente debida a la radiación de fondo.
Obviamente, para mejorar la sensibilidad de los fotodiodos, es necesario reducir las corrientes de oscuridad y de fondo y aumentar la fotocorriente.
En la literatura sobre videovigilancia, dicho parámetro aparece (aparentemente, esto se ha desarrollado históricamente) como la relación señal-ruido. Aunque los desarrolladores de matrices fotoelectrónicas suelen utilizar un parámetro como la corriente oscura.
En niveles altos de luz, cuando la señal útil para los fotodiodos de silicio (es decir, los fotodiodos de silicio convierten la luz visible en una señal eléctrica) es microamperios y la corriente oscura es nanoamperios, no hay problemas con la conversión de la señal óptica. A medida que disminuye la iluminación, disminuye el valor de la fotocorriente. La corriente oscura en tales casos sigue siendo la misma. Obviamente, en el caso de que el valor de la fotocorriente sea proporcional al valor de las corrientes oscuras y de fondo, no se puede hablar de claridad, contraste o estabilidad de la imagen. En este caso, es necesario tener en cuenta la dependencia no lineal de la fotocorriente del flujo de luz.
Como resultado, la señal útil puede perderse por completo. Es decir, en una situación en la que la fotocorriente disminuye al disminuir la iluminación y las señales de ruido permanecen constantes, los requisitos de calidad del fotodetector aumentan, lo que, por supuesto, conduce a su aumento de precio. Existen fotodetectores con niveles bajos de corrientes oscuras (del orden de picoamperios, etc.). Cualquier intento de resolver este problema que no sea eligiendo un fotodetector mejor y con un diseño diferente es un autoengaño.
En este sentido, también es necesario tener en cuenta el siguiente punto, que a veces los instaladores no interpretan del todo correctamente. A medida que aumenta el área de cada elemento fotosensible individual (píxel), la señal general en realidad aumenta ligeramente. Sin embargo, la sensibilidad no aumenta, por lo que al calcular la sensibilidad, el valor del área se ubica en el denominador de la fórmula. Además, a medida que aumenta el área del elemento fotosensible, aumenta el valor de las corrientes oscuras. Así pues, aumentar el área del píxel fotosensible no es una solución al problema, si no todo lo contrario.
También existe un parámetro como el tamaño de la matriz del elemento fotosensible. Históricamente, en las primeras cámaras de televisión no se indicaba el tamaño real de la matriz, sino el diámetro de la pupila de salida de la lente. Por lo tanto, normalmente no se indica el tamaño físico de las matrices, sino el tamaño diagonal estándar en pulgadas. 1 pulgada equivale a 2,54 cm. Los tamaños vienen en 1/2” 1/3” 1/4”. Cuantos más píxeles se coloquen en la matriz, mayor será la resolución. Por tanto, existe la opinión de que cuanto mayor sea el tamaño de la matriz, mejor. Sin embargo, crear píxeles idénticos en toda el área de la matriz es una tarea muy difícil; nunca habrá una combinación perfecta; Cuanto mayor sea el tamaño de la matriz, más difícil será lograr la identidad de los píxeles. Los elementos ubicados en el centro de la matriz serán diferentes de los elementos ubicados en los bordes de la matriz.
Ahora estamos hablando de la producción de matrices con píxeles de tamaños cada vez menores.
En este sentido, cabe destacar que para crear píxeles más pequeños es necesario trabajar mediante procesos fotolitográficos tecnológicos con un mayor grado de resolución. A veces se trata simplemente de un nivel diferente de equipamiento, cuyo precio difiere en órdenes de magnitud. Al mismo tiempo, el equipo en sí y la organización del proceso tecnológico en nm cuestan millones de dólares. En consecuencia, la transición de una tecnología a otra conduce no sólo a una mejora de la calidad, sino también a un aumento significativo de los costes.