В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Поставщики и продавцы вносят свою лепту в улучшение "бумажных" параметров видеокамер. Неотключаемая АРУ, ИК-чувствительность в цветном режиме, неопределенный критерий качества изображения при минимальной освещенности и т.п. помогают этому.
Усилия и успехи разработчиков видеосенсоров существенно увеличили эффективность использования света и снизили шум считывания. Несмотря на уменьшение площади чувствительных элементов при росте разрешения, чувствительность сенсоров если и упала, то незначительно. Фактически это результат оптимизации архитектуры CMOS-матрицы, обратной засветки (BSI), приближение к самой светочувствительной площадке преобразователей аналогового сигнала в цифровой с одновременным ростом уровней квантования до 10 и даже 12 бит. На горизонте уже мелькает квантование в 14 бит. Кроме того, прямой переход на цифровой сигнал позволил увеличить гибкость управления процессом накопления и усиления непосредственно на каждом пикселе. Именно этим отличаются последние разработки CMOS-сенсоров, позволяющие реализовать аппаратный WDR до четырех отдельных полей накопления за кадр.
Вместе с тем практически десятикратное (6–16 раз) снижение площади пикселя CMOS-сенсоров FullHD и тем более 4К при одновременных технологических ухищрениях не могло не сказаться на снижении чувствительности видеосенсоров. Можно считать, что важнейшим фактором ее увеличения, наряду с приведенными выше приемами, явилось расширение спектрального диапазона чувствительности в ближний ИК-диапазон. Для последних технологий CMOS можно наблюдать даже перемещения максимума с центра видимого диапазона (550 нм) в область 800 нм, что наглядно видно на рис. 1. Примечательно, что именно здесь работает основная масса ИК-осветителей (850 нм), особенно встроенного типа. Это можно понять по семейству спектральных характеристик сенсоров различных типов и технологий. На указанном рисунке приведены обобщенные спектральные характеристики чувствительности CCD и CMOS производства SONY для черно-белого режима.
Кстати, увеличение чувствительности за счет все большего использования видения в ближнем ИК-диапазоне излучения вполне терпимо для черно-белого ночного режима. Однако соблазн высокой чувствительности в цветном режиме чреват недопустимыми цветовыми искажениями. Имея механический ИК-фильтр (ICR или IRC), можно получать адекватное дневное цветное изображение и "раскрашенное" изображение при малой освещенности, когда отличная цветопередача может рассматриваться как роскошь.
Для иллюстрации усилий производителей, желающих показать положение дел несколько лучше реального, приведем как пример новую технологию с обратной засветкой (BSI) от SONY – STARVIS. Заявлена феноменальная удельная чувствительность 2000 мВ/кв. мкм. Безусловно, цифра красивая. Но вместо типового времени накопления 30 мс указано время в 1 с. А это значит, что в сравнении с другими продуктами, нормируемыми при 30 мс, нужно ориентироваться на удельную чувствительность в 33 раза меньше, то есть 60 мВ/кв. мкм. Конечно, для сенсора CMOS это много, но матрица около 1/3" FullHD с пикселем 2,5х2,5 кв. мкм будет иметь чувствительность около 375 мВ, что не так много по сравнению с типовой матрицей 1/3" CCD Exview HAD II с чувствительностью 2500 мВ. Другими словами, все равно приходится платить чувствительностью за разрешение. И с учетом даже большей чувствительности в ИК-диапазоне здесь нет смысла говорить о люксах.
Стремление хотя бы приблизительно оценить реальные параметры различных моделей камер при разных применяемых технологиях сенсоров от разных производителей привело к созданию стенда с различными и контролируемыми условиями освещения.
Стенд представляет собой камеру, полностью изолированную от внешнего освещения. В ней размещены различные источники неизменяемого и регулируемого освещения, обеспечивающего подсветку объектов наблюдения. В таблице приведены параметры используемых осветителей.
Освещенность измерена в плоскости телевизионной таблицы в темной камере. В качестве объектов наблюдения используются телевизионная таблица, 3-элементная мира и кукла с цветными фрагментами, имеющими одинаковый цвет, но различные отражательные характеристики для видимого (белого) и ИК-излучения. На рис. 2 приведены различия в цветопередаче изображения куклы при освещении источником с ИК-составляющей, полученные видеокамерами с ИК- и без ИК-чувствительности. Как правило, это натуральный и синтетический материал.
