Статьи и обзоры

К основным параметрам входных устройств, определяющих объем видеоинформации, относятся разрешающая способность по вертикали и горизонтали и число градаций серого в каждом элементе изображения в единицу времени.

Разрешающая способность (разрешение) определяется как максимальное количество элементов черного и белого цвета, которые могут быть раздельно переданы камерой. Единица измерения разрешающей способности называется TVL (телевизионные линии). Разрешение по вертикали кадра у всех камер не может быть больше 625 строк (стандарты CCIR и PAL). Основное различие камер состоит в разрешении по горизонтали, именно оно обычно указывается в технических описаниях.

На разрешение камеры влияют два фактора: количество элементов ПЗС-матрицы, называемых пикселями, и полоса частот видеосигнала, формируемого камерой.
На сегодняшний день в мире выпускается, в основном, два типоразмера матриц для монохромного (черно-белого) изображения и два для цветного - матрицы высокого разрешения и стандартного. Формат матриц чаще всего 1/2'' или 1/3''.

Монохромные матрицы высокого разрешения имеют 582 пикселя по вертикали (V), что соответствует стандарту развертки за вычетом синхроимпульсов, и 782 пикселя по горизонтали (Н). Монохромные матрицы стандартного разрешения также делятся на 582 пикселя по вертикали и 512 пикселей по горизонтали. Матрицы высокого разрешения для цветного сигнала имеют соответственно число пикселей 582V х 752Н, а стандартного, соответственно, — 582V х 500Н.

Для черно-белой камеры не составляет труда изготовить широкополосный видеотракт, имеющий обычно запас по полосе пропускания в полтора-два раза. Для цветной же камеры необходимо учитывать эту полосу пропускания. Объясняется это тем, что у композитного цветного видеосигнала составляющая цветности передается на поднесущей (в стандарте PAL это соответствует частоте 4,4 МГц), поэтому частота яркостной составляющей сигнала принудительно ограничивается. Она не может быть больше 4 МГц, что соответствует разрешению 450 TVL. Повысить это разрешение до 480 TVL можно, но только снимая сигнал с раздельного Y-C выхода (иначе называемого S-VHS выходом, при этом все остальные устройства телевизионного тракта - переключатели, мультиплексоры, мониторы должны иметь такой вход).

Если с разрешением более-менее ясно, то с другой составляющей объема видеоинформации - количеством градаций серого - необходимо разобраться подробнее.

Если вы занимались фотографией, то, наверное, помните, как приходилось выбирать оптимальное время экспозиции и проявки; как, иногда, при передержке, у вас получались темно- серые отпечатки, где в тенях ничего не разберешь, а при недодержке, сколько ни проявляй, детали не прорабатывались. Это происходило потому, что такие фотографии попадали на нелинейный участок кривой зависимости плотности от необходимого времени экспозиции фотобумаги. Так и с видеокамерой. Если освещенность изображения на ПЗС-матрице низкая, то кадр получается темный, различить отдельные детали не представляется возможным, а если освещенность велика - все залито белым. Поэтому рабочую точку на световой характеристике матрицы выбирают так, чтобы максимальная освещенность элемента изображения в кадре была несколько ниже освещенности насыщения (0,3 - 0,5 люкс). В этом случае реализуется наивысшая величина отношения сигнал/шум на выходе ПЗС- матрицы.

Какими же способами можно сместить интервал освещенностей элементов кадра на линейный участок световой характеристики матрицы? Если освещенность изображения велика, а это чаще всего бывает днем и в освещенных помещениях, то необходимо ослабить световой поток, для чего лучше всего использовать обычную ручную диафрагму объектива. Диапазон изменения освещенности изображения, получаемый с помощью такой диафрагмы, обычно составляет до 2000 раз.

Другой способ уменьшения уровня сигнала - изменение наклона световой характеристики за счет сокращения времени накопления заряда в ПЗС-сенсоре. Такой способ называется электронным затвором - Electronic Shutter. Каждый полукадр длится 1/50 сек. Это максимальное время накопления. Если мы будем считывать сигнал раньше, то потенциальная яма наиболее ярко освещенных пикселей не будет переполнена, и заряд еще не растечется. Подобное управление возможно в пределах сокращения времени накопления до 1/100 000 сек. То есть достижимое перекрытие освещенностей возможно также в 2000 раз. Итак, суммарно снизить максимум сигнала мы можем на 6 - 7 порядков. Это относится к верхней части рабочего диапазона матрицы. А как с нижним?

Как быть, если видеосигнал меньше нормы при полностью открытой диафрагме и максимальном времени накопления?

