Телевизионные наблюдения в сложных условиях.

Телевизионные наблюдения в сложных условиях.

Куликов Александр Николаевич

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ.

Совсем недавно в 1970 году одновременно появились микропроцессор и прибор с зарядовой связью (CCD) [1].

Современная жизнь уже немыслима без компьютеров и CCD-камер.

Электронная революция продолжается и каждый год поражает нас новинками и небывалым снижением цен.

Вряд ли в 70-х кто-то думал, что несколько миниатюрных телекамер можно будет поместить в спичечный коробок, а их стоимость станет меньше, чем у электрических чайников. Все это при отличном качестве изображения и высокой надежности.

Сегодня больше всего камер используется в охранных телевизионных системах. Охранные камеры работают в разных условиях наблюдения.

Часто они простые, когда объекты хорошо освещены и нет заметных помех. Но бывают и сложные ситуации, когда телевизионная камера ведет наблюдение при свете солнца и звезд, в условиях дымки, тумана и дождя, под водой, при наличии интенсивных электромагнитных помех, радиации и т.п. В таких условиях обычные CCD-камеры уже не обеспечивают надежного наблюдения.

Здесь требуются специальные высокочувствительные матрицы CCD, широкодиапазонные асферические объективы, специальные методы адаптации и обработки сигнала и многое другое.

В настоящей статье рассматриваются возможности телевизионного наблюдения в наиболее сложных условиях – на краях диапазона рабочих освещенностей.

1. Способы расширения диапазона рабочих освещенностей.

Изобретатели совершенствуют телекамеры, пытаясь довести их до качества природного глаза. Оказалось, что человеческий глаз – совершенный зрительный прибор.

Он имеет много удивительных свойств и одно из них — широчайший диапазон воспринимаемых освещенностей.

Днем мы можем наблюдать, чуть прищурясь белый снег под солнцем и облака с освещенностью более 100000 люкс.

Ночью мы легко идем по дороге, освещенной светом звезд (примерно 0,0001 люкс). Разделив первое значение на второе, получим 109 – диапазон воспринимаемых глазом освещенностей равный одному миллиарду или 180 дБ!

Ни один электронный датчик сигнала не имеет столь широкого динамического диапазона. Это обусловлено физическими ограничениями — уровнем собственного шума с одной стороны и уровнем насыщения сигнала с другой. Но как выяснилось, не имеют такого диапазона и естественные датчики оптического сигнала: колбочки и палочки человеческого глаза.

С натяжкой можно считать, что динамический диапазон как естественных, так и искусственных датчиков света равен 1000 (60 дБ). Откуда же берется один миллиард?

Для достижения диапазона большего, чем динамический диапазон датчика сигнала необходимо построение системы автоматического регулирования или адаптации.

В телевизионных камерах наиболее распространены два способа адаптации.

• В первом способе перед датчиком света устанавливают последовательно включенные: регулируемый ослабитель и усилитель сигнала (управляемая диафрагма объектива и ЭОП соответственно в телекамере).
• Во втором способе сам фоточувствительный датчик делают управляемым и за счет адаптации параметров изменяют его чувствительность.

а) Первый способ адаптации к освещенности в телекамере

б) Второй способ адаптации к освещенности в телекамере

Рис.1 а, б. Способы расширения диапазона рабочих освещенностей в CCD камерах

 В современных телекамерах используют оба способа адаптации к уровню освещенности, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

Ниже будут рассмотрены возможности и ограничения каждого способа применительно к области сверх высоких и сверх низких освещенностей.

Рис.2 Иллюстрация расширения диапазона рабочих освещенностей
фоточувствительного датчика, работающего в составе
адаптивной фоточувствительной системы.

 2. Наблюдение ночью.

Рекламные манипуляции с чувствительностью.

Каждая фирма, производящая и продающая телекамеры, рекламирует свой товар. В ход идут фразы: “превосходное качество изображения”, “DSP процессор”, “Сверхвысокая чувствительность и так далее. Дело не ограничивается качественными характеристиками. У многих возникает соблазн чуть-чуть преувеличить и количественные параметры телекамер.

Например, можно видеть, как солидная фирма SONY для своей камеры SPT-M308CE честно заявляет разрешающую способность 370 телевизионных линий (ТВЛ), в то время как молодой корейский LILIN в модели PIH-752 указывает 420 ТВЛ.

