Термин «разрешающая способность» на удивление трудно понять в полной мере. Если говорить что другой термин того же значения, хоть и близкий, - «разрешение», более понятен для большинства пользователей. Но разобраться со всеми нюансами его использования в видеонаблюдении очень непросто.

Заданием данной публикации является осветление следующих моментов:

1. В чем заключается традиционное понимания «разрешения», способность различать детали? В чем состоят ограничения подобного подхода?
2. Что означает разрешение в видеонаблюдении, число пикселов? Что ограничивает использование подобной метрики?
3. В чем отличия между разрешением матрицы и разрешением передачи потока?
4. Как сильно компрессия может повлиять на разрешение?
5. Чем ограничивается значение разрешени?

Разрешение - способность различать детали

В переводе с традиционного английского языка слово «разрешение» переводится, как способность различать детали. Например, можете ли вы в таблице, которую используют для проверки зрения, рассмотреть самую нижнюю строчку? А насколько четкое изображение сможет показать камера, когда снимки с нее будут просматриваться через монитор смежных штрихов? Именно это и является основным показателем качества, который ориентируется на результат.

Так уж получилось, что в отрасли видеонаблюдения обычно используют именно такой подход. Разрешающую способность камеры измеряли количеством телевизионных линий, то есть, измерялось количество штрихов, которое может обеспечить камера на мониторе. Чем больше штрихов можно увидеть, тем больше можно будет разглядеть деталей, которые снимала камера из реального мира - черты лица человека, номера автомобиля, и прочее.

В чем же состояли ограничения такого подхода? На самом деле все достаточно просто. Дело в том, что разрешающую способность камер, то есть количество линий на мониторе, всегда измеряли в условиях с хорошим освещением. Но само собой, что камера не может выдавать такое же качество картинки, если ее засветит солнце, или наоборот, освещение будет отсутствовать. Тогда, конечно же, качество съемки значительно ухудшается. Еще одну дополнительную сложность представляет тот факт, что невозможно измерить определенный алгоритм изменения качества съемки, для всех камер изменения будут разными.

Теоретически такой подход может быть применен для измерения качества камеры, но не стоит забывать, что точный результат он показывает только в идеальных условиях, которых в реальности добиться почти невозможно.

Разрешение - число пикселей

В наше время, когда большинство систем видеонаблюдения было переведено на , производители так же применяют в их отношении попытки измерить качество общее качество съемки. Для этого просто подсчитывают количество физических пикселей в матрице видеокамеры. Принято считать, что чем больше пикселей (так же, как раньше ориентировались на количество телевизионных линий) может выдавать видеокамера, тем выше будет качество изображения.

По аналогии с классическим измерением разрешающей способности камеры, которое проводилось в идеальных условиях, производители и сейчас продолжают игнорировать проблемы, которые могут повлиять на качество съемки.

Бывают, конечно, некоторые исключения, но в большинстве случаев, чем хуже освещенность, тем ниже будет качество съемки и тем ниже будет реальная разрешающая способность камеры. Например, камеры со сравнительно небольшим количеством пикселей благодаря лучшей технологии обработки изображения могут обеспечить гораздо более высокое качество съемки, как при ярком освещении от солнца, так и в условиях широкого динамического диапазона освещения.

Но, несмотря на это, сейчас количество пикселей считается одной из основных характеристик приборов видеонаблюдения. Несмотря на все эти ограничения, стоит всегда помнить, что ведя разговор на тему разрешающей способности, чаще всего даже профессионалы при этом имеют в виду не саму разрешающую способность, а количество пикселей. Кроме того, разрешающая способность может проявляться и в других формах.

При равных условиях, чем большим будет разрешение камеры (число пикселей), тем больше она будет стоить. И хотя камера может обладать многими характеристиками, всегда помните о том, что при низкой освещенности или большой ширине динамического диапазона качество картинки может сильно меняться.

В таблице приведены примеры разрешения камер видеонаблюдения, наиболее часто встречающихся на своременном рынке безопасности:

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.

1) Необходимо выбрать внутренние и внешние камеры видеонаблюдения . Для начала надо понять какие камеры мы хотим использовать цветные или чернобелые? Черно-белые обладают большей чувствительностью и дешевле цветных, с другой стороны у цветных камер можно больше снять информации с объекта слежения. При установке цветных камер на лестничной клетке при плохой освещенности, может получится что они не будут переключаться в цветной режим, т.е. им не будет хватать света для преодоления порога переключения, в этом случае нет необходимости в покупке цветных видеокамер.

• Выбор матрицы видеокамеры (CCD или CMOS). В настоящий момент камеры видеонаблюдения используют 2 типа матриц: ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) . Для преобразования света в электрические заряды и ПЗС-, и КМОП- матрицы используют фотоэлементы. Различие же между этими матрицамизаключается в том, как потом полученные электрические заряды считываются.

