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 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.
- Утраты света в объективе
- Утраты из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции.
- Утраты при преобразовании фотон/электрон
- Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD.
- Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства CCD-матрицы.
. 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.
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.
. 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.
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.
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]….
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…