Увеличение диапазона рабочих освещенностей видеокамеры.
Арсентьев Михаил Юрьевич
РЕЖИМ “COMBI”: УВЕЛИЧЕНИЕ ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ ОСВЕЩЕННОСТЕЙ ТЕЛЕКАМЕРЫ.
Журнал “Специальная техника” уже затрагивал вопрос теленаблюдения при высоких уровнях освещенности. В №1 за 2001 год приведена статья г. А.Н. Куликова “Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете”, где подробно изложены трудности, с которыми приходится сталкиваться в таких условиях, и предложен ряд мер по их преодолению.
Поэтому не считаем необходимым повторять здесь аргументы относительно важности и сложности задачи получения качественного видеоизображения во всем возможном диапазоне освещенностей.
Предлагаем к рассмотрению режим “COMBI существенного увеличения значения максимального значения освещенности на объекте наблюдения для стандартных CCTV телекамер и объективов, основанный на одновременном использовании автоматической диафрагмы объектива и электронного затвора камеры.
Известно, что значение максимальной освещенности на объекте для типовой телекамеры, оснащенной объективом без изменяемой диафрагмы, с фиксированным относительным отверстием F 1,2, с включенным режимом электронного затвора, при минимальном времени накопления заряда 1/100 000 секунды, составляет около 13 000 люкс.
Максимальное время накопления заряда составляет 1/50 секунды.
Применение же объектива с автоматической диафрагмой в обычном режиме предполагает отключение режима электронного затвора, то есть фиксирование времени накопления заряда в ПЗС-матрице в максимальном значении 1/50 секунды.
В этом случае для сравнительно недорогого объектива с относительным отверстием, изменяемым в пределах от 1,2 до 128, имеем диапазон регулирования освещенности 11 000 раз. Максимальная освещенность на объекте составляет около 200 000 люкс.
Режим “COMBI” предполагает включение режима электронного затвора при достижении минимального значения относительного отверстия (либо одновременную работу автодиафрагмы и затвора).
Тогда значение максимальной освещенности на объекте составит 13 000 люкс х 11 000 раз = 143 000 000 люкс.
Это обеспечивает наблюдение самых ярких объектов, например диска солнца. Диапазон регулирования освещенности составляет около 1 400 000 000 раз для недорогих камер с чувствительностью 0,1 люкс и порядка 48 000 000 000 раз для телекамер с ПЗС-матрицами EXWAVEHAD (минимальная освещенность около 0,003 люкса).
Фото 1.
Для иллюстрации на фото 1 приведены изображения нити накаливания лампы ЗК220-500-2 (500Вт, сила света 7900 свечей, эквивалентная освещенность свыше 107 люкс), полученные с помощью телекамеры AVC-371A (400ТВЛ, 0,1 люкс) и объектива с автодиафрагмой 13FA08T (f=8мм, F1,2-128).
Слева изображение, полученное в обычном режиме работы автодиафрагмы с отключенным электронным затвором, справа – изображение, полученное в режиме “COMBI”.
Как видно из рисунка, в первом случае изображение теряется полностью, а во втором остается вполне приемлемым.
Следует отметить, что указанные телекамера и объектив находятся в довольно низкой ценовой категории.
А много ли найдется более дорогостоящих камер и объективов, с помощью которых можно получить хоть какое-то изображение при такой освещенности в стандартном режиме без применения дополнительных светофильтров?
Вопрос, требуется ли отключение режима электронного затвора при средних и малых значениях освещенности, пока остается открытым.
Проведенные эксперименты пока не выявили ухудшений в работе системы “камера-объектив при одновременно работающих электронном затворе и автодиафрагме во всем диапазоне освещенностей (при условии плавного изменения освещенности), однако полностью исключить оные нельзя.
Чтобы полностью застраховаться от этого, нужно осуществить включение режима электронного затвора только при достижении диафрагмой объектива минимального значения (в нашем примере F128) и при продолжающемся росте освещенности.
Автодиафрагма при этом отключается (фиксируется в минимальном значении).
При снижении освещенности время накопления растет и достигает максимального значения 1/50 секунды. При дальнейшем снижении освещенности режим электронного затвора отключается и включается автодиафрагма.
Главным критерием для такой коммутации естественно является уровень видеосигнала.
При всей своей простоте режим “COMBI” практически снимает проблему получения качественного изображения при самых высоких уровнях освещенностях, так как сложно представить себе объект наблюдения с освещенностью, превышающей 100 миллионов люкс.
Разумеется, значение максимального контраста, различаемого телекамерой, остается прежним. То есть, одновременное наблюдение объектов с освещенностями, отличающимися в тысячи раз, без потери видеоинформации не становится возможным.
Реализация режима “COMBI” не требует существенных дополнительных затрат на переделку техники, так как в подавляющем большинстве случаев современные телекамеры, оснащенные выходом управления автодиафрагмой имеют также механизм электронного затвора, а его включение осуществляется соответствующим переключателем либо джампером (перемычкой) на печатной плате камеры.
Кроме того, становится возможным использование недорогих объективов с относительным отверстием, изменяемым в пределах от 1,2 до 64 или даже до 32.
Это приведет к уменьшению максимальной освещенности на объекте в 4-16 раз, но даже в этом случае она будет составлять несколько миллионов люкс, что обычно вполне достаточно и на порядки превосходит аналогичные данные для традиционных систем, основанных на самых дорогих телекамерах и объективах.