Вместо введения. За десять лет работы в области охранного телевидения, я систематично замечаю одну и ту же картину. Хмурой в осеннюю пору бригада монтажников возвращается с объекта.
Телекамеры установлены, совокупность функционирует, рабочая группа приняла работу.
Запомнились отзывы главы охраны, что был доволен тем, как прекрасно телекамеры показывают ночью, и какая высокая четкость изображения днем. Но наступает весна, и начинают трезвонить телефоны…
Оказывается, что при ярком солнечном свете, кое-какие камеры уходят в белое, другие трудятся с искажениями, белыми столбами, утратой изображения на большой площади фотоприемника и без того потом. После этого идут рекламации, командировки, объективов и замены камер, утрата времени и денег.
При построении телевизионных совокупностей, особенное внимание обращают на наблюдение ночью. Выбирают камеры с чувствительными фотоприемниками, светосильные асферические объективы, используют совокупность неестественной подсветки объектов и территорий. Наряду с этим довольно часто забывают об изюминках наблюдения днем, считая, что в случае если света большое количество, то и без того все будет видно.
Но, как раз при ярком солнечном свете появляются обстановке, в то время, когда на изображении, формируемом охранной телекамерой вероятна утрата не только громадных участков, но и всего изображения. В настоящей статье рассматриваются изюминке наблюдения при ярком солнечном освещении.
1. Безотносительный контраст изображения.
Основной обстоятельством, приводящей к ухудшению качества видеонаблюдения в дневных условиях, есть большой безотносительный контраст изображения, другими словами, отношение освещенностей самого броского и самого чёрного из замечаемых объектов. Ночью безотносительный контраст возможно менее 100, при, в то время, когда объекты освещены рассеянным светом ночного неба.
Рис 1. Иллюстрация повышения контраста изображения при повышении освещенности.
Днем безотносительный контраст возрастает до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения телевизионной камеры и до миллиона раз. Такое повышение контраста позвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света — Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшаться до 100 люкс и менее, при освещенности ярких поверхностей под прямым солнцем более 100000 люкс.
Освещенность бликов от блестящих поверхностей и воды может доходить до 10 6 люкс, а эквивалентная освещенность диска Солнца по некоторым оценкам достигает 108 люкс, другими словами 100 миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не в состоянии замечать в один момент (в одном поле зрения) объекты, отличающиеся по освещенности в сотни и десятки тысяч раз. В таких обстановках неизбежны утраты видеоинформации на некоторых участках изображения.
Задача проектировщика пребывает в сведении к минимуму утрат, появляющихся при работе телевизионной совокупности в условиях световых перегрузок.
2. Отличия естественного и телевизионного наблюдений.
Диапазон принимаемых глазом освещенностей приближается к миллиарду. Но, днем мы не видим звезд на небе, не смотря на то, что полный контраст небо — звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительность людской глаза всего 2% [ 1 ] , исходя из этого различимый полный контраст не превосходит 50.
Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может разглядывать лишь попеременно, адаптируясь к каждому участку освещенности.
Замечая за местностью, человек попеременно переводит взор с одного объекта на другой. В случае если объект броский, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдатель защищает глаза от слепящего Солнца ладонью.
Наблюдение громадного диапазона освещенностей людской глазом вероятно лишь методом перевода взора с чёрных на броские объекты и обратно.
Телевизионная камера, в большинстве случаев, закреплена без движений. Исходя из этого, в ее поле зрения объекты с громадным полным контрастом смогут попадать в один момент. Оператор телевизионной совокупности замечает изображение на видеомониторе маленьких размеров.
В следствии, совокупность телекамера — монитор — глаз не имеет преимущества, появляющимися при естественном наблюдении за счет поочерёдного рассматривания и перевода взгляда броских и чёрных объектов. Потом мы будем обсуждать возможность телевизионного наблюдения объектов с разной освещенностью в один момент, другими словами в одном телевизионном поле. В этом случае неизбежна утрата видеоинформации на броских и чёрных участках сцены.
