Технические параметры телекамер и что они означают

Основные задачи телекамеры – 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.

Выбирая телекамеру, мы должны принимать во внимание ряд характеристик. Некоторые из них очень важны, другие не очень, все зависит от применения.

Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятых из 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 телекамерой.

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 разрешающей способности 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:

– Чувствительность телекамеры;

– Минимальная освещенность;

– Разрешающая способность телекамеры;

– Отношение сигнал/шум;

– Динамический диапазон.

Другие, менее важные, но тоже имеющие значение характеристики включают: гамма‑коррекцию, темновой ток, спектральную чувствительность, оптическую низкочастотную фильтрацию, диапазон АРУ в дБ, энергопотребление, габаритные размеры и пр.

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.

Тестовая таблица должна иметь шкалу градаций яркости от черного до белого и общий коэффициент отражения 90 % для белой части этой шкалы.

Одна из стандартных тестовых таблиц для этих целей – это градационная испытательная таблица EIA. Пиковый уровень белого должен составлять 700 мВ, а уровень черного – около 20 мВ. Гамма‑коррекция тоже играет роль в правильном воспроизведении тонов серого и должна быть установлена на 0.45. Чтобы установить чувствительность телекамеры, требуется объектив с ручной установкой диафрагмы, обычно с фокусным расстоянием 25…50 мм. Чтобы измерения были корректны, следует отключить АРУ телекамеры.

Когда все вышеперечисленное проделано, ручную диафрагму объектива закрывают до тех пор, пока пиковый уровень белого (700 мВ относительно уровня гашения) не начнет уменьшаться.

Отметка установки диафрагмы – F/4 или F/5.6 – и дает чувствительность телекамеры. Чем больше это число, тем выше чувствительность телекамеры. При сравнении различных телекамер следует использовать одинаковый источник света и ту же испытательную таблицу.

Рис. 5.34. Этот пример иллюстрирует тестирование телекамеры с градационной испытательной таблицей. На отметке диафрагмы F/5.6 полный размах видеосигнала еще 1 В

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.

Термин распознаваемый используется в широком смысле, и в зависимости от производителя может быть определен или нет. Это одна из самых больших «уловок» в видеонаблюдении. Большинство производителей, особенно тайваньских, не указывают уровень видеосигнала на выходе телекамеры для освещенности, указываемой как минимальная освещенность. Этот уровень может составлять 30 % (от 700 мВ), иногда 50 %, а иногда и 10 %.

Вот, например, общепринятые выражения при описании минимальной освещенности: «0.1 лк на объекте с коэффициентом отражения 80 % при использовании объектива F/1.4».

Следует иметь в виду, что в телекамере с хорошей схемой АРУ даже 10 % видеосигнала (70 мВ) можно раскачать так, что он будет казаться намного больше, чем есть на самом деле. Это, естественно, может вводить в заблуждение.

Например, в паспорте записано: 0.01 лк на объекте с объективом F/1.4, что предполагает (но не сообщается вам) что АРУ включена. Другие производители скромно указывают в технических характеристиках, например, что минимальная освещенность равна 0.1 лк при F/1.4 (при этом на выходе 50 % видеосигнала получается с отключенной АРУ). Понятно, на бумаге первая телекамера может показаться гораздо более перспективной, хотя в действительности гораздо лучше вторая.

Еще один вопрос для дискуссии: 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 телекамеры (освещенность объекта), должно также указываться соответствующее F‑число. Вторым важным фактором после освещенности, который тоже необходимо знать, является коэффициент отражения объекта в процентах.

Рис. 5.35. На левой части можно было бы увидеть мальчика со свечой в руке, но его контуры практически неразличимы, так как чувствительности фотопленки недостаточно, но телекамера позволяет отчетливо его разглядеть, как это видно на мониторе справа.

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.

Эмпирическое правило (которое я вывел в разделе «Вычисление количества света») гласит: с объективом F/1.4 минимальная освещенность ПЗС‑матрицы обычно в 10 раз выше (меньше люкс), чем чувствительность на объекте. Например, освещенность объекта в 1 лк 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.

Известный факт – черно‑белые ПЗС‑телекамеры всегда имеют более низкую минимальную освещенность, чем цветные ПЗС‑телекамеры.