Преимущества ПЗС – Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент матрицы КМОП. Каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов, которые забирают довольно большую площадь. Другими словами, ПЗС-матрица воспринимает больше света, чем КМОП-матрица, у которой большая площадь матрицы просто не чувствительна к свету. Следует сказать, однако, что технологии КМОП-матриц активно развиваются и на рынке появляются все более и более чувствительные матрицы, постепенно догоняя матрицы ПЗС. В настоящий момент существуют две основные технологии КМОП-матриц – это Active Pixel Sensor (APS) и Active Column Sensor (ACS). Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица имеет минимальное количество активных электронных элементов, которые в результате нагрева могли бы вызвать тепловой шум в кадре. Преимущества КМОП – Разрешение. В настоящее время доступны относительно недорогие КМОП-матрицы разрешением 10 Мпикселей и более. При этом максимальное разрешение ПЗС матриц, используемыхв CCTV, составляет всего 1 мегапиксель. Низкая стоимость КМОП матриц. Камеры, использующие КМОП существенно дешевле аналогов на ПЗС. Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшать габариты камер. Физический размер матрицы определяется длиной диагонали в дюймах. Современные матрицы могут иметь следующие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. Чем больше физический размер матрицы, тем больше света приходится на каждый пиксель, что положительно влияет на чувствительность камеры.

• Процессор обработки видеосигнала присутствует во всех аналоговых CCTV камерах. Это важнейший модуль, который производит первичную обработку видеосигнала: корректирует яркость, цветность, контрастность изображения, а также выполняет более сложные операции. Вот некоторые популярные функции, выполняемые процессором обработки видеосигнала:

AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемую картинку при низкой освещенности. Обычно диапазон регулировки ограничивается 10-кратным усилением, так как большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала. AWB (Automatic White Balance), или AWC (Automatic White Compensation) , автоматическая регулировка баланса белого цвета для нормализации цветопередачи. BLC (Back Light Compensation) / SBLC (SuperBLC) – компенсация фоновой засветки, которая позволяет выровнять освещенность объекта в условиях яркого заднего фона. DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) – цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон для получения качественной картинки в условиях, когда одна часть кадра темная, а вторая – очень яркая.

• Светочувствительность (Лк) на сегодняшний день является одним из самых важных параметров при выборе камеры. При выборе камеры, прежде всего, нужно, конечно, обращать внимание на чувствительность,
  заявленную в спецификации. Уровень минимально необходимой освещенности измеряется в люксах. 1 люкс означает, что камера будет что-то показывать в сумерках, однако ночью без хорошей искусственной подсветки она ничего не “увидит”. Приемлемые показатели для камеры, которая будет устанавливаться на улицу – это 0.01 лк и ниже. В таблице приведены некоторые ориентиры для сравнения:

Однако количество «люксов» довольно непросто измерить, поэтому не всегда указанная в спецификации чувствительность, отражает реальные возможности камеры. Для того чтобы составить впечатление о чувствительности камеры нужно обратить внимание на размер матрицы, а также – на ее тип. Чем больше размер, тем лучше; CCD лучше, чем CMOS; ACS КМОП лучше, чем APS КМОП. Но самый надежный и рекомендуемый способ – это, конечно, провести тестирование, записав несколько тестовых роликов движущихся объектов в условиях недостаточной освещенности.

Важно понимать, что в условиях недостаточной освещенности разрешающая способность камеры существенно ухудшается. Помимо этого появляется эффект «смазывания» движущихся объектов из-за увеличенной выдержки. Обычно, когда уровень освещенности снижается до заявленной чувствительности камеры, качество картинки падает до неприемлемого уровня.

• Фокусное расстояние или «угол обзора» (F=) – это расстояние от главной точки объектива до точки фокусировки лучей. Для нас важно понимать, что фокусное расстояние определяет угол захвата сцены. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол и больше видимое приближение. Вариофокальный объектив , или объектив с переменным фокусным расстоянием, имеет возможность менять фокусное расстояние и, соответственно, углы. Существует ряд платных и бесплатных программ, которые помогут перевести миллиметры фокусного расстояния в углы.

• Разрешающая способность телекамеры (ТВЛ). Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разре­шающей способности системы видеонаблюдения (телекамера-линия связи-устройство записи-мони- тор), то основной частью системы будет устройство ввода (то есть в большинстве случаев разрешаю­щая способность системы будет во многом определяться разрешающей способностью телекамеры). Существует разрешающая способность по вертикали и разрешающая способность по горизонтали. Эти параметры измеряются по испытательной таблице.

Разрешающая способность по вертикали - это максимальное число горизонтальных линий, которое способна передать телекамера. Это число ограничено стандартом CCIR/PAL до 625 горизонтальных строк и стандартом EIA/NTSC до 525 строк. Реальное вертикальное разрешение (в обоих случаях) далеко от этих значений.

Разрешающая способность по горизонтали - это максимальное число вертикальных линий, кото­рые способна передать телекамера (В тех случаях, когда в документации указана только разрешающая способность, то это надо пони­мать, как разрешающая способ­ность погоризонтали). Горизонтальное разрешение ПЗС-телекамер обычно равно 75% горизонтальных пикселов ПЗС-матрицы. Как объяснялось выше, это результат соотноше­ния сторон 4:3. В частности, подсчитывая вертикальные ли­нии в целях определения гори­зонтального разрешения, мы считаем только горизонтальную ширину, эквивалентную высоте монитора по вертикали. Идея в основе сего - получить линии равной толщины, как по верти­кали, так и по горизонтали. Итак, если мы подсчитаем общее количество вертикальных линий по ширине монитора, то их надо умножить на 3/4 или 0.75. Поскольку это необычный расчет, то мы обычно называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями (TBЛ) , а не просто линиями. Максимальная разрешающая способность в аналоговых камерах составляет 600ТВЛ.

Практический опыт показывает, что человеческий глаз с трудом различает разницу в разрешающей способности, если она составляет менее 50 линий. Это не означает, что разрешающая способность не является важным фактором в определении качества телекамеры, просто небольшая разница в разрешении едва заметна, особенно если она меньше 10% общего числа пикселов.

Цветные телекамеры с одной ПЗС-матрицей (используемые в системах видеонаблюдения) имеют меньшую разрешающую способность, чем черно-белые, из-за деления на три цветовых компонен­та при том, что размеры этих ПЗС-матриц такие же, как у черно-белых телекамер. Трехматричные цветные телекамеры, используемые в телевещании, могут иметь гораздо более высокое разреше­ние. Появились телекамеры высокой четкости, где три 1-дюймовые матрицы дают горизонтальное разрешение, близкое к 1000 ТВЛ.

Отношение сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал телекамеры, осо­бенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизиро­вать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус телекамеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процес­сами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами. Прим. ред.). Источниками шума внутри телекамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэто­му «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от температуры.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изобра­жение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Силь­но зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от телекамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры определяется как отношение сигнала к шуму, производимому матрицей и электроникой телекамеры. Чтобы получить реальное отноше­ние сигнал/шум телекамеры, все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) долж­ны быть отключены, включая гамма-коррек­цию, АРУ, электронный затвор и схему компен­сации встречной засветки. Температура долж­на быть на уровне комнатной.

Для ПЗС-телекамер в видеонаблюдении отноше­ние сигнал/шум более 48 дБ считается хорошим. Следует помнить, что изменение отношения сигнал/шум на 3 дБ означает примерно 30-процентное уменьшение шума, так как уровень видеосигнала не меняется. И при сравнении телекамеры, у кото­рой сигнал/шум равен 48 дБ, с телекамерой, у которой, например, эта величина равна 51 дБ, послед­няя даст значительно лучшее изображение, что будет особенно заметно при низких уровнях освещен­ности. Говоря об отношении сигнал/шум, мы всегда полагаем, что АРУ отключена. Если не допускать значительного нагрева телекамеры, то шум будет меньше.

Для сравнения приведем такую величину: ПЗС-телекамеры в телевещании имеют отношение сигнал/шум более 56 дБ, что чрезвычайно хорошо для аналогового видеосигнала.

Основные задачи камеры - захват изображений, разбиение их на ряд неподвижных кадров и строк, передача и быстрое воспроизведение на экране, в результате чего человеческий глаз воспринимает их как движущееся изображение.

Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятыхиз инструкции.

Различные производители используют различные критерии и методы оценки, и в большинстве случаев, даже если мы знаем, как интерпретировать все числа из технического паспорта, нам все же приходится самим оценивать качество изображения, сравнивая его с изображением, даваемым другой камерой.

Сравнительный тест - это зачастую наилучший и единственный объективный способ проверки характеристик телекамеры - вертикального ореола, шума, чувствительности и пр.

Не забывайте, что общее впечатление о хорошем качестве изображения создается комбинацией многих факторов: разрешающей способности, ореола, чувствительности, шума, гамма-коррекции и пр. Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем этим факторам. Люди, не обладающие достаточным опытом, будут удивлены, узнав, что разница в разрешающейспособности в 50 ТВЛ иногда менее важна для качества изображения, чем, например, правильная установка гамма-коррекции или разница в 3 дБ в отношении сигнал/шум.
Рассмотрим некоторые наиболее важные характеристики:

1. Чувствительность;
2. Минимальная освещенность;
3. Разрешающая способность;
4. Отношение сигнал/шум;
5. Динамический диапазон.

Чувствительность
Чувствительность телекамеры, четко определенная в широковещательном ТВ, в видеонаблюдении часто понимается неверно, ее обычно путают с минимальной освещенностью.

Чувствительность характеризуется минимальным отверстием диафрагмы (максимальным F-числом), дающим видеосигнал полного размаха 1 В на тестовой таблице, освещенность которой равна точно 2000 лк и создана источником с цветовой температурой 3200° К.
Одна из стандартных тестовых таблиц для этих целей - это градационная испытательная таблица. Она должна иметь шкалу градаций яркости от черного до белого и общий коэффициент отражения 90% для белой части этой шкалы.

Пример универсальной таблицы предназначеной для оцен­ки работы телекамер, в том числе и цветных.

Проведением таких тестирований занимаются специалисты с применением профессионального оборудования.

Минимальная освещенность
В видеонаблюдении не существует четкого определения минимальной освещенности, в отличие от чувствительности телекамеры. Обычно этот термин относят к наименьшей освещенности на объекте, при которой данная телекамера дает распознаваемый видеосигнал. Поэтому данная характеристика выражается в люксах на объекте, при которых получается данный видеосигнал.

Одна из самых больших «уловок» в видеонаблюдении -одни производители дают минимальную освещенность на объекте, а другие имеют в виду минимальную освещенность ПЗС-матрицы. Это далеко не одно и то же. Когда определяется минимальная освещенность камеры (освещенность объекта), должно также указываться соответствующее F-число. Вторым важным фактором после освещенности, который тоже необходимо знать, является коэффициент отражения объекта в процентах.

Если указывается минимальная освещенность на ПЗС-матрице, можно учитывать не все факторы (такие, как отражение и пропускание объектива). Тогда при расчете эквивалентной освещенности объекта, проецируемого на ПЗС-матрицу, мы должны компенсировать все эти факторы.

Например: С объективом F/1.4 минимальная освещенность ПЗС-матрицы обычно в 10 раз выше (меньше люкс), чем чувствительность на объекте. Например, освещенность объекта в 1лк при отражении 75% с объективом F/1.4 соответствует освещенности в 0.1 лк на ПЗС-матрице.

Вышесказанное приводит к такому выводу: реальные характеристики телекамеры можно легко скрыть, просто не указывая некоторые факторы. Внимательно читайте спецификации. А также известный факт - черно-белые ПЗС-телекамеры всегда имеют более низкую минимальную освещенность, чем цветные ПЗС-телекамеры.

Разрешающая способность телекамеры.
Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разрешающей способности системы видеонаблюдения, то основной частью системы будет устройство ввода (то есть в большинстве случаев разрешающая способность системы будет во многом определяться разрешающей способностью камеры). Существует разрешающая способность по вертикали и разрешающая способность по горизонтали. Эти параметры измеряются по испытательной таблице. Разрешающая способность по вертикали - это максимальное число горизонтальных линий, которое способна передать телекамера. Это число ограничено стандартом CCIR/PAL и стандартом EIA/NTSC.

Отношение сигнал/шум
Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал камеры, особенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизировать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус камеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процессами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами). Источниками шума внутри телекамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэтому «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от температуры. Вот почему, указывая отношение сигнал/шум, производитель должен также указать и температуру, при которой проводились измерения.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изображение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Сильно зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от телекамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ).
Децибелы - это относительные единицы. Отношение выражается не в виде абсолютной величины, а в форме логарифма. Причина проста: логарифмы позволяют переводить большие отношения чисел к двух-трехзначным числам, но что более важно, преобразование сигнала (при вычислении затухания или усиления системы) сводится к простому сложению или умножению.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы
Динамический диапазон нечасто упоминается в технических характеристиках камер систем видеонаблюдения. Однако, это очень важная деталь, характеризующая эффективность камеры. Динамический диапазон ПЗС-матрицы определяется как максимальный сигнал накопления (насыщенная экспозиция), деленный на общее среднеквадратическое значение шума эквивалентной экспозиции. Динамический диапазон аналогичен отношению сигнал/шум, но относится только к динамике ПЗС-матрицы при обработке темных и ярких объектов в пределах одной сцены. Отношение сигнал/шум относится к полному сигналу, включая электронные схемы камеры, выражается в дБ, а динамический диапазон - это отношение, не логарифм.

Это число показывает световой диапазон, обрабатываемый ПЗС-матрицей, только этот диапазон выражается не в фотометрических единицах, а в значениях сформированного электрического сигнала. Он начинается с очень низких уровней света, равных среднеквадратическому значению шума ПЗС-матрицы и доходит до уровня насыщенности. Поскольку это отношение двух значений напряжения, то величина безразмерная, обычно порядка нескольких тысяч.

Автодиафрагма оптически блокирует избыточный свет и снижает его до верхнего уровня ПЗС-матрицы. Когда достигается уровень насыщения при экспозиции ПЗС-матрицы (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC), может проявиться эффект «заплывания» (blooming), когда избыточный свет насыщает не только те элементы изображения (пикселы), на которые он падает, но и соседние тоже. В результате у телекамеры снижается разрешающая способность и детальная информация в ярких зонах. Чтобы решить эту проблему, во многих ПЗС-матрицах была разработана специальная секция (anti-blooming). Эта секция ограничивает количество зарядов, которые могут собираться на каждом пикселе. Если эта секция спроецирована нормально, ни один пиксел не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры. Итак, даже если динамический диапазон такого сигнала ограничен, детали в ярких областях изображения не теряются. Это может оказаться чрезвычайно важным в сложных условиях освещения: если телекамера «смотрит» на свет фар автомобиля или ведется наблюдение в коридорах на фоне яркого света.

Общие сведения о ПЗС матрицах .

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский эквивалент CCD) матрицы.

Принцип работы ПЗС матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент имеет свойство накапливать заряды, пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления получается двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее строка за строкой и пиксел за пикселом на выход матрицы.

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

• на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);
• на полукадр (матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки);

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Качество современных ПЗС матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется.

Не смотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС матрицы, используемые в них, практически одни и теже, поскольку массовое и крупносерийное производство ПЗС матриц осуществляется всего несколькими фирмами. Это SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Основными параметрами, ПЗС матриц являются:

• размерность в пикселях;
• физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т.д.). При этом сами цифры не определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют класс прибора;
• чувствительность.

Разрешающая способность ПЗС камер .

Разрешающая способность ПЗС камер в основном определяется размерностью ПЗС матрицы в пикселях и качеством обьектива. В какой-то степени на это может влиять электроника камеры (если она плохо сделана это может ухудшить разрешение, но откровенно плохо сейчас делают редко).

Здесь важно сделать одно замечание. В некоторых случаях для улучшения видимого разрешения в камерах устанавливаются высокочастотные пространственные фильтры. В этом случае изображение объекта, полученное с камеры меньшей размерности, может выглядеть даже более резким, чем изображение этого же объекта, полученное объктивно лучшей камерой. Конечно, это приемлемо, в том случае когда камера используется в системах визуального наблюдения, но совершенно не подходит для построения измерительных систем.

Разрешающая способность и формат ПЗС матриц .

В настоящее время различными компаниями выпускается ПЗС матрицы, охватывающие широчайший диапазон размерностей от нескольких сотен до нескольких тысяч. Так сообщалось о матрице с размерностью 10000х10000, причем в этом сообщении отмечалась не столько проблема стоимости этой матрицы, сколько проблемы хранения, обработки и передачи полученных изображений. Как нам известно, сейчас более или менее широко применяются матрицы с размерностью до 2000х2000.

К наиболее широко, точнее массово применяемым ПЗС матрицам, безусловно следует отнести матрицы с разрешением ориентированным на телевизионный стандарт. Это матрицы, в основном, двух форматов:

• 512*576;
• 768*576.

Матрицы 512*576 обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения.

Матрицы 768*576 (иногда чуть больше, иногда чуть меньше) позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала. При этом, в отличии от матриц формата 512*576, они имеют близкую к квадрату сетку расположения светочувствительных элементов, а, следовательно, равную разрешающую способность по горизонтали и вертикали.

Часто фирмы-изготовители телекамер указывают разрешающую способность в телевизионных линиях. Это означает, что камера позволяет разглядеть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, где N - заявленное число телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая растояние и фокусируя изображение таблицы надо добиться того, чтобы верхний и нижний край изображения таблицы на мониторе совпал с внешним контуром таблицы, отмечаемым вершинами черных и белых призм; далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают разрешаться. Последнее замечание очень важно т.к. и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами (см. выше)!

Хочется заметить, что при прочих равных условиях (в основном на это может повлиять обьектив) разрешающая способность черно-белых камер однозначно определяется размерностью ПЗС матрицы. Так камера формата 768*576 будет иметь разрешающую способность 576 телевизионных линий, хотя в одних проспектах можно найти величину 550, а в других 600.

Обьектив.

Физический размер ПЗС ячеек является основным параметром, определящим требование к разрешающей способности обьектива. Другим таким параметром может явиться требование по обеспечению работы матрицы в условии световой перегрузки, которое будет рассмотрено ниже.

Для 1/2 дюймовой матрицы SONY ICX039 размер пикселя составляет 8.6мкм*8.3мкм. Следовательно обьектив должен иметь разрешение лучше чем:

1/8.3*10e-3= 120 линий (60 пар линий на миллиметр).

Для обьективов, сделанных под 1/3 дюймовые матрицы, это значение должно быть еще выше, хотя это, как ни странно, не отражается на стоимости и таком параметре как светосила, поскольку эти объективы делают с учетом необходимости формирования изображения на меньшем светочувствительном поле матрицы. Отсюда следует и то, что объективы для матриц меньшего размера не подходят к большим матрицам из-за существенно ухудшающихся характеристиках на краях больших матриц. В тоже время объективы для больших матриц могут ограничить разрешение изображений, получаемых с меньших матриц.

К сожалению, при всем современном изобилии обьективов для телекамер, информацию по их разрешающей способности получить очень тяжело.

Вообще, мы не часто занимаемся подбором объективов, поскольку почти все наши Заказчики устанавливают видеосистемы на уже имеющуюся оптику: микроскопы, телескопы и т.д., поэтому наши сведения о рынке объективов носят характер заметок. Можно только сказать, что разрешающая способность простых и дешевых обьективов находится в диапазоне 50-60 пар линий на мм, что вообще- то недостаточно.

С другой стороны у нас есть информация, что специальные объективы производства Zeiss с разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000$.

Так, что при покупке объектива необходимо провести предварительное тестирование. Надо сказать, что большинство Московских продавцов дают объективы на тестирование. Здесь ещё раз уместно вспомнить об эффекте муара, наличие которого, как отмечалось выше, может ввести в заблуждение относительно разрешающей способности матрицы. Так вот, наличие муара на изображении участков таблицы со штрихами выше 600 телевизионных линий в отношении объктива свидетельствует о некотором запасе разрешающей способности последнего, что, конечно, не помешает.

Еще одно, может быть, важное замечание для тех, кого интересуют геометрические измерения. Все объективы в той или иной степени имеют дисторсию (подушкообразное искажение геометрии изображения), причем чем короткофокуснее объектив, тем эти искажения, как правило, больше. По нашему представлению приемлимую дисторсиии для 1/3" и 1/2" камер имеют объективы с фокусными расстояниями больше 8-12 мм. Хотя уровень "приемлимости", конечно, зависит от задач, которые должна решать телекамера.

Разрешающая способность контроллеров ввода изображения

Под разрешающей способность контроллеров ввода изображений следует понимать частоту преобразований аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) контроллера, данные которого затем записываются в память контроллера. Очевидно, что есть разумный предел повышения частоты оцифровки. Для устройств, имеющих непрерывную структуру фоточувствительного слоя, например, видиконов, оптимальная частота оцифровки равна удвоенной верхней частоте полезного сигнала видикона.

В отличии от таких светоприемников ПЗС матрицы имеют дискретную топологию, поэтому оптимальная частота оцифровки для них определяется как частота сдвига выходного регистра матрицы. При этом важно, что бы АЦП контроллера работал синхронно с выходным регистром ПЗС матрицы. Только в этом случае может быть достигнуто наилучшее качество преобразования как с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений так и с точки зрения минимизации шумов от тактовых импульсов и переходных процессов.