Дополнительное сужение замечаемого контраста происходит из-за недостаточной искусственного экрана освещения и яркости монитора в помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитора менее 500 люкс, что ухудшает контрастную чувствительность глаза, большую лишь в области нескольких тысяч люкс.
При наблюдении изображений на цветных, и тем более компьютерных видеомониторах (эквивалентная освещенность экрана последних менее 100 люкс) диапазон замечаемых освещенностей глазом значительно уменьшается еще больше. Исходя из этого, при телевизионном наблюдении освещенных Солнцем территорий и объектов, нужно применять мониторы с большой яркостью свечения экрана. Высококонтрастный монитор с громадным размером экрана расширит диапазон замечаемых освещенностей и уменьшит возможность утраты части изображения при непростых условиях освещения.
3. Ограничения контраста изображения в одном поле телевизионной камеры.
Световое изображение проецируется объективом на фоточувствительные элементы матрицы ПЗС. Динамический диапазон элементов определяет диапазон рабочих освещенностей телевизионной камеры в одном поле. Фотоны света, преобразуются в фотоэлектроны, попадая в фоточувствительные ячейки, исходя из этого при расчете сигнальных и шумовых черт комфортно применять единицу измерения заряда — электрон.
3.1 Зависимость большого контраста от площади фоточувствительного элемента.
Большой контраст определяется отношением большого и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Большой уровень заряда именуется управляющей свойством ПЗС [ 2 ] , которая пропорциональна геометрической площади и глубине потенциальной ямы элемента. В матрицах ПЗС зарядовые пакеты, перемещаясь к выходному устройству, проходят пара секций переноса заряда.
Мельчайшими потенциальными ямами владеют хранения секций и элементы накопления, каковые прежде всего ограничивают уровень заряда. В современных матрицах ПЗС форматами 1/6 — 1/2 дюйма с объемным каналом переноса заряда управляющая свойство элемента находится в пределах от 12000 до 300000 электронов.
Предельное число электронов, определяется среднеквадратическим значением шума считывания матрицы ПЗС и образовывает 20 — 40 электронов в зависимости от емкости затвора первого транзистора выходного устройства. Следовательно, динамический диапазон современных ПЗС камер находится в пределах от 600 до 7500. Чтобы получить значения больших контрастов, направляться поделить эти значения на 10, так как, лишь начиная с для того чтобы отношения сигнал/шум возможно различать объекты на изображении.
Подставляя из справочных данных площадь фоточувствительных элементов, возможно отыскать большой контраст для матриц ПЗС разрешения и разных форматов.
Таблица 1. Большой контраст, реализуемый в стандартных матрицах ПЗС компании Сони в зависимости от площади фоточувствительного элемента*.
- Для матриц серии EXWAWEHAD значения большого контраста необходимо умножить в 1,3 раза.
Из таблицы 1 видно, что телекамеры с фотоприемниками формата 1/2 дюйма, снабжают большой диапазон рабочих освещенностей, другими словами снабжают минимальные утраты информации при наблюдении контрастных изображений в солнечные дни. Но, большая цена телекамер на полдюймовых матрицах ПЗС не разрешает использовать их в большинстве совокупностей охраны.
При ограниченных средствах оптимально применение камер с матрицами ПЗС формата 1/3 дюйма стандартного разрешения, лучшей из которых по диапазону рабочих освещенностей на данный момент есть ICX255AL компании Сони.
3.2 Ограничение контраста в режиме электронного затвора. Смаз и растекание зарядового изображения в матрице ПЗС.
При применении объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности применяют режим электронного затвора (electronic shutter).
В этом режиме при повышении освещенности машинально значительно уменьшается время накопления заряда в матрице ПЗС, соответственно и чувствительность. Современные камеры снабжают минимальное время экспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды.
Но кроме того последнего значения не хватает для надежного наблюдения объектов, освещенных солнечным светом.
