Телекамеры повышенной чувствительности.
Телекамеры повышенной чувствительности
Одной из проблем рынка охранного телевидения группа респондентов опроса, а именно инсталляторы видеосистем, назвала недостаточную осведомленность потребителей о возможностях CCTV. Это приводит или к неоправданным затратам клиента, или к снижению эффективности охранных комплексов. В статье рассмотрены особенности высокочувствительных телекамер, которые необходимо учитывать при подборе оптимального состава аппаратуры для работы системы наблюдения в условиях низкой освещенности.
Квантовая эффективность, чувствительность и освещенность
Задача ТВ камеры — преобразовать отраженный от объекта и попавший на ПЗСматрицу свет в электрический сигнал, который можно потом передать на расстояние, вывести на монитор, записать на магнитную ленту, т.е. такой, с которым потом можно будет работать. Поэтому одной из важнейших характеристик телекамеры является параметр, описывающий способность камеры переводить падающие на ПЗС-матрицу фотоны в электрический ток.
В физике используется такое понятие, как квантовая эффективность ПЗС-матрицы. Под квантовой эффективностью понимается отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших на кристалл фотонов. По квантовой эффективности приборы с зарядовой связью (ПЗС) не имеют себе равных. Для сравнения: из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), v ПЗС этот параметр может принимать значения от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в недорогих видеокамерах) до 50% (типовая видеокамера «белой» сборки) и выше — вплоть до 95%.
В описании телекамер для систем охранного телевидения вместо параметра квантовая эффективность применяется параметр чувствительность. Эти параметры линейно зависимы. Если квантовая эффективность связывает количество падающих и зарегистрированных фотонов, то чувствительность определяет отклик светоприемника в электрических единицах измерения (например, в миллиамперах) на определенную величину падающего потока света (измеренного, например, в ваттах или в лк/с). В принципе это та же величина, только выраженная в более удобных для инженера единицах измерения.
Как правило, потребители систем охранного телевидения под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, и гораздо реже — минимальную освещенность на матрице (image illumination).
С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта, его коэффициент отражения и т.д. С определением чувствительности, базирующимся на уровне освещенности объекта, очень сложно объективно оперировать.
Тем не менее пользователю при подборе камеры удобнее работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает и которую можно измерить, поэтому этот параметр часто используется. Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже:
Iimage=IsceneR/(3.14·F)
где Iimage, Iscene — освещенность ПЗСматрицы я объекта; R — коэффициент отражения объекта; F — светосила объектива.
Значения Iimage и Iscene различаются примерно на порядок.
Разночтения в определении чувствительности, однако, на этом не заканчиваются. Чувствительность бывает также болометрическая (суммарная по всему спектру) и монохроматическая (измеряемая в определенном спектральном диапазоне).
|
|
Единица измерения освещенности «люкс» определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. Поэтому особое внимание необходимо обращать на спектральную зависимость чувствительности. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер но сравнению с человеческим глазом существенно растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и приближаются по отдельным параметрам к приборам ночного видения. |
Что такое «приемлемый сигнал»
Для того чтобы избежать разночтений и получить реальную картину соотношения чувствительности различных моделей камер, необходимо получить информацию о том, при каких условиях получено записанное в паспорте значение. Этому помогают некоторые стандартные условия проведения измерений, которых придерживаются производители аппаратуры.
В ряде случаев указывается чувствительность, измеренная для так называемого «приемлемого сигнала» — отношение сигнал/шум, равное 24 дБ (отношение сигнал/шум вычисляется как S/N = 20log (/).
Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения ложится в темное время суток, когда сигнал крайне мал, отношение сигнал/шум (S/N = signal/noise) становится особенно важным параметром.
При отношении сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет практически идеально чистая картинка без видимых помех; при 40 дБ иногда заметны мелькающие точки; при 30 дБ — «легкий снег» по всему экрану; 20 дБ- изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную «снежную» пелену разглядеть еще можно.
Отношение сигнал/шум, равное 24 дБ, — это эмпирически найденное предельное значение зашумленности, которое еще позволяет надеяться что-то разглядеть при воспроизведении видеозаписи.
Кроме этого, как правило, подразумевается, что при проведении измерения коэффициент отражения объекта составляет 0,75; светосила объектива — 1,4; автоматическая регулировка усиления и гамма-коррекция отключены. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, особенно вследствие действия АРУ и гаммакоррекции, соответственно больше.
Шкала IRE
Еще одна попытка внести ясность в определение освещенности, которой придерживаются, в частности Sony и Philips, — это использовать так называемую «шкалу IRE» (аббревиатура произошла от названия Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 В) принимается за 100 единиц IRE. Приемлемым считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители указывают чувствительность для 25 IRE, другие — для 50 IRE (уровень сигнала 6 дБ).
Способы повышения чувствительности
Можно условно выделить несколько основных подходов, применяемых для улучшения чувствительности телекамер.
1. Увеличение времени накопления заряда.
Здесь имеются две проблемы. Первая обусловлена ростом так называемого «темнового тока матрицы», с которым можно успешно бороться некоторыми технологическими методами, например, применяя систему охлаждения. Вторая касается нестационарных объектов наблюдения: увеличение времени экспозиции приводит к появлению дискретности движения.
2. Расширение диапазона регистрируемого светового сигнала.
Например, можно специально покрывать матрицу тонкими пленками веществ, которые поглощают ультрафиолетовые фотоны и переизлучают в видимом диапазоне.
3. Применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
Камеры, в которых используются подобные технологии, обладают уникальными свойствами. С одной стороны, их чувствительность в 100-10 000 раз выше, чем у обычных, с другой — они чрезвычайно капризны. Время наработки на отказ составляет около одного года. Причем эти камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать днем их объектив, чтобы пре дохранить от выгорания катод ЭОП. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать «выжигания» изображения на катоде ЭОП.
|
|
Интересно отметить, что в отличие от обычной ПЗС-матрицы катоды ЭОП очень чувствительны к максимальным засветкам. Если светочувствительная область ПЗС-матрицы после яркого освещения сравнительно легко возвращается в свое исходное состояние (ей практически не страшны пересветки), то катод ЭОП после яркой засветки восстанавливается очень долго (иногда 3-6 часов). Во время этого восстановления, даже при закрытом входном окне, с катода ЭОП считывается остаточное, «выжженное» изображение. |
Sony
Sony — признанный лидер в производстве ПЗС-матриц для систем безопасности, в том числе матриц, применяемых в высокочувствительных моделях. Многие производители используют матрицы Sony в своих камерах.
Sony разработала технологию НурегHAD, позволяющую повысить параметры, в том числе и чувствительность ПЗС-матриц массового производства. Матрицы Hyper-HAD имеют на каждой светочувствительной ячейке микролинзу, которая собирает и фокусирует дополнительный световой поток.
Сегодня Sony продвигает на рынок свою новую разработку — ПЗС-матрицы ExWaveHAD. По сравнению с Huper-HAD камеры на основе новой матрицы имеют лучшую чувствительность.
Panasonic
Для повышения чувствительности Panasonic использует два метода. Во-первых, на матрицы устанавливаются микролинзы, аналогично Hyper-HAD Sony. Во-вторых, хорошо развитая система цифровой обработки видеосигнала позволяет повысить чувствительность электронным методом (в ряде моделей до 32 раз).
Cohu
Еще несколько лет назад торговая марка Cohu прочно ассоциировалась с высокочувствительными, но очень дорогими телекамерами. В России их практически нет, зато зарубежные журналы пишут про них очень много.
Cohu выпускает камеры не только для систем безопасности, но и для научных, медицинских и других целей.
Успехи Cohu впечатляющие (например, есть модель, работающая при 0,00015 лк, правда, при 30%-ном видеосигнале). Но достигается это использованием ЭОП, систем накопления, охлаждения и т.д, что приводит к появлению новых недостатков, а также существенному удорожанию.
Philips
Для сравнения (см. табл. 2) взята одна из последних моделей телекамер Philips LTC 0500. Она имеет очень высокие параметры, в том числе и по чувствительности. Для сигнала 50 IRE и при отношении сигнал/шум 40 дБ чувствительность на матрице составляет 0,005 лк.
Табл.2. Характеристики ряда моделей высокочувствительных камер
В основе камеры — ПЗС-матрица формата 1/2 дюйма с межстрочным переносом. Используется достаточно мощная система цифровой обработки сигнала. Кроме того, в камере реализуются очень полезные функции коррекции изображения, например: компенсация заднего света, автоматическое оконтуривание, автоматический уровень черного, управление яркостью и т.д.
Philips выпускает также камеры с электронно-оптическими преобразователями, предназначенными исключительно для ночного наблюдения. Как уже отмечалось, камеры с ЭОП чрезвычайно чувствительны, их необходимо защищать от яркого света.
Watec
Японская компания Watec в 1999 году выпустила на рынок новую модификацию телекамеры 902-й серии и назвала ее WAT902Н (добавка в названии «Н», скорее всего, является сокращением слова high).
|
|
Главные достоинства этого продукта — уникально высокие чувствительность и разрешение при сравнительно небольшой цене. Еще несколько лет назад о массовых камерах с такими параметрами писали только научные журналы, когда описывали штучные образцы с уникальными параметрами и по фантастическим ценам или камеры с электронно-оптическими преобразователями. |
Разрешение WAT-902H — 570 ТВ линий, чувствительность на объекте — 0,0003 лк F1.4 (AGC Hi). За счет чего удалось достичь таких характеристик — фирма держит в секрете. Говорится только, что Watec совместно с Sony разработала и внедрила принципиально новую технологию: в камере не используются фотоэлектронный усилитель и другие подобные устройства. Внешне камера мало отличается от других моделей серии 902, она столь же миниатюрна, как и вся продукция марки Watec.
ЭВС
ЭВС — российское предприятие, успешно работающее на рынке систем телевизионного наблюдения.
В камерах ЭВС используется зарубежная элементная база и оригинальные российские технические решения. Например, в высокочувствительных моделях камер применяется специальная микросхема «ночного режима». При низкой освещенности микросхема переводит ПЗС-матрицу и видеоусилитель в режим, суммирующий заряды с соседних элементов. В результате чувствительность улучшается на порядок (до 0,0008 лк на объекте при использовании асферического объектива). Правда, при этом падает четкость изображения (разрешение ухудшается примерно в 3 раза).
ЭВС также анонсировала выпуск камеры с другим вариантом «ночного режима», в которой чувствительность повышается за счет увеличения времени экспозиции.
При подготовке статьи использовались следующие источники информации в Интернет: soling, ru; http://philipscss. corn; http://bpgprod.sel. sony. corn; panasonic. corn/cctv; evs.metrocom.ru; cohu/cctv
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
