Cистемы телевизионного наблюдения. ccd камеры для наблюдений в сложных условиях.

      Комментарии к записи Cистемы телевизионного наблюдения. ccd камеры для наблюдений в сложных условиях. отключены

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.Cистемы телевизионного наблюдения. ccd камеры для наблюдений в сложных условиях.

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 телекамереб) 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.

  1. Утраты света в объективе
  2. . Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к CCD-матрице. Часть из них рассеивается, а часть поглощается материалом линз. Необходимо заявить, что современные асферические объективы с относительным отверстием 0,8 — 0,75 — имеют высокие характеристики и в скором времени тяжело ожидать заметных улучшений их параметров.

  3. Утраты из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции.
  4. Фоточувствительные ячейки, в особенности в матрицах малых форматов 1/3 дюйма и менее занимают менее 10% площади чувствительной поверхности. Другая площадь употребляется под каналы переноса заряда и совокупность антиблюминга. 10 лет назад это было одним из основных ограничений чувствительность. Компания Сони изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, каковые концентрируют свет со всей поверхности на мелкие фоточувствительные ячейки. Годом ранее Сони усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию CCD-матриц под маркой EXWAWEHAD ССD, что разрешило дополнительно в несколько раз поднять чувствительность телекамер. На данный момент параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и тут кроме этого тяжело ожидать значительных улучшений.

  5. Утраты при преобразовании фотон/электрон
  6. . Квантовый выход лучших CCD приближается к 0,5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК-диапазоне. дальнейшая новых оптимизации и Освоение материалов структуры устройств в будущем имела возможность бы разрешить расширить это значение, в особенности в области светло синий и ближней ультрафиолетовой, что имело возможность бы улучшить чувствительность камер. Но важных сдвигов тут кроме этого тяжело ожидать.

  7. Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD.
  8. На данный момент шум считывания — основной фактор, ограничивающий чувствительность телекамер. Его значение 20 — 30 электронов/пиксел теоретически возможно было бы быть снизить на порядок. Ограничением тут есть площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд пиксела при, в то время, когда света большое количество, что приведет к ограничению сигнала в дневных условиях. Имеется патенты, в которых предлагается разместить в CCD-матрице два выходных устройства, одно для малых, а второе для громадных зарядов, и переключать их ночью и днем соответственно. Исходя из этого возможно ожидать в будущем появление новых CCD с уменьшенным шумом выходного устройства, что имело возможность бы привести к предстоящему росту чувствительности CCD-камер многократно.

  9. Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства CCD-матрицы.
  10. Все транзисторы слабо светятся (подобно лазерным диодам и светодиодам), а в CCD-матрицах это мешает наблюдению не сильный освещенностей. Еще 13 лет назад была опубликована статья [2], где в охлаждаемой астрономической CCD камере было увидено свечение в том углу изображения, где расположено выходное устройство. Тогда это было расценено как неповторимое явление, проявляющееся лишь при охлаждении CCD, трудящихся с громадным временем экспозиции. С того времени чувствительность матриц CCD возросла в 100 раз и данный эффект уже мешает наблюдению в самых чувствительных камерах компаний PANASONIC, BAXALL, ЭВС. Русским экспертам удалось сфотографировать светящиеся транзисторы посредством высокочувствительной камеры VNC-702. Для этого были использованы две камеры, причем одна из них замечала CCD-матрицу второй камеры, находящуюся во подключенном состоянии. На изображении четко видно, как светятся оба транзистора двухкаскадного выходного устройства матрицы CCD ICX249AL. Были проверены и другие типы матриц-CCD, и оказалось, что светятся выходные устройства всех изученных матриц, но лишь с различными площадью и интенсивностью свечения. Это новая важная помеха, на которую не обращали ранее внимания, вынудила компанию ЭВС дорабатывать японские матрицы и заклеивать их выходное устройство непрозрачным материалом в тех камерах, где требовалась большая чувствительность. Имеется надежда, что производители CCD сами обратят внимание на свечение транзисторов и более несложным методом закроют светящиеся элементы.

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 ЭОППримечание.

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

Рандомные показатели записей:

Система видеонаблюдения: выбор, установка, бюджетные решения // FORUMHOUSE


Подборка наиболее релевантных статей:

Cистемы телевизионного наблюдения, ccd камеры. телевизионные наблюдения 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]….

  • Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете: защита камер наружного видеонаблюдения от световых перегрузок

    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…