Такие фрагменты позволяют по телевизионному изображению однозначно определить наличие в видеокамере ИК-чувствительности при освещении, содержащем ИК-составляющую (тепловой источник). Шерстяной черный пояс куклы сохраняет свой цвет, а черные на глаз синтетические валенки заметно голубеют. Разрешение изображений незначительно ввиду малого углового размера куклы на изображении и использования квадратированного кадра с разрешением каждой картинки в 352х288 пкс.
На рис. 3 приведен вид внутреннего устройства темной камеры стенда:
Функция накопления, или медленный затвор, широко применяется в видеокамерах наблюдения и при недостаточной чувствительности зачастую включена по умолчанию.
Регулируемый источник освещения, полностью лишенного ИК-излучения, выполнен на светодиодной лампе белого свечения (4500 К) с изменяемым питающим током и кассетой для установки двух 30-кратных нейтральных фильтров. Освещенность измеряется без фильтров, затем устанавливаются один или два фильтра и освещенность оценивается по значению питающего тока. На рис. 4 показана конструкция этого осветителя.
Осветитель "исключительно видимого света" (7) и ИК-прожектор (8) установлены на верхней перегородке камеры и направлены в ее потолок для создания рассеянного освещения. Это показано на рис. 5.
Результаты одновременного тестирования до четырех видеокамер записываются на видеорегистраторы. При оценке чувствительности видеосигнал, сформированный изображением миры, измеряется осциллографом. К сожалению, эта операция была доступна только для аналоговых камер с композитным видеовыходом.
Именно на этом стенде были получены весьма отрезвляющие результаты по требуемой освещенности в люксах полностью без ИК-составляющей для получения хотя бы какого-то изображения. Причем, разумеется, видеокамеры работают с АРУ, которая в современных моделях практически не отключается.
На рис. 6 представлены два изображения при освещенности около 1 и 0,1 лк "чисто видимым светом" без ИК-составляющей. Видно, что изображение оставляет желать лучшего. Наличие же ИК-чувствительности ухудшает цветопередачу. Вероятно, поэтому на телевидении и в кинопроизводстве такой "слепящий" свет, что дает высокое качество изображения и цветопередачи.
В наши дни довольно часто возникают проблемы при модернизации систем наблюдения с переходом на HD- и FullHD-форматы, особенно когда пользователь ориентируется на заявленное значение чувствительности или минимальной освещенности. Более того, даже если чувствительность была достигнута за счет ИК-области, из заявленных характеристик совершенно неясно, как соотносятся видимый и ИК-диапазоны.
Ведь потребителю чаще всего неизвестна применяемая матрица. А если известен тип, но это не SONY, с поиском спектральной характеристики чувствительности могут возникнуть серьезные проблемы.
Так, например, сравнительно недавно мой давнишний коллега и широко известный в наших узких кругах специалист по ИК-подсветке Андрей Степунин решил поменять известную черно-белую камеру, стоящую у него в видеоглазке. Хотелось современного цветного и широкоформатного (16:9) изображения. Я советовал ему найти камеру как минимум с сенсорами технологии STARVIS (Exmor R), для которой характерна увеличенная чувствительность, особенно в ИК-области. В результате STARVIS не нашли, но была куплена другая камера с аналоговым выходом 1080p, функцией "день/ночь" и заявленной чувствительностью 0,001 лк.
Конечно, продавец обещал чудесный результат. Казалось бы, используемый в ней CMOS-сенсор IMX322 Exmor c типовой чувствительностью 500 мВ почти эквивалентен CCD Super HAD. В результате было получено практически полностью черное изображение из темноватого коридора перед дверью. Примечательно, что имеющаяся ИК-подсветка абсолютно так же не решала вопрос. Как ни странно, механическое удаление с матрицы наружного фильтра не улучшило положение. В конечном итоге все кончилось возвратом старой камеры, поскольку лучше иметь черно-белое изображение 4:3, чем никакого.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2019
Посещений: 3222
Автор
| |||
В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций