От видикона к ПЗС-матрице

На заре развития охранного телевидения в телекамерах использовали в качестве светопреобразующего устройства видиконы. Камеры при этом имели большие габариты и инерционность, плохую чувствительность, короткий срок службы. Видикон - довольно громоздкое стеклянное устройство, напоминающее видоизмененную и уменьшенную трубку кинескопа, где экранная плоскость служит для построчного считывания изображения.

Благодаря развитию полупроводниковой технологии, были созданы приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые позволили перемещать заряд, сформированный световым потоком, вдоль линейки. Из линеек ПЗС были созданы матрицы ПЗС.

Все современные телевизионные камеры строятся на основе ПЗС-матриц. Свет, падающий на матрицу, преобразуется в электрический сигнал, который затем обрабатывается и выводится на монитор.

Поверхность ПЗС-матрицы состоит из множества светочувствительных ячеек - пикселей (их обычно от 270000 до 440000). Чем больше число пикселей, тем более качественное и четкое изображение. Большинство телекамер в настоящее время производится на основе матриц фирм "Sony", "Samsung" и "Sharp".

Формат камеры

Размер матрицы описывается параметром, называемым формат. Формат - это диагональный размер видикона, эквивалентного данной матрице. Он измеряется в дюймах и принимает значения: 1'', 2/3'',1/2", 1/З", 1/4". Матрицы большого формата 1", 2/3'' практически перестали выпускаться, так как камеры на их основе получаются очень громоздкими и дорогими. Последние модели ПЗС-матриц фирмы "Sony" имеют формат 1/4''. На основе таких матриц ряд фирм выпустили сверхминиатюрные камеры.

Совершенствование технологий позволяет производить уменьшение формата без ухудшения качества передаваемого изображения. Каждая новая матрица при меньшем формате имеет разрешение не хуже, чем предшественница.

Размер матрицы важен при определении необходимого угла обзора камеры. С одинаковыми объективами камера на основе матрицы 1/2" имеет больший угол зрения, чем камера с матрицей І/З".

Разрешение

Важный параметр телекамеры - разрешение. Этот параметр определяет возможности камеры по воспроизведению деталей изображения: чем выше разрешение, тем больше детальность, четкость картинки. Разрешение измеряется в телевизионных линиях и зависит не только от числа пикселей на матрице, но и от параметров электронной схемы камеры. В большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для ведения наблюдения. Существуют камеры другого класса, имеющие более высокое разрешение - 570 тв-линий. Такие камеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера машин, лица людей и т. д). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем разрешение черно-белых: 300 - 350 тв-линий. Существуют цветные камеры более высокого разрешения - 470 тв-линий. В настоящее время на рынке систем теленаблюдения появились цифровые цветные камеры высокого разрешения (460-480 тв-линий).

Для того, чтобы определить разрешение, обычно пользуются телевизионной таблицей, в которой приведены группы линий, расстояние между которыми соответствует определенному разрешению; при этом разрешение камеры определяется по тому участку таблицы, где линии в группе перестают быть различимы раздельно.

Разрешение (разрешающая способность) определяется, как количество переходов от черного к белому или обратно, которое может быть передано камерой. Поэтому единица измерения разрешения называется тв-линией. Разрешение по вертикали у всех камер (кроме камер плохого качества) одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки. Основное различие камер состоит в разрешении по горизонтали, именно оно обычно указывается в технических описаниях. К сожалению, существующее определение разрешающей способности недостаточно приспособлено для современных CCD-камер.

На разрешение камеры влияют два фактора: количество элементов матрицы и полоса частот видеосигнала, выдаваемого камерой.

Дискретная точечная структура матрицы приводит к эффекту "биения" при наблюдении полосатой картинки. Например, если у матрицы 400 точек по горизонтали, то, направив ее на тестовую таблицу, содержащую 200 черных и 200 белых линий, мы увидим четкую картинку из 400 линий. Однако, если сместить изображение на половину ячейки матрицы, то на каждую ячейку попадет половинка черной и половинка белой линии. Эта камера может, в принципе, передать 400 линий (однако очень неустойчиво). Широко распространено мнение, что надежно в таком случае передается количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. То есть камера с 400 ячейками имеет разрешение 300 тв-линий. В настоящее время такой подход еще не закрепился в стандартах, так что нередко недобросовестные производители в рекламных целях указывают завышенное значение своих камер.

