Совсем сравнительно не так давно в первой половине 70-ых годов XX века в один момент показались прибор и микропроцессор с зарядовой связью (CCD) [1]. Современная судьба уже немыслима без компьютеров и CCD-камер. Электронная революция длится и ежегодно поражает нас небывалым снижением и новинками стоимостей.
Вряд ли в 70-х кто-то считал, что пара миниатюрных телекамер возможно будет поместить в спичечный коробок, а их цена станет меньше, чем у электрических чайников. Все это при хорошем высокой надёжности и качестве изображения.
Сейчас больше всего камер употребляется в охранных телевизионных совокупностях. Охранные камеры трудятся в различных условиях наблюдения. Довольно часто они простые, в то время, когда объекты прекрасно освещены и нет заметных помех.
Но бывают и непростые обстановки, в то время, когда телевизионная камера ведет наблюдение при свете звёзд и солнца, в условиях дымки, дождя и тумана, под водой, при наличии интенсивных электромагнитных помех, радиации и т.п.
В таких условиях простые CCD-камеры уже не снабжают надежного наблюдения. Тут требуются особые высокочувствительные матрицы CCD, широкодиапазонные асферические объективы, обработки сигнала и специальные методы адаптации и другое. В настоящей статье рассматриваются возможности телевизионного наблюдения в самые сложных условиях — на краях диапазона рабочих освещенностей.
1. Методы расширения диапазона рабочих освещенностей.
Изобретатели совершенствуют телекамеры, пробуя довести их до качества природного глаза. Оказалось, что человеческий глаз — идеальный зрительный прибор. Он имеет большое количество необычных особенностей и одно из них — широчайший диапазон принимаемых освещенностей.
Днем мы можем замечать, чуть прищурясь белый снег под солнцем и облака с освещенностью более 100000 люкс. Ночью мы легко идем по дороге, освещенной светом звезд (приблизительно 0,0001 люкс). Поделив первое значение на второе, возьмём 109 — диапазон принимаемых глазом освещенностей равный одному миллиарду либо 180 дБ!
Ни один электронный датчик сигнала не имеет столь широкого динамического диапазона.
Это обусловлено физическими ограничениями — уровнем собственного шума с одной стороны и уровнем насыщения сигнала с другой. Но как выяснилось, не имеют для того чтобы диапазона и естественные датчики палочки и: оптического сигнала колбочки людской глаза.
С натяжкой можно считать, что динамический диапазон как естественных, так и неестественных датчиков света равен 1000 (60 дБ).
Откуда же берется один миллиард?
С целью достижения диапазона большего, чем динамический диапазон датчика сигнала нужно построение совокупности автоматического регулирования либо адаптации.
В телевизионных камерах самый распространены два метода адаптации.
- В первом методе перед датчиком света устанавливают последовательно включенные: усилитель сигнала и регулируемый ослабитель (управляемая диафрагма объектива и ЭОП соответственно в телекамере).
- Во втором методе сам фоточувствительный датчик делают управляемым и за счет адаптации параметров изменяют его чувствительность.
а) Первый метод адаптации к освещенности в телекамере
б) Второй метод адаптации к освещенности в телекамере
Рис.1 а, б. Методы расширения диапазона рабочих освещенностей в CCD камерах
В современных телекамерах применяют оба метода адаптации к уровню освещенности, любой из которых имеет минусы и свои плюсы. Ниже будут рассмотрены ограничения и возможности каждого метода применительно к области сверх высоких и сверх низких освещенностей.
Рис.2 Иллюстрация расширения диапазона рабочих освещенностей
фоточувствительного датчика, трудящегося в составе
адаптивной фоточувствительной совокупности.
2. Наблюдение ночью.
Рекламные манипуляции с чувствительностью.
Любая компания, создающая и реализовывающая телекамеры, рекламирует собственный товар. В движение идут фразы: отличное уровень качества изображения, DSP — процессор, Очень высокая чувствительность и без того потом. Дело не исчерпывается качественными чертями.