Выбирая, какую камеру купить потребитель и не знает, что в обеих камерах использованы одни и те же матрица ПЗС ICX-055BL и микросхемы обрамления. Преувеличиваются и другие технические характеристики телекамер.

Но, пожалуй, ни один параметр не подвергался такой рекламной манипуляции, как “чувствительность”. Повод к этому дает различная трактовка его разными авторами и фирмами.

Чувствительность характеризует способность телекамеры наблюдать в ночных условиях. Чувствительность – это та минимальная освещенность, выражаемая в люксах, при которой камера еще способна формировать изображение.

Если ограничится этими фразами, то возникает неоднозначность, которая и позволяет заявлять для одной и той же камеры цифры чувствительности, отличающиеся более чем в 100 раз.

Как же поправить эту ситуацию?

• Во-первых, нужно указывать: где измеряется освещенность: на матрице CCD или на объекте. Например, при объективе c относительным отверстием F1,4 при коэффициенте отражения объекта 0,75 освещенность на матрице будет в 10 раз меньше, чем на объекте.
• Во-вторых, при измерении освещенности на объекте, следует указывать относительное отверстие объектива. Например, чувствительность одной и той же камеры с асферическим объективом F0,8 будет в 10 раз лучше, чем с малогабаритным объективом F2,0.
• В-третьих, необходимо указывать: какое отношение сигнал/шум принимается за пороговое при измерении чувствительности. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал/шум примерно 34 – 36 дБ. Сейчас минимальная освещенность трактуется как такая, при которой можно различить только крупные детали изображения, то есть отношение сигнал/шум 20 – 24 дБ. В космической и военной технике часто под пороговой чувствительностью понимается такая, когда размах сигнала равен размаху шумовой дорожки, то есть отношение сигнал/шум 5 — 6 дБ и кроме шума на изображении практически ничего не видно. В этом случае также для одной и той же камеры можно указывать значения чувствительности, отличающиеся в 10 раз.

Характерным примером рекламных манипуляций последних двух лет является заявленная японской фирмой Watec чувствительность для камеры WAT-902H.

В 1999 году специалисты были поражены значением чувствительности 0,0003 люкса при F1,4 в положении переключателя AGC “Hi”.

Это в 100 раз лучше, чем для стандартных CCD камер! Многие даже поверили этой цифре, тем более, что камера оказалась действительно неплохой. В WAT-902H впервые была применена матрица SONY ICX249AL нового поколения EXWAVEHAD с улучшенной в 4 раза чувствительностью. Но всего лишь в четыре, а не в сто.

После того, как камеру купили и разобрали на мелкие части, выяснилось, что ничего особенного, кроме новой матрицы SONY в этой камере нет, а положение “Hi это увеличение в 4 раза коэффициента усиления, которое увеличивает только шумы, но не чувствительность.

Сейчас все спохватились и указывают для WAT-902H уже только 0,002 люкс, как, например, в последнем английском каталоге NORBAIN” [4], хотя и эта цифра завышена и следовало бы указать 0,005 люкс, что соответствует измерениям на объекте при отношении сигнал/шум 20дБ и F1,4.

Способы улучшения чувствительности.

Существуют следующие способы улучшения чувствительности телевизионных CCD-камер:

• Применение высокочувствительных CCD-матриц и светосильных объективов.
• Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения ЭОП.
• Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда в CCD.

Применение высокочувствительных CCD-матриц и светосильных объективов.

Сначала перечислим факторы, ограничивающие чувствительность в современных CCD камерах и возможности их улучшения путем применения новых CCD и объективов.

Рис 3. Иллюстрация различных факторов ограничения чувствительности в телекамере на матрице CCD.

• Потери света в объективе

Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к CCD-матрице. Часть из них рассеивается, а часть поглощается материалом линз.

Нужно сказать, что современные асферические объективы с относительным отверстием 0,8 – 0,75 — имеют очень высокие характеристики и в ближайшем будущем трудно ожидать заметных улучшений их параметров.

• Потери из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции. Фоточувствительные ячейки, особенно в матрицах малых форматов 1/3 дюйма и менее занимают менее 10% площади чувствительной поверхности. Остальная площадь используется под каналы переноса заряда и систему антиблюминга. 10 лет назад это было одним из главных ограничений чувствительность. Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на маленькие фоточувствительные ячейки. Год назад SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию CCD-матриц под маркой EXWAWEHAD ССD, что позволило дополнительно в 3 – 4 раза поднять чувствительность телекамер. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.