Для передачи сигнала 300 ТВЛ необходима полоса частот 2.75 МГц (150 периодов на 55 мкс строки телевизионной развертки). В настоящее время хорошие полупроводниковые усилители не составляют проблемы, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую. Так что разрешение ограничивается именно дискретностью ПЗС-матрицы.

Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют терминами "resolution enhancement" или "edge enhancement". Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.

Однако есть случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3.8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на поднесущей (в стандарте PAL на частоте около 4.4 МГц), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3.8 МГц. (Строго говоря, стандарт предполагает гребенчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ. В настоящее время некоторые производители декларируют разрешение своих цветных камер 480 и более и, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется лишь в том случае, если сигнал снимается с Y-C (S-VHS) или компонентного (RGB) выхода. Здесь сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными коаксиальными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (коммутаторы, мультиплексоры, видеомагнитофоны) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.

Обратите внимание, что параметр "разрешение" имеет отношение не только к ПЗС- матрице на камере, но и ко всем цифровым приборам, как то: мультиплексоры, квадраторы, цифровые синхронизаторы и т.д. Они также ограничивают общее разрешение системы теленаблюдения.

Важно помнить, что разрешение системы в целом определяется тем компонентом, который имеет самое низкое разрешение, т. е., если камера имеет разрешение 430 линий, а монитор - 200, то изображение на экране будет воспроизведено с разрешением лишь в 200 линий. Разрешение может меняться при различных условиях освещенности, при низкой освещенности оно обычно снижается. 

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Чувствительность - еще один важный параметр телекамеры . Этот параметр определяет качество работы камеры при низкой освещенности, в темноте. Производители по - разному трактуют это понятие. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illuminаtion), при которой можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают минимальную освещенность на матрице (imаge illuminаtion). С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать освещенность на матрице, т. к. в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизированных условиях: коэффициент отражения объекта 0.75 и светосила объектива 1.4.

Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приве-дена ниже:

Iimаge=Iscene*R/(п*F2 ) , где
Iimаge - освещенность на ПЗС-матрице,
Iscene - освещенность на объекте,
R - коэффициент отражения объекта (см. таблицу 1.1),
F - светосила объектива.

Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются больше, чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0.025 люкс, то это значит, что при объективе F1.4 минимальная освещенность объекта - 0.25 люкс, а это среднее значение для современной телекамеры. Солидные фирмы в паспортах и каталогах обычно ставят значения освещенности именно на объекте. Производители же более низкого уровня стремятся выделить свою продукцию за счет более привлекательных характеристик чувствительности, при этом обычно "забывая" указывать, что измерения производились на матрице. Но даже эти данные не дадут вам ясной картины о чувствительности, еще есть много факторов, влияющих на результаты измерений.

Измерения проводятся при помощи люксометра. Если телекамера сохраняет необходимые параметры изображения при освещенности объекта в 0.3 люкса, можно утверждать, что ее чувствительность составляет 0.3 люкса. Но при этом необходимо учитывать следующее : уровень сигнала ( величина выходного сигнала с камеры равна 1.0 В или же меньше), точку измерения (было ли проведено измерение уровня освещенности непосредственно на матрице ПЗС, либо на объекте), использовался ли объектив (если да, каково было минимальное диафрагменное число), отражательную способность тестируемого объекта. Вот почему для проведения подобных измерений необходимо использовать специальную комнату. На рисунке 1 приведена схема проведения измерений чувствительности камер.

По сравнению с человеческим глазом чувствительность черно-белых телекамер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, однако прекрасно фиксируется телекамерами.

Для цветных телекамер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с черно-белыми и отсутствие чувствительности в инфракрасной части спектра. В качестве примера можно привести новую цветную камеру высокой чувствительности СEC-HSD32 компании COMPUTAR. Эта модель рассчитана на низкие уровни освещенности и обладает чувствительностью, в 32 раза превосходящую чувствительность обычных камер, обеспечивая идеальную передачу изображения в диапазоне от 100000 люкс до 0,02 люкса (рис.2). 

Чувствительность большинства современных черно-белых камер - порядка 0.01-1люкс (для F1.2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК-подсветки. Для эффективной работы таких камер достаточен лунный свет (смотрите таблицу 2).

Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются больше, чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0.025 люкс, то это значит, что при объективе F1.4 минимальная освещенность объекта - 0.25 люкс, а это среднее значение для современной телекамеры. Солидные фирмы в паспортах и каталогах обычно ставят значения освещенности именно на объекте. Производители же более низкого уровня стремятся выделить свою продукцию за счет более привлекательных характеристик чувствительности, при этом обычно "забывая" указывать, что измерения производились на матрице. Но даже эти данные не дадут вам ясной картины о чувствительности, еще есть много факторов, влияющих на результаты измерений.