У большинства появляется соблазн чуть-чуть преувеличить и количественные параметры телекамер.
К примеру, возможно видеть, как надёжная компания Сони для собственной камеры SPT-M308CE честно заявляет разрешающую свойство 370 телевизионных линий (ТВЛ), тогда как юный корейский LILIN в модели PIH-752 показывает 420 ТВЛ. Выбирая, какую камеру приобрести потребитель и не знает, что в обеих камерах использованы одинаковые матрица ПЗС ICX-055BL и микросхемы обрамления. Преувеличиваются и другие характеристики телекамер.
Но, пожалуй, ни один параметр не подвергался таковой рекламной манипуляции, как чувствительность. Предлог к этому дает разная трактовка его фирмами и разными авторами.
Чувствительность характеризует свойство телекамеры замечать в ночных условиях. Чувствительность — это та минимальная освещенность, высказываемая в люксах, при которой камера еще способна вырабатывать изображение. В случае если ограничится этими фразами, то появляется неоднозначность, которая и разрешает заявлять для одной и той же камеры цифры чувствительности, отличающиеся более чем в 100 раз.
Как же исправить эту обстановку?
- Во-первых, необходимо показывать: где измеряется освещенность: на матрице CCD либо на объекте. К примеру, при объективе c относительным отверстием F1,4 при коэффициенте отражения объекта 0,75 освещенность на матрице будет на порядок меньше, чем на объекте.
- Во-вторых, при измерении освещенности на объекте, направляться показывать относительное отверстие объектива. К примеру, чувствительность одной и той же камеры с асферическим объективом F0,8 будет на порядок лучше, чем с малогабаритным объективом F2,0.
- В-третьих, нужно показывать: какое отношение сигнал/шум принимается за пороговое при измерении чувствительности. К примеру, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая свойство камеры, другими словами отношение сигнал/шум приблизительно 34 — 36 дБ. на данный момент минимальная освещенность трактуется как такая, при которой возможно различить лишь большие подробности изображения, другими словами отношение сигнал/шум 20 — 24 дБ. В космической и военной технике довольно часто под пороговой чувствительностью понимается такая, в то время, когда размах сигнала равен размаху шумовой дорожки, другими словами отношение сигнал/шум 5 — 6 дБ и не считая шума на изображении фактически ничего не видно. В этом случае кроме этого для одной и той же камеры возможно показывать значения чувствительности, отличающиеся на порядок.
Характерным примером рекламных манипуляций последних двух лет есть заявленная японской компанией Watec чувствительность для камеры WAT-902H. Во второй половине 90-ых годов двадцатого века эксперты были поражены значением чувствительности 0,0003 люкса при F1,4 в положении тумблера AGC Hi. Это в 100 раз лучше, чем для стандартных CCD камер!
Многие кроме того поверили данной цифре, тем более, что камера была вправду неплохой.
В WAT-902H в первый раз была применена матрица Сони ICX249AL нового поколения EXWAVEHAD с улучшенной в 4 раза чувствительностью. Но всего лишь в четыре, а не в сто.
По окончании того, как камеру приобрели и разобрали на небольшие части, стало известно, что ничего особого, не считая новой матрицы Сони в данной камере нет, а положение Hi — это повышение в 4 раза коэффициента усиления, которое увеличивает лишь шумы, но не чувствительность.
на данный момент все спохватились и показывают для WAT-902H уже лишь 0,002 люкс, как, к примеру, в последнем британском каталоге NORBAIN [4], не смотря на то, что и эта цифра завышена и следовало бы указать 0,005 люкс, что соответствует измерениям на объекте при отношении сигнал/шум 20дБ и F1,4.
Методы улучшения чувствительности.
Существуют следующие методы улучшения чувствительности телевизионных CCD-камер:
- Использование высокочувствительных CCD-светосильных объективов и матриц.
- Использование электронно-оптических усилителей яркости изображения ЭОП.