• Потери при преобразовании фотон/электрон. Квантовый выход лучших CCD приближается к 0,5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК-диапазоне. Освоение новых материалов и дальнейшая оптимизации структуры приборов в будущем могла бы позволить увеличить это значение, особенно в области синего и ближней ультрафиолетовой, что могло бы улучшить чувствительность камер. Однако серьезных сдвигов здесь также трудно ожидать.

• Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD. В настоящий момент шум считывания – главный фактор, ограничивающий чувствительность телекамер. Его значение 20 – 30 электронов/пиксел теоретически можно было бы быть снизить в 10 раз. Ограничением здесь является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд пиксела в случае, когда света много, что приведет к ограничению сигнала в дневных условиях. Есть патенты, в которых предлагается разместить в CCD-матрице два выходных устройства, одно для малых, а другое для больших зарядов, и переключать их ночью и днем соответственно. Поэтому можно ожидать в дальнейшем появление новых CCD с уменьшенным шумом выходного устройства, что могло бы привести к дальнейшему росту чувствительности CCD-камер в несколько раз.

• Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства CCD-матрицы. Все транзисторы слабо светятся (аналогично светодиодам и лазерным диодам), а в CCD-матрицах это препятствует наблюдению слабых освещенностей. Еще 13 лет назад была опубликована статья [2], где в охлаждаемой астрономической CCD камере было замечено свечение в том углу изображения, где расположено выходное устройство. Тогда это было расценено как уникальное явление, проявляющееся только при охлаждении CCD, работающих с большим временем экспозиции. С тех пор чувствительность матриц CCD возросла в 100 раз и этот эффект уже мешает наблюдению в самых чувствительных камерах фирм PANASONIC, BAXALL, ЭВС. Российским специалистам удалось сфотографировать светящиеся транзисторы с помощью высокочувствительной камеры VNC-702. Для этого были использованы две камеры, причем одна из них наблюдала CCD-матрицу другой камеры, находящуюся во включенном состоянии. На изображении отчетливо видно, как светятся оба транзистора двухкаскадного выходного устройства матрицы CCD ICX249AL. Были проверены и другие типы матриц-CCD, и оказалось, что светятся выходные устройства всех исследованных матриц, но только с разными интенсивностью и площадью свечения. Это новая серьезная помеха, на которую не обращали ранее внимания, заставила фирму ЭВС дорабатывать японские матрицы и заклеивать их выходное устройство непрозрачным материалом в тех камерах, где требовалась максимальная чувствительность. Есть надежда, что производители CCD сами обратят внимание на свечение транзисторов и более простым способом закроют светящиеся элементы.

Фото 1. Свечение выходных транзисторов в CCD-матрице фирмы SONY ICX-249AL
Публикация производится с разрешения фирмы ЭВС

Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения.

Электронно-оптические усилители яркости изображения в телевидении применяют давно. Еще до эры CCD-камер в передающие телевизионные трубки встраивали каскады электронного усиления, достигая чувствительности на объекте 0,001 люкс и выше.

После исчезновения камер на электронно-лучевых трубках остались электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые в военных приложениях использовались в качестве ночных прицелов и приборов ночного видения. Эти ЭОП стали состыковывать с CCD-камерами для увеличения их чувствительности.

Образовался новый класс сверхчувствительных телекамер.

Однако телекамеры типа “CCD+ЭОП” мало распространены, так как имеют серьезные недостатки.

Недостатка два: сверхвысокая стоимость, доходящая до 10000$ и выше и низкая надежность из-за возможности разрушения ЭОП при солнечном свете и от утечек и пробоев высокого напряжения. В настоящее время CCD-камеры с ЭОП поколения 3+ имеют непревзойденную чувствительность и применяются в тех областях, где важность надежного ночного наблюдения превалирует над денежными затратами.

Нужно отметить, что телекамеры CCD+ЭОП все более вытесняются высокочувствительными CCD-камерами с адаптивными “ночными” режимами. Так, например, чувствительность ЭОП поколений 1, 1+ и 2 успешно превзойдена ночными телекамерами фирм PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЭВС и другими.

Поэтому, можно сказать, что камеры с ЭОП первых двух поколений уже не появятся сегодня на рынке телекамер, так как не могут конкурировать с CCD-камерами ни по чувствительности, ни по стоимости.

Камеры с ЭОП поколений 2+,3 и 3+ еще существуют как экзотика, но после очередных технологических революций фирм SONY и PANASONIC должны неизбежно исчезнуть, как мамонты.