На этот случай используется АРУ - автоматическая регулировка усиления. Это усилитель с обратной связью, который «подтягивает» видеосигнал до 1 В, беда лишь в том, что при этом шум также усиливается, а отношение сигнал/шум ухудшается. Какой запас имеется у нас на дополнительное усиление? Снижать отношение сигнал/шум ниже уровня 24 ДБ (этот уровень называется «приемлемым изображением») нельзя - в кадре будет сплошной «снег». Отношение сигнал/шум при полном видеосигнале определяется уровнем шума в электронном тракте - теплового, дробового, рекомбина- ционного и др. Для хороших черно-белых камер эта величина близка к теоретической и доходит до 60 ДБ и более, для хороших цветных - до 50 ДБ. Таким образом, система АРУ не может иметь большой диапазон. Обычно это 17 - 20 ДБ, что соответствует одному порядку. Поэтому необходимо скептически относиться к заявлениям производителей о диапазоне АРУ в 40 ДБ.

Иногда требуется работать при очень низких освещенностях объекта, а по оперативным соображениям не может быть применена никакая подсветка. Тогда потребуется нестандартная камера, имеющая очень высокую чувствительность (очень низкий порог освещенности). Этого можно достичь либо за счет накопления заряда на ПЗС-матрице за большее межкадровое время, т.е. перехода к малокадровому телевидению, либо, пожертвовав разрешением и сдвоив развертку, тем самым сузить полосу частот и выиграть на отношении сигнал/шум.

Цветные камеры, кроме того, должны иметь автобаланс белого для адаптации к цветовой температуре источника освещения.

Теперь об объективах.

Невнимательное отношение к выбору объектива может свести на нет все преимущества высококлассных ССTV-камер. Поэтому давайте разберемся с, казалось бы, известными вещами.

Лучшим способом изменения величины светового потока в объективе является обычная диафрагма, свидетельством тому служит ее повсеместное использование. Для камер, работающих в условиях постоянного искусственного освещения, можно применить объектив с ручным управлением диафрагмой, для камер внешних просто необходима автодиафрагма. Автоматически отрабатывая изменение внешних условий, она обеспечит значительное расширение диапазона освещенностей, в котором камера дает качественное изображение. Управление автодиафрагмой может осуществляться двумя способами: по постоянному току (DD), когда объектив лишь отрабатывает управляющие напряжения, вырабатываемые усилителем камеры, и по видеосигналу (VI), когда усилитель находится в самом объективе и на него подается лишь видеосигнал. Последнее, разумеется, дороже, но и лучше, т.к. все связи сбалансированы в одном приборе, изготовленном на одном предприятии.

Обратите внимание также на значение относительного отверстия, до которого закрывается диафрагма. Диапазон изменения диафрагмы обычно составляет, например, F/1,4 - F/64, то есть диаметр зрачка объектива изменяется в 45 раз, а освещенность ПЗС- сенсора, пропорциональная квадрату относительного отверстия, в 2000 раз. Существуют объективы, в которых применены асферические линзы и их светосила достигает F/0,75.

Закрыть диафрагму больше, чем до F/64 непросто по двум причинам.

Во-первых, технически сложно реализовать дальнейшее уменьшение диаметра отверстия.

Во-вторых, по мере уменьшения диаметра до значений, соизмеримых с длиной волны света, дифракционный кружок рассеяния увеличивается, и разрешающая способность объектива соответственно уменьшается.

Очевидно, что когда ослабления светового потока в 2000 раз недостаточно, действия диафрагмы по уменьшению диаметра зрачка надо совмещать с одновременным уменьшением прозрачности оптики объектива. Для этого во входном зрачке объектива устанавливают так называемый спот-фильтр, то есть нейтральный фильтр с переменной по диаметру плотностью. У таких оптических элементов периферийная часть прозрачна, а ближе к центру светопропускание начинает резко уменьшаться по гауссоиде до нуля. При открытом состоянии диафрагмы влияние поглощения в маленьком центральном пятне пренебрежимо мало, но, по мере закрытия диафрагмы, отношение площади затемненной части фильтра к площади отверстия диафрагмы быстро растет, благодаря чему с уменьшением отверстия диафрагмы уменьшается и общая прозрачность объектива. Поэтому не нужно закрывать диафрагму до микроскопического диаметра, чтобы достичь ослабления светового потока, эквивалентного ослаблению при относительном отверстии F/300 и даже F/500. Так удается избежать вредного влияния дифракции.