- Введение адаптивных считывания заряда и режимов накопления в CCD.
Использование высокочувствительных CCD-светосильных объективов и матриц.
Сперва перечислим факторы, ограничивающие чувствительность в современных CCD возможности и камерах их улучшения методом применения новых CCD и объективов.
Рис 3. Иллюстрация разных факторов ограничения чувствительности в телекамере на матрице CCD.
Фото 1. Свечение выходных транзисторов в CCD-матрице компании Сони ICX-249AL
Публикация производится с разрешения компании ЭВС
Использование электронно-оптических усилителей яркости изображения.
Электронно-оптические усилители яркости изображения в телевидении используют в далеком прошлом. Еще до эры CCD-камер в передающие телевизионные трубки встраивали каскады электронного усиления, достигая чувствительности на объекте 0,001 люкс и выше. По окончании исчезновения камер на электронно-лучевых трубках остались электронно-оптические преобразователи (ЭОП), каковые в военных приложениях употреблялись в качестве приборов ночного и ночных прицелов видения.
Эти ЭОП стали состыковывать с CCD-камерами для повышения их чувствительности. Появился новый класс сверхчувствительных телекамер. Но телекамеры типа CCD+ЭОП мало распространены, поскольку имеют большие недочёты.
Недочёта два: очень высокая цена, доходящая до 10000$ и выше и низкая надежность из-за возможности разрушения ЭОП при солнечном свете и от пробоев и утечек большого напряжения. На данный момент CCD-камеры с ЭОП поколения 3+ имеют непревзойденную чувствительность и используются в тех областях, где важность надежного ночного наблюдения превалирует над финансовыми затратами.
Необходимо подчернуть, что телекамеры CCD+ЭОП все более вытесняются высокочувствительными CCD-камерами с адаптивными ночными режимами. Так, к примеру, чувствительность ЭОП поколений 1, 1+ и 2 удачно превзойдена ночными телекамерами компаний PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЭВС и другими. Исходя из этого, возможно заявить, что камеры с ЭОП первых двух поколений уже не покажутся сейчас на рынке телекамер, поскольку не смогут соперничать с CCD-камерами ни по чувствительности, ни по цене.
Камеры с ЭОП поколений 2+,3 и 3+ еще существуют как экзотика, но по окончании очередных технологических революций компаний Сони и PANASONIC должны неизбежно провалиться сквозь землю, как мамонты.
Таблица 1. Сравнительные характеристики телекамер с ЭОП
Примечание. Так как для камер с ЭОП цифры чувствительности в большинстве случаев приводятся для изображений хорошего качества, при полной разрешающей способности, другими словами, при отношении сигнал/шум 34 — 36 дБ, то для сравнения с CCD-камерами, где чувствительность приводится при отношениях сигнал/шум 20 — 24 дБ, цифры чувствительности в таблице 1 направляться уменьшить в 5 раз (умножить на 0,2).
Введение адаптивных считывания заряда и режимов накопления в CCD-матрице.
При появлении первых CCD-матриц главной задачей инженеров было создание надежного твердотельного аналога электронно-лучевой трубки. И лишь через некое время было обращено внимание на адаптивные особенности нового прибора. Новыми были принципиальные возможности CCD одинаково прекрасно трудиться в широком диапазоне тактовых частот считывания заряда, и возможность суммирования зарядов с строк и соседних элементов до считывания сигнала с выхода устройства.
Это разрешило еще в 1985 году создать экспериментальную ССD-камеру без АРД-объектива и каких-либо светофильтров с диапазоном рабочих освещенностей равным людской глазу [3]. Диапазон рабочих освещенностей 1 миллиард был достигнут лишь за счет перестройки параметров еще очень старых CCD-матриц 80-х годов. На данный момент, применяя новые матрицы Сони серии EXWAWEHAD, очень просто существенно превзойти характеристики глаза.