Измерения проводятся при помощи люксометра. Если телекамера сохраняет необходимые параметры изображения при освещенности объекта в 0.3 люкса, можно утверждать, что ее чувствительность составляет 0.3 люкса. Но при этом необходимо учитывать следующее : уровень сигнала ( величина выходного сигнала с камеры равна 1.0 В или же меньше), точку измерения (было ли проведено измерение уровня освещенности непосредственно на матрице ПЗС, либо на объекте), использовался ли объектив (если да, каково было минимальное диафрагменное число), отражательную способность тестируемого объекта. Вот почему для проведения подобных измерений необходимо использовать специальную комнату. На рисунке 1 приведена схема проведения измерений чувствительности камер.

По сравнению с человеческим глазом чувствительность черно-белых телекамер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, однако прекрасно фиксируется телекамерами.

Для цветных телекамер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с черно-белыми и отсутствие чувствительности в инфракрасной части спектра. В качестве примера можно привести новую цветную камеру высокой чувствительности СEC-HSD32 компании COMPUTAR. Эта модель рассчитана на низкие уровни освещенности и обладает чувствительностью, в 32 раза превосходящую чувствительность обычных камер, обеспечивая идеальную передачу изображения в диапазоне от 100000 люкс до 0,02 люкса (рис.2). 

Чувствительность большинства современных черно-белых камер - порядка 0.01-1люкс (для F1.2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК-подсветки. Для эффективной работы таких камер достаточен лунный свет (смотрите таблицу 2).

Технические подробности

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь - ЭОП). Подобные камеры обладают не только уникальными свойствами (чувствительность их во 100 - 10000 раз выше обычных, причем в инфракрасном диапазоне теплое человеческое тело само светится), но и уникальной капризностью: время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем. Рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более.

Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать "выжигания " изображения. Для этого применяют специальные двухкоординатные устройства управления, которые никогда не стоят на месте, а перемещаются вверх- вниз, влево- вправо. Разумеется, если вам необходимо полностью скрытое наблюдение, которое противник, экипированный ночными прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ЭОП нет. Во всех же остальных случаях десять обычных камер, даже с ИК- прожекторами, будут дешевле одной "ночной ''.

"ОТНОШЕНИЕ сигнал / шум"

С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал/шум" (S/N = signаl/noise). Параметр измеряется в децибелах.

S/N =20*log"видеосигнал>/<шум".

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при ЗО дБ - "снег" по всему зкрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную "снежную" пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма коррекции, больше.

"ОТНОШЕНИЕ сигнал / шум"

С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал/шум" (S/N = signаl/noise). Параметр измеряется в децибелах.

S/N =20*log"видеосигнал>/<шум".

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при ЗО дБ - "снег" по всему зкрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную "снежную" пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма коррекции, больше.

Технические подробности

Нередко чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

Другой способ определения "приемлемого" сигнала - шкала IRE (Institute of Rаdio Engineers). Полный видеосигнал (0.7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. "Приемлемым" считается сигнал около 30 lRE. Некоторые производители, в частности BURLE, "приемлемым" указывают сигнал 25 IRE, другие - 50 IRE (уровень сигнала - 6дБ). Выбор "приемлемого" уровня определяется отношением "сигнал/шум". Усилить электронный сигнал нетрудно. Но и шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового производства обладают Hyper-KАD матрицы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камep высокого качества. Разброс параметров камер, построенных на их основе, означает разный подход производителей к определению понятия "приемлемый сигнал".

Дополнительная проблема связана с тем, что единица измерения "люкс" определена для монохромного излучения с длиной волны 550 нм. Поэтому немаловажная характеристика - спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно (по сравнению с человеческим глазом) растянута в инфракрасный диапазон. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами. Спектральная чувствительность цветных камер совпадает с человеческим глазом.

АВТОДИАФРАГМА

В течение суток освещенность на контролируемом объекте, как правило, претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический электронный затвор (electronic shutrer) или объектив с автодиафрагмой (аutoiris).

Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность матрицы на постоянном уровне, изменяя величину входного отверстия. Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного наблюдения рекомендуется использовать автоматические диафрагмы, так как в этом случае удается получить необходимый эффект при уровнях освещенности более 80000 лк.

