ПЗС‑матрица как устройство дискретизации

Как мы уже говорили, используемая в видеонаблюдении ПЗС‑матрица является двумерной, состоящей из элементов изображения (пикселов). Разрешающая способность, даваемая такой матрицей, зависит от числа пикселов и разрешающей способности объектива. Поскольку последняя обычно выше, чем разрешение ПЗС‑матрицы, то мы не будем считать оптическое разрешение камнем преткновения. Однако, как говорилось в разделе ФПМ, объективы изготавливаются с разрешением, подходящим для конкретного размера изображения, и следует осторожно использовать соответствующую оптику с матрицами различного размера.

Есть и еще один важный момент, касающийся разрешения ПЗС, это отсутствие непрерывности ТВ‑линий. ТВ‑линия, даваемая телекамерой с передающей трубкой, получается в результате непрерывного сканирования электронным лучом вдоль строки. ПЗС‑матрица состоит из дискретных пикселов, и поэтому информация одной ТВ‑линии состоит из дискретных значений, соответствующих каждому пикселу. Этот метод дает не цифровую информацию, а скорее дискретную выборку. Таким образом ПЗС‑матрица – это оптическое устройство дискретизации.

Как и в случае других устройств дискретизации, мы не получаем полную информацию по каждой строке, только дискретные значения в позициях, соответствующих позициям пикселов.

Может показаться, что восстановить непрерывный сигнал из отдельных его частей невозможно. Однако в 1928 г. Найквист показал, что сигнал может быть реконструирован без потери информации, если частота дискретизации равна, по меньшей мере, двойной ширине спектра сигнала (Точнее, не менее, чем в два раза больше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. В России это положение называют теоремой Котельникова. Прим. ред. ). Значения сигнала между выборочными точками знать не обязательно. Это важная теорема, доказанная и используемая во многих электронных устройствах дискретизации, CD‑аудио, видео и др. Частота дискретизации, эквивалентная удвоенной ширине спектра, называется частотой Найквиста.

Есть, однако, и нежелательный побочный продукт ПЗС‑дискретизации. Это хорошо известная муаровая картина, которая получается в случаях, когда снимается объект с более высоким разрешением. Обычно это хорошо видно, например, если диктор, ведущий программу новостей, наденет рубаху с очень мелким узором. Математически это соответствует случаю, когда максимальная частота приближается к частоте дискретизации. Поскольку пространственная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты оптического изображения F_smax , мы можем представить ее в частотной области одним значением частоты в области частоты Найквиста F^^ .

Пространственный спектр оптического сигнала основной полосы частот будет модулироваться в окрестностях этой частоты, что очень похоже на амплитудную модуляцию спектра боковых полос.

Если в оптическом изображении, спроецированном на ПЗС‑матрицу, присутствуют высокие частоты и эти частоты выше половины частоты F_NYQUIST , то боковые полосы (после дискретизации) наложатся на видимую основную полосу, и в результате мы увидим нежелательную картинку, муар. Муаровая частота ниже самой высокой частоты телекамеры F_NYQUIST/2‑F_smax

Чтобы минимизировать этот эффект применяется низкочастотная оптическая фильтрация (low‑pass optical filtering , LPO). Фильтры обычно составляют часть стеклянной маски ПЗС‑матрицы и формируются путем комбинирования нескольких двоякопреломляющих кварцевых пластин.

Эффект аналогичен размыванию (blurring ) мелких деталей оптического изображения.

Рис. 5.31. ПЗС‑матрица как устройство дискретизации

ПЗС‑матрица из пикселов (разрешение немного ниже, чем у проецируемой на нее испытательной таблицы)