Оговоримся, что до тех пор пока это вероятно лишь в рамках контрастной рабочих чувствительности и диапазона освещённостей. По вторым параметрам до глаза еще весьма на большом растоянии. Итак, как же возможно посредством адаптации параметров CCD улучшить чувствительность телевизионной камеры?
Накопление сигнала до действия шума. Существуют различные методы повышения чувствительности телевизионной камеры, но все они основываются на одном принципе: принципе накопления энергии сигнала.
Данный принцип базируется на коренном отличии сигнала от шума.
Сигнал неизменно однополярный (в телевидении хороший) и имеет ограниченную полосу частот.
Шум неизменно дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со намного более широкой полосой частот.
В следствии простое сложение (накопление) порций сигнал плюс шум будет приводить к линейному росту уровня сигнала и лишь к замедленному (по закону корня квадратного) росту среднего отклонения размаха шума. Каждые 100 сложений улучшают отношение сигнал/шум на порядок.
Принцип накопления энергии сигнала употребляется во всех методах увеличения чувствительности, будь это пространственно-временное суммирование либо низкочастотная фильтрация.
Адаптивные особенности CCD-матриц разрешают применить в них неповторимый метод увеличения чувствительности, что возможно условно назвать накопление до действия шума. Сущность его в том, что дополнительное суммирование (накопление) сигнала производится в самой CCD-матрице ПЗС перед тем, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания.
В следствии происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве CCD один раз на каждую сумму сигналов. В следствии четырехкратное сложение ведет к четырехкратному росту отношения сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как в простых способах. Данный режим действен за счет того, что при малых сигналах шум считывания существенно превосходит фотонный шум и последний фактически не оказывает влияния на итог накопления.
Рис.
4а. Накопление сигнала с шумом (обычный способ)
Рис 4б. Накопление сигнала до действия шума (в CCD-камерах)
Одной из первых камеру с адаптивным накоплением сигнала выпустила компания PANASONIC. Режим был назван Electronic sensitivity enhancer и снабжал повышение времени накопления от 1 до 32-х телевизионных полей, другими словами с 1/50 до 0,64 секунды, что приводило к улучшению чувствительности до 32 раз.
На данный момент камеры с режимом Electronic sensitivity enhancer производят многие компании, такие как IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO и многие другие.
В этих камерах при применении CCD-матриц компании Сони серии EXWAVEHAD и асферических объективов достигается чувствительность до 0,0002 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ. Не обращая внимания на хорошие чертей, камеры с режимом Electronic sensitivity enhancer имеют два больших недочёта.
Во-первых, при повышении экспозиции происходит смазывание изображения движущихся объектов, почему возможно пропущен скоро движущийся нарушитель, что недопустимо в охранных совокупностях.
Второй недочёт — высокая цена, поскольку для визуализации на экране монитора прореженного в 32 раза изображения нужен преобразователь телевизионных стандартов с кадровым ОЗУ, АЦП, ЦАП и совокупностью синхронизации.
В следствии, кроме того корейские камеры с совокупностью Electronic sensitivity enhancer стоят вдвое дороже простых телевизионных камер.
Вторым вариантом адаптивного накопления сигнала есть суммирование зарядов с соседних элементов CCD-матрицы. Изменяя режим синхронизации CCD возможно обеспечить сложение зарядов соседних элементов на затворе соседних строк и выходного транзистора на электродах выходного регистра CCD.
Кроме этого, как и в первом методе происходит сложение сигнала до действия шума и десятикратное сложение ведет к десятикратному улучшению чувствительности.
Первой и до тех пор пока единственной компанией, реализовавшей в собственных телекамерах данный режим, есть русский компания ЭВС. Режим был назван ночным режимом 1 и в CCD-камерах данной компании он машинально включается при уменьшении освещенности на объекте менее 0,02 люкс.
CCD-камеры компании ЭВС, выполненные на EXWAVEHAD CCD-матрицах компании Сони, в ночном режиме 1 развивают чувствительность до 0,0002 люкс (камера VNC-703), что эквивалентно телекамерам с режимом Electronic sensitivity enhancer.