Системы автоматического диафрагмирования, выполненные на этих объективах, обладают одним существенным недостатком: они потенциально неустойчивы на крайних значениях максимальных освещенностей. Дело в том, что коэффициент обратной связи резко возрастает при закрытии диафрагмы. Это обстоятельство, в свою очередь, приводит к неустойчивости системы в целом. На практике это проявляется в виде мельканий средней яркости изображения на мониторе.

Какие типы объективов используются в системах охранного телевидения?

Кроме объективов с постоянным фокусным расстоянием, есть варифокалы, а также трансфокаторы (ZOOM-обьективы).

Если у варифокальных объективах изменение фокусного расстояния в небольших пределах достигается перемещением одной или нескольких линз, чаще всего поворотом кольца вручную, то трансфокатор - это сложнейшее устройство, состоящее из телеобъектива, афокальной насадки и компенсатора, включающее в себя около полутора десятков линз и снабженное сервоприводом. Коэффициент трансфокации таких монстров достигает 20 и более. Для них особенно ценна светосила при максимальных значениях фокуса, и лучшие модели вытягивают 1:2,8.

Макрообъективы

Они специально предназначены для крупномасштабного наблюдения объектов с расстояний, соизмеримых с фокусом. Например, для задачи получения изображения документов. Обычные объективы для этого не предназначены.

Пинхолы

Они же объективы для скрытого наблюдения. Правильное название таких объективов - объективы с вынесенным входным зрачком. Вынесен он бывает на 0,5 мм и более, на толщину обоев, за которыми его прячут. Чтобы такой объектив, часто широкоугольный, давал приемлемое качество изображения с более-менее равномерной яркостью по полю, его оптическая схема должна быть ничуть не проще, чем, скажем, схема перископа подводной лодки. Даже у кэноновских пинхолов, весьма не дешевых, функция передачи контраста на частоте 55 пар линий на мм составляет в центре 68%, а на краю только 35%.

Выбор формата объектива

Всем ясно, что размер изображения объектива формата 1/3'' меньше размера матрицы 1/2'', и потому такое сочетание недопустимо. Для объектива формата 2/3'' допустимый кружок рассеяния в два раза больше, чем для третьдюймового. Вывод простой. Объектив приличной компании можно брать и большего формата, а объектив сомнительного происхождения - только соответствующего формата, а лучше вообще не брать. Качество - категория конкретная.

У многих, прочитавших эту статью, может создаться впечатление, что для применения на улице достаточно взять более чувствительную камеру, чтобы лучше видеть ночью и объектив с автодиафрагмой, чтобы компенсировать излишнюю освещенность днем. К сожалению, и здесь не все так просто. Как известно, объективы рассчитываются на оптимальные показатели при диафрагме в районе F/4. При большем закрытии начинает сказываться влияние дифракции на диафрагме и, связанное с этим, ухудшение разрешения. В частности, при диафрагме F/50 размер дифракционного пятна рассеивания составит около 25 мкм, и это при размере ячейки матрицы высокого разрешения 7-10 мкм. Значит днем, когда освещенность достигает 10000 люкс, и объектив работает при максимальном закрытии диафрагмы, разрешение ухудшится в 3 раза только потому, что камера слишком чувствительна.

Из этой ситуации есть два выхода. Либо днем переключать затвор камеры с 1/50 сек на, хотя бы, 1/500 сек, либо применять камеры с адаптивным изменением времени накопления заряда в ПЗС-матрице, переходя на малокадровое телевидение. В первом случае мы «боремся» с излишней освещенностью днем, а во втором - с недостатком освещенности ночью.

К интересным разработкам можно отнести камеры фирмы EVS, поставляемые на украинский рынок фирмой «Бастион-Киев», имеющие так называемый «ночной режим» и работающие так же, как человеческий глаз, т.е. при недостаточной освещенности сбор визуальной информации информации об объекте происходит с нескольких расположенных рядом ячеек ПЗС-матрицы. Причем переключение из обычного режима в «ночной» происходит автоматически, незаметно для оператора. Хочется отметить, что чем ниже освещенность, тем с большего количества рядом расположенных ячеек сигнал будет «объединяться». На практике таким способом удается достичь порога чувствительности камеры в 0,00004 люкс (четыре стотысячных!!!). Хоть это и достигается в обмен на разрешение картинки, не стоит по этому поводу огорчаться, — человеческий глаз видит так же, но вы получаете практически прибор ночного видения, при этом прекрасно работающий и днем.

26.12.2013

Просмотров 3925    Рейтинг 38   Понравилась новость?          Добавить комментарий  (0)