Одна из причин – инфракрасный отсекающий фильтр на ПЗС‑матрице. Как указывалось раньше, такой фильтр корректирует спектральную характеристику ПЗС‑матрицы, приближая ее к характеристикам человеческого глаза, но он также снижает количество света, падающего на матрицу.

Другая причина заложена в конструктивных особенностях используемой в видоенаблюдении одной цветной матрицы. Каждый пиксел цветной ПЗС‑матрицы состоит из трех элементов (саб‑пикселов), размещенных на физическом пространстве одного черно‑белого пиксела.

Размер каждого элемента составляет не более 1/3 черно‑белого пиксела, что косвенно снижает чувствительность.

За период, прошедший между появлением этого издания книги и предыдущего, появилось большое количество телекамер, которые условно называются «день/ночь» (Day/Night ). Эти телекамеры обычно имеют цветной фотоприемник, который превращается в черно‑белый за счет механического удаления отсекающего ИК‑фильтра и интегрирования трех пикселов RGB в один монохромный.

Таким образом, цветная телекамера при нормальных уровнях освещенности превращается в более чувствительную черно‑белую телекамеру при минимальных уровнях освещенности. Кроме того, чувствительность возрастает также за счет инфракрасного диапазона, так как убирается отсекающий ИК‑фильтр. Некоторые модели телекамер только переключаются в черно‑белый режим с интегрированием пикселов, но не убирают отсекающий ИК‑фильтр. Некоторые производители телекамер пошли еще дальше и к цветной матрице добавили черно‑белую. В этом случае, когда уровень освещенности снижается ниже определенного, происходит механическое переключение фотоприемников.

Хотя такие решения достаточно практичны, но реализация механического переключения должна быть выполнена очень качественно, так как его придется делать как минимум два раза в сутки, что может послужить причиной выхода из строя. (Существуют телекамеры с двумя матрицами и двумя объективами, где переключение между матрицами осуществляется не механически, а электрически. Однако изображение на этих матрицах, как бы близко друг к другу они ни были расположены, будет немного отличаться. Впрочем, для большинства случаев, эти отличия не будут критичными. Прим. ред. ) Чаще всего такие телекамеры нужны, когда требуется ночное наблюдение в инфракрасном свете с сохранением цветного режима работы при полном дневном свете.

Следует заметить, что большинство современных цветных телекамер даже без удаления отсекающего ИК‑фильтра будут чувствительнее человеческого глаза.

Разрешающая способность телекамеры

Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разрешающей способности системы видеонаблюдения (телекамера‑линия связи‑устройство записи‑монитор), 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.

Если принимать во внимание кадровые синхроимпульсы, уравнивающие строки и пр., то максимальная разрешающая способность по вертикали оказывается равной 575 строк в CCIR/PAL и 470 строк в EIA/NTSC. Это требует корректировки с учетом фактора Келла – 0.7, и мы получим максимальное действительное вертикальное разрешение в 400 ТВЛ для CCIR/PAL (более подробно см. «Разрешающая способность» в главе 4 «Общие характеристики телевизионных систем»). Дедуктивное рассуждение может быть продолжено для сигнала EIA/NTSC, что даст максимальное действительное вертикальное разрешение в 330 ТВЛ.

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 по горизонтали. Прим. ред. ). Это число ограничено только технологией и качеством монитора. В наши дни существуют ПЗС‑телекамеры с разрешающей способностью по горизонтали более 600 ТВЛ.

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 верти‑кали, 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 (ТВЛ), а не просто линиями.

Рис. 5.36. Более точное измерение горизонтального разрешения по 5 % модуляции

Рис. 5.37. Испытательная таблицаCCTV Labs была специально разработана для CCTV и используется для измерения разрешающей способности и многих других важных параметров

Для оценки разрешения телекамеры существует ряд тестовых диаграмм. Наиболее популярна таблица EIA RETMA, но для этих целей можно использовать и другие. На обложке книги вы найдете тестовую диаграмму, разработанную специально для видеонаблюдения.

Здесь важно знать одну вещь: при измерении разрешающей способности кабель, по которому передается видеосигнал, должен быть нагружен на согласующее сопротивление 75 Ом, и изображение на экране должно быть видно полностью, без отсечения краев (что делает большинство видеомониторов). Для этого необходимо использовать специальный видеомонитор высокого разрешения без ограничения растра.