Чувствительность ПЗС телекамер

Начиная с 1994 года мы используем в своих устройствах кард-камеры фирмы SONY на основе ПЗС матрицы ICX039. В описании SONY на это устройство указана чувствительность 0.25 лк на объекте при светосиле обьектива 1.4. Уже несколько раз, мы встречали камеры с похожими параметрами (размер 1/2 дюйма, разрешение 752*576) и с декларируемой чувствительностью в 10 а то и в 100 раз большей чем у "нашей" SONY.

Мы несколько раз проверяли эти цифры. В большинстве случаях в камерах разных фирм мы обнаруживали туже самую ПЗС матрицу ICX039. При этом все микросхемы "обвязки" были тоже SONY-вские. Да и сравнительное тестирование показало почти полную идентичность всех этих камер. Так в чем вопрос?

А весь вопрос в том, при каком соотношении сигнал/шум (с/ш) определяется чувствительность. В нашем случае компания SONY добросовестно показала чувствительность при с/ш=46 дб, а другие фирмы либо не указали это, либо указали так, что непонятно при каких условиях производились эти измерения.

Это, вообще, общий бич большинства фирм-изготовителей телекамер - не указывать условия проведения замеров параметров телекамер.

Дело в том, что при уменьшении требования к соотношению с/ш чувствительность камеры возрастает обратно пропорционально квадрату требуемого отношения с/ш:

где:
I - чувствительность;
K - коэффициент пересчета;
с/ш - отношение с/ш в линейных единицах,

поэтому у многих фирм появляется соблазн указывать чувствительность камер при заниженном отношении с/ш.

Можно сказать, что способность матриц лучше или хуже "видеть" определяется количеством зарядов, преобразованных из падающих на её поверхность фотонов и качеством доставки этих зарядов на выход. Количество накопленных зарядов зависит от площади светочувствительного элемента и квантовой эффективности ПЗС матрицы, а качество траспортировки определяется множеством факторов, которые часто сводят к одному - шуму считывания. Шум считывания для современных матриц составляет величину порядка 10-30 электронов и даже менее!

Площади элементов ПЗС матриц различны, но типовое значение для 1/2 дюймовых матриц для телекамер - 8.5мкм*8.5мкм. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размером самих матриц, что повышает их стоимость не столько за счет собственно увеличения цены производства, сколько за счет того, что серийность таких устройств на несколько порядков меньше. Кроме того на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы в той степени сколько процентов к общей поверхности кристалла занимает чувствительная площадка (фактор заполнения). В некоторых специальных матрицах фактор заполнения заявляется 100%.

Квантовая эффективность (на сколько в среднем изменяется заряд чувствительной ячейки в электронах при падении на её поверхность одного фотона) у современных матриц равна 0.4-0.6 (у отдельных матриц без антиблюминга она достигает 0.85).

Таким образом видно, что чувствительность ПЗС камер, отнесенная к определенному значению с/ш, вплотную подошла к физическому пределу. По нашему заключению типичные значения чувствительности камер общего применения при с/ш=46 лежат в диапазоне 0.15-0.25 лк освещенности на обьекте при светосиле обьектива 1.4.

В связи с этим мы не рекомендуем слепо доверять цифрам чувствительности, указанным в описаниях телекамер, тем более, когда не приведены условия определения этого параметра и, если вы видите в паспорте камеры ценой до 500 $ чувствительность 0.01-0.001 лк в телевизионном режиме, то перед вами образец, мягко говоря, некорректной информации.

О способах повышения чувствительности ПЗС камер

Что же делать, если вам надо получить изображение очень слабого объекта, например, удаленной галактики?

Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Рис1 Планетарная туманность М57.

Телескоп: 60 см, экспозиция - 20 сек., темпеpатуpа во вpемя экспозиции - 20 С.
В центре туманности звездный объект 15 звездной величены.
Изобpажение получено В. Амиpханяном в САО РАH.

Можно утверждать с достаточной точностью, что чувствительность ПЗС камер прямо пропорциональна времени экспозиции.

Например, чувствительность при выдержке 1 сек по отношению к исходной 1/50с увеличится в 50 раз т.е. будет лучше - 0.005 лкс.

Конечно на этом пути есть проблемы, и это, прежде всего, темновой ток матриц, который приносит заряды, накапливаемые одновременно с полезным сигналом. Темновой ток определяется во-первых, технологией изготовления кристалла, во-вторых, уровнем технологии и, конечно, в очень большой степени рабочей температурой самой матрицы.

Обычно для достижения больших времен накопления, порядка минут или десятков минут, матрицы охлаждают до минус 20-40 град. С. Сама по себе задача охлаждения матриц до таких температур решена, но сказать, что это сделать просто нельзя, поскольку всегда есть конструктивные и эксплуатационные проблемы, связанные с запотеванием защитных стекол и сброса тепла с горячего спая термоэлектрического холодильника.

В тоже время технологический прогресс производства ПЗС матриц коснулся и такого параметра, как темновой ток. Здесь достижения весьма значительны и темновой ток некоторых хороших современных матриц очень невелик. По нашему опыту камеры без охлаждения позволяют при комнатной температуре делать экспозиции в пределах десятков секунд, а при компенсации темнового фона и до нескольких минут. Для примера здесь приведена фотография планетарной туманности М57, полученная видеоситемой VS-a-tandem-56/2 без охлаждения с экспозицией 20с.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Спектральная чувствительность ПЗС камер

Рис.2 Спектральные характеристики различных матриц

Для некоторых областей применения, важным фактором является спектральная чувствительности ПЗС матриц. Поскольку все ПЗС изготавливаются на основе кремния, то в "голом" виде спектральная чувствительность ПЗС соответствует этому параметру у кремния (см. рис. 2).