Таблица 1. Сравнительные характеристики телекамер с ЭОП

Примечание. Так как для камер с ЭОП цифры чувствительности обычно приводятся для изображений хорошего качества, при полной разрешающей способности, то есть, при отношении сигнал/шум 34 – 36 дБ, то для сравнения с CCD-камерами, где чувствительность приводится при отношениях сигнал/шум 20 – 24 дБ, цифры чувствительности в таблице 1 следует уменьшить в 5 раз (умножить на 0,2).

Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда в CCD-матрице.

При появлении первых CCD-матриц основной задачей инженеров было создание надежного твердотельного” аналога электронно-лучевой трубки. И только через некоторое время было обращено внимание на адаптивные свойства нового прибора.

Новыми оказались принципиальные возможности CCD одинаково хорошо работать в широком диапазоне тактовых частот считывания заряда, а также возможность суммирования зарядов с соседних элементов и строк до считывания сигнала с выхода устройства.

Это позволило еще в 1985 году создать экспериментальную ССD-камеру без АРД-объектива и каких-либо светофильтров с диапазоном рабочих освещенностей равным человеческому глазу [3]. Диапазон рабочих освещенностей 1 миллиард был достигнут только за счет перестройки параметров еще весьма допотопных CCD-матриц 80-х годов.

В настоящее время, используя новые матрицы SONY серии EXWAWEHAD, не составляет труда значительно превзойти характеристики глаза.

Оговоримся, что пока это возможно только в рамках диапазона рабочих освещенностей и контрастной чувствительности. По другим параметрам до глаза еще очень далеко.

Итак, как же можно с помощью адаптации параметров CCD улучшить чувствительность телевизионной камеры?

Накопление сигнала до воздействия шума.

Существуют разные способы увеличения чувствительности телевизионной камеры, но все они основываются на одном принципе: “принципе накопления энергии сигнала”.

Этот принцип базируется на коренном отличии сигнала от шума.

Сигнал всегда однополярный (в телевидении положительный) и имеет ограниченную полосу частот.

Шум всегда дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со значительно более широкой полосой частот.

В результате простое сложение (накопление) порций «сигнал плюс шум» будет приводить к линейному росту уровня сигнала и только к замедленному (по закону корня квадратного) росту среднего отклонения размаха шума.

Каждые 100 сложений улучшают отношение сигнал/шум в 10 раз. Принцип накопления энергии сигнала используется во всех способах повышения чувствительности, будь это пространственно-временное суммирование или низкочастотная фильтрация.

Адаптивные свойства CCD-матриц позволяют применить в них уникальный способ повышения чувствительности, который можно условно назвать «накопление до воздействия шума».

Суть его в том, что дополнительное суммирование (накопление) сигнала производится в самой CCD-матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве CCD один раз на каждую сумму сигналов.

В результате четырехкратное сложение приводит к четырехкратному росту отношения сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как в обычных методах.

Этот режим эффективен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания значительно превосходит фотонный шум и последний практически не оказывает влияния на результат накопления.

Рис. 4а. Накопление сигнала с шумом (стандартный метод)

Рис 4б. Накопление сигнала до воздействия шума (в CCD-камерах)

 Одной из первых камеру с адаптивным накоплением сигнала выпустила фирма PANASONIC.

Режим был назван “Electronic sensitivity enhancer” и обеспечивал увеличение времени накопления от 1 до 32-х телевизионных полей, то есть с 1/50 до 0,64 секунды, что приводило к улучшению чувствительности до 32 раз. В настоящее время камеры с режимом “Electronic sensitivity enhancer” выпускают многие фирмы, такие как IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO и многие другие.

В этих камерах при использовании CCD-матриц фирмы SONY серии EXWAVEHAD и асферических объективов достигается чувствительность до 0,0002 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ. Несмотря на отличные характеристики, камеры с режимом “Electronic sensitivity enhancer” имеют два серьезных недостатка.

Во-первых, при увеличении экспозиции происходит смазывание” изображения движущихся объектов, из-за чего может быть пропущен быстро движущийся нарушитель, что недопустимо в охранных системах. Второй недостаток – достаточно высокая стоимость, так как для визуализации на экране монитора прореженного в 32 раза изображения нужен преобразователь телевизионных стандартов с кадровым ОЗУ, АЦП, ЦАП и системой синхронизации.