Затем объектив телекамеры настраивается на наилучшую фокусировку (обычно при среднем значении F‑числа: 5.6 или 8), при этом таблица должна полностью находиться в поле зрения. Также должны быть отключены все внутренние корректирующие цепи телекамеры (АРУ, гамма‑коррекция, электронный затвор).

Рис. 5.38. Визуальное определение горизонтальной разрешающей способности (в центре) будет менее точным, чем при измерении по 5 % модуляции с использованием осциллографа с выбором ТВ‑строки

Рис. 5.39. Испытательная таблица RETMA

Рис. 5.40. Новые рекомендации IEEE‑208 для измерения разрешающей способности

Разрешающая способность оценивается по установлению момента, когда четыре сходящиеся линии в виде остроугольного треугольника на изображении испытательной таблицы перестают быть различимыми. Если это делать визуально, то вывод будет приблизительным (Это так назывемый метод измерения по «испытательному клину». Реально в силу дискретного характера ПЗС‑матрицы строки начинают «биться» в нескольких местах, проявляется муар, о котором написано выше. Чтобы определить реальное место, соответствующее, например, разрешающей способности по горизонтали, следует поперемещать в небольших пределах телекамеру – при этом места биений будут перемещаться, а место, соответствующее пределу разрешающей способности будет неподвижно. Прим. ред. ).

Например, если в испытательной таблице используется клин с четырьмя линиями (как на иллюстрации), то в точке, где эти четыре линии сливаются в три или две, находится предел разрешающей способности. Для более точных измерений следует анализировать только яркостный сигнал. Обычно это достигается путем отключения цветности или подключением через раздельный видеовыход Y/C, если такой имеется в телекамере. (Тем не менее, если нам интересна разрешающая способность телека меры именно в цветном режиме, то цвет отключать не следует. Прим. ред. ) Поскольку место, где сливаются линии, точно определить визуальным способом нельзя, так мы получим только приблизительно значение. Погрешность визуальной оценки составляет около 10 %, что значительно затрудняет сравнение описанным методом телекамер с близкой разрешающей способностью. Например, визуально очень тяжело заметить разницу между телекамерой с 460 ТВ‑линиями и другой телекамерой с 480 ТВ‑линиями. Для более точного измерения следует воспользоваться высококачественным осциллографом с возможностью выбора ТВ‑строки. Измерение затем сужается до выбора строки с глубиной модуляции четырех линий, которая равна или превышает 5 %. Метод расчета модуляции показан на иллюстрации и в общем случае выражается формулой 100х(А‑В)/(А+В), где А– высшая точка, а В – низшая точка в измеряемой строке.

Использование осциллографа позволяет игнорировать ограничение по разрешающей способности монитора. Для того чтобы точно знать, какую часть испытательной таблицы мы измеряем, требуется как‑нибудь указать положение измеряемой строки на испытательной таблице.

Существуют осциллографы (один из них показан на фотографии) с функцией отображения видеосигнала (монитора), где измеряемая строка будет отмечена линией. Если такого осциллографа у вас нет, то придется как‑нибудь сопоставить измеряемую строку с положением на таблице.

Рис 5.41. Рекомендуем: Tektronix TDS3012B

Рис. 5.42. Измерение полосы частот видеосигнала тесно связано с разрешающей способностью

В случае с испытательной таблицей CCTV Labs мы упростили эту процедуру, так как номера строк уже сопоставлены с разрешающей способностью по тестовому клину. Эти соотношения (номер строки – разрешение) напечатаны с левой стороны таблицы.

Также подчеркнем, что при измерении разрешающей способности телекамеры следует использовать только качественную оптику, так как объективы среднего качества имеют значительно более высокое оптическое разрешение в центре, чем по краям, поэтому с такими объективами результаты измерения разрешающей способности телекамеры будут выше в центре, чем по краям.

Разрешающая способность тесно связана с полосой частот сигнала телекамеры. Эту связь мы уже объясняли, но не лишним будет еще раз вспомнить простое правило, согласно которому 1 МГц в полосе частот телекамеры дает 80 ТВ‑линий горизонтального разрешения.

Практический опыт показывает, что человеческий глаз с трудом видит разницу в разрешающей способности, если она составляет менее 50 линий. Это, конечно, не означает, что разрешающая способность не является важным фактором в определении качества телекамеры, просто небольшая разница в разрешении едва заметна, особенно если она составляет менее 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 ТВ‑линиям.