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Рис. 3 Типичная спектральная характеристика черно-белых матриц SONY.

Фирма SONY все свои черно-белые матрицы выпускает со следующей спектральной характеристикой (см рис. 3). Как видно их этого рисунка чувствительность ПЗС в ближнем ИК значительно уменьшена, но зато матрица стала воспринимать синюю область спектра.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

О прогрессивной и черезстрочной развертке

Стандартный телевизионный сигнал, разрабатывался для системы вещательного телевидения, и имеет с точки зрения современных систем ввода и обработки изображения один большой недостаток. Хотя в телесигнале содержится 625 строк (из них около 576 с видеоинформацией), показываются последовательно 2 полукадра состоящие из четных строк (четный полукадр) и нечетных строк (нечетный полукадр). Это приводит к тому, что если вводится движущееся изображение, то при анализе нельзя использовать разрешение по Y более чем число строк в одном полукадре (288). Кроме этого в современных системах, когда изображение визуализируется на компьютерном мониторе (который имеет прогрессивную развертку), изображение, введенное с черезстрочной телекамеры при движении обьекта наблюдения, вызывает неприятный визуальный эффект раздвоения.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).

Другие параметры камер

К этим другим можно отнести такой параметр как "блюминг" т.е. расплывание заряда по поверхности матрицы при пересветке отдельных ее элементов. На практике такой случай может встретиться, например, при наблюдении объектов с бликами. Это довольно неприятный эффект ПЗС матриц, поскольку несколько ярких точек могут исказить все изображение. По-счастию, многие современные матрицы содержат антиблюминговые устройсва. Так в описаниях некоторых последних матриц SONY мы нашли 2000, характеризующую допустимую световую перегрузку отдельных ячеек, не приводящую еще к растеканию зарядов. Это достаточно высокое значение, тем более, что добиться этого результата можно, как показал наш опыт, только при специальной подстройке драйверов, управляющих непосредственно матрицей и канала предварительного усиления видеосигнала. Кроме того свой вклад в "растекание" ярких точек вносит и объектив, поскольку при таких больших световых перегрузках даже малое рассеяние за пределы основного пятна дает заметную световую подставку для соседних элементов.

Здесь также необходимо отметить и то, что по некоторым данным, которые мы сами не проверяли, матрицы с антиблюмингом имеют в 2 раза более низкую квантовую эффективность, чем матрици без антиблюминга. В связи с этим, в системах, требующих очень высокой чувствительности, возможно имеет смысл применять матрицы без антиблюминга (обычно это специальные задачи типа астрономических).

О цветных телекамерах

Материалы этого раздела несколько выходят за установленные нами же рамки рассмотрения измерительных систем, тем не менее широкое распространение цветных камер (даже большее чем черно-белых) вынуждает нас внести ясность и в этот вопрос, тем более, что Заказчики часто пытаются использовать с нашими черно-белыми фраймграберами цветные телекамеры, и очень удивляются, когда на полученных изображениях они обнаруживают какие-то разводы, а разрешение изображений оказывается недостаточным. Поясним в чем тут дело.

Существуют 2 способа формирования цветного сигнала:

• 1. использование одноматричной камеры.
• 2. использование системы из 3 ПЗС матриц с цветоделительной головкой для получения R, G, B компоненов цветного сигнала на этих матрицах.

Второй путь обеспечивает наилучшее качество и только он позволяет получить измерительные системы, однако камеры, работающие на этом приципе достаточно дороги (более 3000$).

В большинстве случаев используются одноматричные ПЗС камеры. Рассмотрим их принцип работы.

Как явствует из достаточно широкой спектральной характиристики ПЗС матрицы, она не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность. Поэтому для того, чтобы вводить цветное изображение перед каждым элементом ПЗС матрицы устанавливается светофильтр. При этом общее число элементов матрицы остается прежним. Фирма SONY, например, выпускает совершенно одинаковые ПЗС матрицы для черно-белого и цветного варианта, которые отличаются только наличием у цветной матрицы сетки светофильтров, нанесенных непосредственно на чувствительные площадки. Существуют несколько схем раскраски матриц. Вот одна из них.

Здесь используются 4 разных светофильтра (см рис. 4 и рис. 5).

Рис 4. Распредение светофильтров на элементах ПЗС матрицы

Рис 5. Спектральная чувствительность элементов ПЗС с различными светофильтрами.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

В строке A1 получают "красный" цветоразностный сигнал как:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

а в строке A2 получают "голубой" цветоразностный сигнал:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Отсюда ясно, что пространственное разрешение цветной ПЗС матрицы по сравнению с такой же черно-белой обычно в 1.3-1.5 раза хуже по горизонтали и по вертикали. За счет применения светофильтров чувствительность цветной ПЗС также хуже, чем у черно-белой. Таким образом можно сказать, что, если имеется одноматричный приемник 1000*800, то реально можно получить около 700*550 по яркостному сигналу и 500*400 (возможен вариант 700*400) по цветному.