Камеры с ночным режимом 1 трудятся без повышения инерционности, что разрешает им надежно замечать подвижные объекты, впредь до освещенности, соответствующей освещенности от звездного неба.
Цена камер с ночным режимом 1 всего на 10 % выше стандартных, поскольку в них не нужно применения дорогостоящего кадрового ОЗУ. Недочётом ночного режима 1 есть ухудшение разрешающей свойстве ночью приблизительно втрое из-за суммирования зарядов с строк и соседних элементов.
Думается очевидным для предстоящего повышения чувствительности объединить два режима Electronic sensitivity enhancer и Ночной режим 1 в одной CCD камере.
В конце 1999 г. показалась первая такая камера VNC-702 производства компании ЭВС. В рекламных материалах указывается, что в телевизионной камере, развивающей чувствительность на объекте 0,00004 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ, применены ночные режимы 1 + 2.
Под ночным режимом 2 компания ЭВС подразумевает режим Electronic sensitivity enhancer, что в камере VNC-702 для лучшего наблюдения подвижных объектов ограничен до 16 -ти кратного суммирования кадров.
Неповторимая камера VNC-702 на данный момент есть рекордсменом чувствительности среди CCD-камер и всего лишь многократно уступает камерам с ЭОП поколений 3 и 3+. В режиме большой чувствительности камеры VNC-702 четко видно свечение выходного транзистора CCD-матрицы (см. фото 1), мешающее на данный момент предстоящему росту чувствительности адаптивных CCD-камер.
Таблица 2. Сравнительные характеристики телекамер с CCD-матрицами серии EXWAVEHAD и с электронными режимами повышения чувствительности.
Примечание. Для удобства сравнения чувствительности всех камер указаны на объекте при применении светосильного асферического объектива с относительным отверстием F0,8.
Выводы.
- Современные CCD-камеры с режимом электронного повышения чувствительности фактически вытеснили с рынка дорогостоящие камеры с ЭОП поколений 1, 2 и 2+ , обеспечив высокую чувствительность в ночных условиях и надежность при разумной цене.
- не сильный свечение транзисторов выходного устройства CCD-матрицы ограничивает чувствительность лучших телевизионных камер с ночными режимами. Нужна работа компаний-изготовителей CCD в части ослабления этого свечения.
- В ближайщее время возможно ожидать предстоящего роста чувствительности CCD камер за счет понижения шума увеличения выходных коэффициента и считывания устройств суммирования в камерах с электронным повышением чувствительности.
Литература.
Куликов Александр Николаевич
Предоставлено изданием Особая техника
Рандомные показатели записей:
- Cтили дизайна. различные стили в архитектуре и дизайне: барокко, рококо, классицизм, романтизм, неомодерн, модернизм и другие
- Cтроительные материалы для стен, полов и потолка. технологии отделки: крыша, стены, пол, потолок.
Самая популярная камера видеонаблюдения Обзор уличной камеры видеонаблюдения
Подборка наиболее релевантных статей:
-
Cистемы телевизионного наблюдения. ccd камеры для наблюдений в сложных условиях.
Совсем сравнительно не так давно в первой половине 70-ых годов XX века в один момент показались прибор и микропроцессор с зарядовой связью (CCD) [1]….
-
Вместо введения. За десять лет работы в области охранного телевидения, я систематично замечаю одну и ту же картину. Хмурой в осеннюю пору бригада…
-
Двухматричная телевизионная камера для наблюдения в условиях сложного освещения: новое решение
В первом номере издания “Особая техника” за 2006 г. была опубликована статья “Возможности построения охранной телевизионной камеры для наблюдения в…
-
Скрытое охранное телевизионное наблюдение
Технические средства наблюдения имеют давешнюю историю. До появления телевизионных совокупностей самый распространенными являлись совокупности скрытого…