Существует немало испытательных таблиц, которые используются для оценки разрешающей способности телекамер. Наиболее популярная из них – это испытательная таблица EIA RETMA, но в последнее время таблица по рекомендациям IEEE‑208 становится все более популярной. Существуют и другие таблицы, которые вы легко можете найти в сети Интернет. Многие из них разработаны для оценки какого‑либо одного параметра телекамеры, но только испытательная таблица CCTV Labs была специально разработана для индустрии видеонаблюдения. Эта таблица появилась еще в первом издании этой книги в 1995 году и в настоящее время стала стандартом де‑факто.

Сейчас примерно 500 производителей оборудования для видеонаблюдения используют испытательную таблицу CCTV Labs в своих измерениях и сравнительных тестах. Как и в предыдущих изданиях книги, в этом издании мы публикуем испытательную таблицу на обложке. На момент выхода книги это была самая последняя версия таблицы, которая со временем изменялась, и каждый ее новый элемент позволял измерять новые параметры. Для более точных измерений читатель может приобрести через веб‑сайт www.cctvlabs.conn испытательную таблицу большего формата (A3). Эта таблица отличается более точным воспроизведением цветов и деталей. Конечно, издатель постарался по возможности точно воспроизвести версию таблицы для данной книги, но точность воспроизведения мной не контролировалась, так как требуется индивидуальный контроль типографских красок и полиграфического процесса.

Завершая этот раздел, мы бы хотели всячески поощрить читателей к обмену своими испытательными таблицами и результатами тестирования, что также можно сделать через веб‑сайт CCTV Labs.

Присылая свои результаты тестирования, вы сможете поделиться ими с читателями журнала CCTV Focus, и это позволит нам всем вместе сравнивать различные телекамеры, цифровые видеорегистраторы и анализировать результаты сравнения.

Более подробно о параметрах, которые можно измерять с помощью испытательной таблицы CCTV Labs, вы можете прочесть в Главе 14.

Разрешающая способность тесно связана с полосой пропускания сигнала телекамеры. Эта связь объяснялась в предыдущем разделе.

Тестовая диаграмма на обложке книги, которую я подготовил для измерения разрешающей способности и других важных характеристик видеосигнала, может использоваться таким же образом. В разделе «Тестовая таблица для систем видеонаблюдения» вы найдете подробное объяснение других тестов.

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

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. 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. Другая причина использования децибел (т. е. логарифма) – это более естественное понимание уровня звука и изображения. В частности, ухо человека воспринимает звук, а глаз воспринимает свет, подчиняясь логарифмическому закону.

Если вычисляется отношение любых двух величин, выраженных в одинаковых единицах, то в результате получаются дБ. Если же считается отношение к какому‑то уровню, например, уровень напряжения относительно 1 мВ, то единицы называются дБмВ. Если мощность выражена относительно 1 мкВт, то единица называется дБмкВт.

Общая формула для отношений напряжения и силы тока имеет вид:

S/N = 20lg(U_c/U_ш) (41)

Где Uc – напряжение сигнала, U_ш – напряжение шума. Значения тока используются, если нужно показать отношение токов.

Если целью сравнения является отношение мощностей, то формула принимает несколько иной вид:

S/N = 10lg(P₁/P₂) (42)

Мы не будем вдаваться в объяснения по поводу различий (10 и 20), но запомните, что это вытекает из соотношения между напряжением, силой тока и мощностью.

В видеонаблюдении мы используем децибелы, в основном, для вычисления соотношения напряжений, то есть мы будем использовать только первую формулу.

В таблице приведены некоторые значения отношений напряжений (тока) и мощности в дБ. Обратите внимание на разницу между этими двумя величинами. В то время, как разница по напряжению в 3 дБ означает, что значение одного напряжения на 41 % больше сравниваемого значения, то для мощности 3 дБ означают двойное увеличение мощности (100 %‑увеличение).

Отношение сигнал/шум ПЗС‑телекамеры измеряется не так, как это делается в телевещании или при передаче сигнала. В сигнале телевещания отношение сигнал/шум – это отношение сигнала к шуму, накопленному при передаче сигнала от передатчика к приемнику. Оно определяется как отношение (в дБ) амплитуды сигнала, соответствующего шкале градаций яркости, к среднеквадратическому значению напряжения наложенного случайного шума, измеренного в полосе частот от 10 кГц до 5 МГц. Есть специальные приборы, спроектированные для непосредственного измерения этой величины при использовании сигнала испытательной строки (VITS).