В результате, даже корейские камеры с системой Electronic sensitivity enhancer” стоят в два раза дороже обычных телевизионных камер.

Другим вариантом адаптивного накопления сигнала является суммирование зарядов с соседних элементов CCD-матрицы.

Изменяя режим синхронизации CCD можно обеспечить сложение зарядов соседних элементов на затворе выходного транзистора и соседних строк на электродах выходного регистра CCD. Также, как и в первом способе происходит сложение сигнала до воздействия шума и десятикратное сложение приводит к десятикратному улучшению чувствительности. Первой и пока единственной фирмой, реализовавшей в своих телекамерах этот режим, является российская фирма ЭВС. Режим был назван “ночным режимом 1” и в CCD-камерах этой фирмы он автоматически включается при уменьшении освещенности на объекте менее 0,02 люкс. CCD-камеры фирмы ЭВС, выполненные на EXWAVEHAD CCD-матрицах фирмы SONY, в ночном режиме 1 развивают чувствительность до 0,0002 люкс (камера VNC-703), что эквивалентно телекамерам с режимом “Electronic sensitivity enhancer”.

Камеры с “ночным режимом 1 работают без увеличения инерционности, что позволяет им надежно наблюдать подвижные объекты, вплоть до освещенности, соответствующей освещенности от звездного неба.

Стоимость камер с “ночным режимом 1” всего на 10 % выше стандартных, так как в них не требуется применения дорогостоящего кадрового ОЗУ. Недостатком “ночного режима 1” является ухудшение разрешающей способности ночью примерно в три раза из-за суммирования зарядов с соседних элементов и строк.

Кажется очевидным для дальнейшего увеличения чувствительности объединить два режима “Electronic sensitivity enhancer” и “Ночной режим 1” в одной CCD камере. В конце 1999 г. появилась первая такая камера VNC-702 производства фирмы ЭВС.

В рекламных материалах указывается, что в телевизионной камере, развивающей чувствительность на объекте 0,00004 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ, применены “ночные режимы 1 + 2”. Под “ночным режимом 2” фирма ЭВС подразумевает режим “Electronic sensitivity enhancer”, который в камере VNC-702 для лучшего наблюдения подвижных объектов ограничен до 16 –ти кратного суммирования кадров.

Уникальная камера VNC-702 в настоящее время является рекордсменом чувствительности среди CCD-камер и всего лишь в несколько раз уступает камерам с ЭОП поколений 3 и 3+. В режиме максимальной чувствительности камеры VNC-702 отчетливо видно свечение выходного транзистора CCD-матрицы (см. фото 1), препятствующее в настоящее время дальнейшему росту чувствительности адаптивных CCD-камер.

Таблица 2. Сравнительные характеристики телекамер с CCD-матрицами серии EXWAVEHAD и с электронными режимами увеличения чувствительности.

Примечание.

Для удобства сравнения чувствительности всех камер указаны на объекте при использовании светосильного асферического объектива с относительным отверстием F0,8.

Выводы.

• Современные CCD-камеры с режимом электронного увеличения чувствительности практически вытеснили с рынка дорогостоящие камеры с ЭОП поколений 1, 2 и 2+ , обеспечив высокую чувствительность в ночных условиях и надежность при разумной цене.
• Слабое свечение транзисторов выходного устройства CCD-матрицы ограничивает чувствительность лучших телевизионных камер с ночными режимами. Необходима работа фирм-изготовителей CCD в части ослабления этого свечения.
• В ближайшие годы можно ждать дальнейшего роста чувствительности CCD камер за счет снижения шума считывания выходных устройств и увеличения коэффициента суммирования в камерах с электронным увеличением чувствительности.

Литература.

1. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса. – М., Мир, 1978 – 327 с.
2. J.R. Janesick, T. Elliott, S Collins. “Scientific charge-coupled devices.”, Optical Engineering, August 1987, Vol. 28, No. 8, p. 692 – 714.
3. Куликов А.Н. Оценка диапазонов перестройки параметров разложения в телекамере на матрице ПЗС, “Техника средств связи”, сер. Техника телевидения”, 1985, Вып.4, с. 47 – 54.
4. Каталог фирмы Norbain Security “CCTV WAREHOUSE”, oct., 1999 , стр. 37.
5. Рекламные каталоги фирм SONY, PANASONIC, WATEC, TURN, IKEGAMI, PHILIPS, JAI, LILIN, ЭВС за 1999 и 2000 г.г.