АВТОДИАФРАГМА

В течение суток освещенность на контролируемом объекте, как правило, претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический электронный затвор (electronic shutrer) или объектив с автодиафрагмой (аutoiris).

Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность матрицы на постоянном уровне, изменяя величину входного отверстия. Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного наблюдения рекомендуется использовать автоматические диафрагмы, так как в этом случае удается получить необходимый эффект при уровнях освещенности более 80000 лк.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАТВОР

Автоматический электронный затвор, аналог выдержки фотоаппарата, обеспечивает компенсацию изменения уровня освещенности и постоянную среднюю яркость изображения. Это достигается за счет увеличения скорости переключения электронного затвора и уменьшения эффективной мощности оптического потока, попадающего на матрицу ПЗС. Скорость переключения затвора может достигать до 1/100000 секунды. Стоимость объективов без диафрагмы значительно ниже стоимости объективов с автодиафрагмой, и применение телекамер с электронным затвором позволяет экономить в некоторых случаях значительные суммы, т.к. с этими камерами можно использовать объективы с ручной диафрагмой. Высокочувствительные камеры вместе с объективами без диафрагмы рекомендуется использовать только внутри помещений, так как мощности электронного затвора недостаточно, чтобы отработать солнечный свет. Использование электронного затвора также улучшает наблюдение за быстроперемещающимися объектами.

Применение объективов с автодиафрагмой предпочтительнее в следую-щих cлyчаях:

- когда телекамера работает в условиях меняющейся освещенности;
- когда требуется максимальная глубина резкости, которая достигается максимально закрытой диафрагмой;
- когда необходимо более четко передать границы ярких объектов.

ВСТРОЕННЬІЙ УСИЛИТЕЛЬ ДИАФРАГМЬІ

В настоящее время встроенный усилитель диафрагмы становится стандартным для всех камер. Изначально разработанный для автоматических диафрагм, усилитель теперь помещен непосредственно на плату камеры. Это позволяет применять объективы без усиления или объективы с диафрагмой типа DC-драйв (стоимость их несколько ниже). Данная черта также позволяет стандартизировать pазъемы для подсоединения автодиафрагмы объектива к камере (рис.3). В камере используется 4-х выводной разъем, и многие oбъeктивы поставляются с ответными разъемами.

Естественно, все это снимает проблему стыковки соответствующих клемм и делает процесс установки объектива более простым и быстрым.

СИНХРОНИЗАЦИЯ КАМЕРЬІ

Недостатками многих систем теленаблюдения является плавающее и дрожащее изображение. Для ликвидации этих недостатков выполняется синхронизация телекамер и устройств обработки видеосигнала. Известно несколько способов синхронизации, одним из которых является синхронизация всех камер от одного источника сигнала. Это позволяет получить качественное изображение в момент переключения камер, устранить прыжки и дрожание изображения.

Вариант синхронизации LINE LOCK

Описываемые варианты синхронизации могут быть выполнены только с камерами, питающимися переменным током, так как в этом случае синхронизация всех камер осуществляется от питающего напряжения. Это возможно вследствие того, что параметры переменного тока являются стабильными во всем здании. Поэтому, пока ток в сети синфазный, синхронизация системы будет обеспечена. Если же разные камеры подключены к различным фазам, возникает необходимость их согласования по питанию и настройке фазы для каждой камеры в отдельности. Существует специальное устройство фазирования/cинхронизации для проведения работ по настройке и синхронизации камер в режиме line lock (рис.4). Устройство просто в обращении и обеспечивает идеальную синхронизацию системы, устраняя эффект бегущего и прыгающего изображения.

Внешняя синхронизация

Такой вариант синхронизации предполагает использование внешнего опорного источника сигнала. Затем этот сигнал распределяется на каждую камеру посредством специального коаксиального кабеля. Опорный сигнал может быть сформирован генератором синхросигналов. Также в качестве опорного может быть использован сигнал с видеовыхода камеры. Такие варианты предполагают применение дополнительных соединений и кабелей, однако являются единственными способами осуществления синхронизации для камер с питанием постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы по питанию (Line Lock). Некоторые устройства переключения (свитчеры), определенные виды мультиплексоров также требуют для работы камеры, синхронизированные по внешнему источнику опорного сигнала. В том случае, когда описанные выше варианты синхронизации не применяются, осуществляется внутренняя кварцевая синхронизация камеры.