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. Самый простой метод измерения шума в сигнале телекамеры – это использование специального измерителя шума. Это устройство оценивает шум в полосе от 100 кГц до 5 МГц и выводит отношение сигнал/шум прямо в децибелах. 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.

Эффективное охлаждение телекамеры значительно уменьшает шумы. Снижение температуры для любой электроники означает уменьшение шумов. В астрономии и других сферах применения существуют специальные телекамеры с охлаждением, которые разработаны таким образом, что ПЗС‑матрица охлаждается очень эффективно. Нередко можно встретить охлаждение до ‑50 °C и ниже.

Для специфических сфер применения используются телекамеры, у которых блок с ПЗС‑матрицей имеет возможность подключения охладителя. Некоторые модели, наподобие той, которая изображена на иллюстрации, используют охлаждающие элементы Пельтье, для того чтобы постоянно поддерживать температуру ПЗС‑матрицы на уровне 5 °C, что снижает шум до 1/8 от величины шума при комнатной температуре. Поэтому необходимо отметить, что если в системе видеонаблюдения не используются качественные телекамеры, то их перегрев может очень сильно повлиять на качество изображения.

Рис. 5.43. Телекамера с охлаждающим элементом Пельтье, который поддерживает рабочую температуру ПЗС‑матрицы около 5 °C и снижает шумы на 85 %.

Динамический диапазон ПЗС‑матрицы

Динамический диапазон нечасто упоминается в технических характеристиках телекамер 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 телекамеры, и 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. Типичные значения лежат между 1000 и 100000. Внешний свет может легко превысить уровень насыщения ПЗС‑матрицы, так как динамический диапазон вариаций света в уличных условиях гораздо шире, чем может обработать ПЗС‑матрица. Например, в ясный солнечный день ПЗС‑матрица быстро достигает насыщения, особенно если телекамера не имеет АРУ, автодиафрагму или электронный затвор. Автодиафрагма оптически блокирует избыточный свет и снижает его до верхнего уровня ПЗС‑матрицы, в то время как электронный затвор делает то же, электронным образом снижая время экспозиции матрицы (которое в нормальных условиях составляет 1/50 с для сигнала CCIR/PAL и 1/60 с для EIA/NTSC).

Рис. 5.44. Слева телекамера дает заметный вертикальный ореол, справа ореол почти незаметен

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.

Некоторые изготовители телекамер (вроде Plettac) разработали специальную схему, которая блокирует перенасыщенные зоны на этапе цифровой обработки сигнала. Схема АРУ видеосигнала «не замечает» слишком ярких зон и не использует их в качестве белых пиковых опорных точек, вместо этого берутся более низкие значения, благодаря чему детали в темных зонах становятся более различимы.

Другие фирмы, вроде Panasonic, запатентовали новые методы работы ПЗС‑матриц, вместо экспозиции одного поля в каждый период (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC) за этот период проводится две экспозиции. Одна – очень короткое время, обычно порядка 1/1000 с, другая – нормальное время, которое зависит от количества света.

Затем две экспозиции комбинируются в одно поле, так что яркие зоны экспонируются более короткое время и дают детали в ярком, а более темные области экспонируются дольше, что позволяет получить детали в темной части изображения, суммарный эффект – увеличение динамического диапазона телекамеры в 40 раз (как утверждает Panasonic).

Рис. 5.45. Супердинамический эффект в телекамерах Panasonic

Следует упомянуть, что кроме конструкции самой ПЗС‑матрицы важную роль для ее динамического диапазона, как и для отношения сигнал/шум, играет температура. Более низкие температуры дают меньший уровень шума в любом электронном устройстве, так что динамический диапазон увеличится. В научных исследованиях, где нежелателен любой, даже ничтожно малый, шум, используются специально охлажденные ПЗС‑головки, а рабочая температура ПЗС‑матрицы сохраняется в пределах ниже ‑50 °C. Для таких приложений выпускаются телекамеры с ПЗС‑блоком со средствами подсоединения охлаждающего агента.

Итак, следует помнить, если в системах видеонаблюдения мы не используем телекамеры хорошего качества, то температура может сыграть существенную роль в снижении качества изображения. Таким образом, очень важно сохранять температуру корпуса телекамеры как можно более низкой.

Рис. 5.46. Затемнение пикового света в телекамерах фирмы Plettac