Отвлекаясь от технических вопросов хочется заметить, что с рекламными целями многие фирмы-изготовители электронных фотоаппаратов сообщают совершенно непонятные данные по своей технике. Например, фирма "Кодак" обьявляет разрешение у своего электронного фотоаппарата DC120 1200*1000 при матрице 850х984 пикселей. Но господа - информация из пустого места не возникает, хотя визуально смотрится и неплохо!

О постранственном разрешении цветового сигнала (сигнала который несет информацию о цвете изображения) можно сказать, что она как минимум в 2 раза хуже, чем разрешение по черно-белому сигналу. Кроме того "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат обработки яркостей различных элементов исходной картинки. Грубо говоря, за счет резкого различия яркостей соседних элементов объекта может быть вычислен цвет, которого вовсе здесь и нет, при этом незначительное смещение камеры приведет к резкому изменению выходного цвета. Для примера: граница темного и светлого поля серого цвета будет выглядеть, состоящей из разноцветных квадратиков.

Все эти рассуждения касаются только физического принципа получения информации на цветных ПЗС матрицах, при этом надо учесть, что обычно видеосигнал на выходе цветных камер представлен в одном из стандартных форматов PAL, NTSC, реже S-video.

Форматы PAL и NTSC хороши тем, что могут сразу быть воспроизведены на стандартных мониторах с видеовходом, но при этом надо помнить, что этими стандартами для сигнала цветности предусмотрена существенно более узкая полоса, поэтому правильнее здесь говорить о раскрашенном, а не о цветном изображении. Ещё одной неприятной особенностью камер с видеосигналами, несущими цветовую компоненту, является появление, упомянутых выше, разводов на изображении, полученных черно-белыми фраймграберами. И дело здесь в том, что сигнал цветности находится почти в середине полосы видеосигнала, создавая помеху при вводе кадра изображения. Мы же не видим эту помеху на телевизионном мониторе потому, что фаза этой "помехи" через четыре кадра изменяется на противоположную и усредняется глазом. Отсюда недоумении Заказчика, получающего изображение с помехой, которую он не видит.

Из этого следует, что, если вам необходмо проводить какие-то измерения или дешифровку объектов по цвету, то к этом у вопросу надо подойти с учетом, как сказанного выше, так и других особенностей вашей задачи.

О CMOS матрицах

В мире электроники все меняется очень быстро и хотя область фотоприемников одна из наиболее консервативных, но и тут в последнее время на подходе новые технологии. В первую очередь это относится к появлению CMOS телевизионных матриц.

Действительно, кремний является светочувствитерным элементом и любое полупроводниковое изделие можно использовать как датчик. Использование CMOS технологии дает несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционной.

Во-первых, технология CMOS хорошо освоена и позволяет выпускать элементы с большим выходом годных изделий.

Во-вторых технология CMOS позволяет разместить на матрице кроме светочувствительной области и различные устройства обрамления (вплоть до АЦП), которые раньше устанавливались "снаружи". Это позволяет выпускать телекамеры с цифровым выходом "на одном кристале".

Благодаря этим преимуществам становиться возможен выпуск значительно более дешевых телевизионных камер. Кроме этого значительно расширяется круг фирм производящих матрицы.

В настоящий момент выпуск телевизионных матриц и камер на CMOS технологии только налаживается. Информация о параметрах таких устройств весьма скудна. Можно лишь отметить, что параметры этих матриц не превосходят достигнух сейчас, что же касается цены, то тут их преимущества неоспоримы.

Приведу в качестве примера однокристальную цветную камеру фирмы Photobit PB-159. Камера выполнена на одном кристале и имеет следующие технические параметры:

• разрешение - 512*384;
• размер пикселя - 7.9мкм*7.9мкм;
• чувствительность - 1люкс;
• выход - цифровой 8-ми битный SRGB;
• корпус - 44 ноги PLCC.

Таким образом камера проигрывает в чувствительности раза в четыре, кроме того из информации по другой камере ясно, что в этой технологии есть проблемы со сравнительно большим темновым током.

О цифровых фотоаппаратах

В последние время появился и стремительно растет новый сегмент рынка, использующий ПЗС и CMOS матрицы - цифровые фотоаппараты. Причем в настояший момент происходит резкое повышение качества этих изделий одновременно с резким понижением цены. Действительно еще 2 года назад одна только матрица с разрешением 1024*1024 стоила около 3000-7000$ , а сейчас фотоаппараты с такими матрицами и кучей прибамбасов (ЖК экран, память, вариообьектив, удобный корпус и т.д.) можно купить дешевле 1000$. Это можно обьяснить только переходом на крупносерийное производство матриц.

Поскольку эти фотоаппараты основаны на ПЗС и CMOS матрицах, то все рассуждения в этой статье о чувствительности, о принципах формирования цветного сигнала действительны и для них.

Вместо заключения

Накопленый нами практический опыт позволяет сделать следующие выводы:

• технология производства ПЗС матриц с точки зрения чувствительности и шумов весьма близка к физическим пределам;
• на рынке телевизионных камер можно найти камеры приемлемого качества, хотя для достижения более высоких параметров возможно потребуется подрегулировка;
• не следует обольщаться цифрам высокой чувствительности, приведенным в проспектах на камеры;
• и ещё, цены на абсолютно одинаковые по качеству и даже на просто одинаковые камеры у разных продавцов могут отличаться более чем в два раза!