При установке в камеру стандартного малогабаритного объектива с резьбой М12 и относительным отверстием F 1,8, при экспозиции 1/100000 матрица ПЗС перестает видеть при освещенности на объекте более 30000 люкс, что не хватает для наблюдения при солнечном освещении. При наблюдении будут утрачены изображения белых стен строений, снега, туч, и тем более, блестящих на Солнце объектов.
Казалось бы, возможно уменьшить время накопления до одной миллионной секунды и менее, что схемотехнически не сложно. Но уменьшению времени накопления в стандартных матрицах ПЗС мешает смаз изображения. На параметр Smear равный 0,005% для стандартных матриц CCD в большинстве случаев не обращают внимания, как на малозначительный.
Но, столь малая величина смаза получается лишь при полном времени накопления равном 20 миллисекунд. При экспозиции 1/100000 секунды сигнал смаза возрастает в 2000 раз и делается равным 10%, что проявляется в виде прекрасно заметных белых полос сверху и снизу броских объектов на изображении.
В случае если же, освещенность объекта выше большой освещенности более чем на порядок (нить накаливания лампы, Солнце), то величина смаза превышает 100% и появляется эффект растекания заряда по поверхности блюминга и — матрицы (Blooming). Во второй половине 90-ых годов двадцатого века компания Сони освоила в производстве новое поколение матриц ПЗС под торговой маркой EXWAVEHAD. В Российской Федерации известны телекамеры WAT902H компании WATEC и VNC-703 компании ЭВС, в которых установлены матрицы Сони нового поколения.
В рекламе на эти камеры большое внимание обращалось на улучшенную чувствительность матриц ПЗС серии EXWAVEHAD. Но не было отмечено второе преимущество новых матриц — в 30 раз меньший уровень смаза при наблюдении броских объектов.
Рис.2 Иллюстрация смаза эффекта и изображения растекания заряда при наблюдении нити накаливания в телекамере на матрицах ПЗС компании Сони.
Намного меньшая величина смаза от броских объектов усиливает уровень качества изображения в телекамерах на новых матрицах Сони при работе днем в условиях световых перегрузок. Но, необходимо подчернуть, что в большинстве новых камер не реализованы все преимущества матриц серии EXWAVEHAD.
Это разъясняется тем, что другие комплектующие изделия телекамер (синхрогенераторы, драйверы, усилители) вычислены на работу в стандартных режимах, соответствующих простым матрицам ПЗС.
Рис 3. Зависимость интегрального сигнала смаза изображения для телекамер на стандартной матрице ПЗС ICX055BL и EXWAVEHAD ПЗС типа ICX255AL от времени накопления при частоте полей 50 Гц.
Из рисунка 3 видно, что в EXWAVEHAD ПЗС возможно на порядок снизить минимальное время экспозиции в режиме электронного затвора, по сравнению со стандартными ПЗС, что разрешит увеличить диапазон рабочих освещенностей в камере с объективом с постоянной диафрагмой до 100000 люкс. Этого значения достаточно для надежного наблюдения объектов при солнечном освещении.
3.3 Влияние режима матрицы ПЗС на устойчивость к световым перегрузкам.
Уровень качества работы телевизионной камеры при сильных световых перегрузках (Солнце либо прожектор в поле зрения) зависит не только от размера фоточувствительной числа (элементов и ячейки формата матрицы направляться) и типа объектива. В значительной мере, свойство выдерживать перегрузки определяется схемой и методикой настройки телевизионной камеры. Многие производители телекамер в погоне за низкой себестоимостью упрощают схемы, кроме подстроечные элементы.
В следствии, из-за разброса параметров матриц ПЗС, камеры одной и той же модели существенно отличаются друг от друга по перегрузочной свойству.
Рис. 4 Иллюстрация уменьшения перегрузочной свойстве телекамеры на матрице ПЗС при неправильно установленных режимах Xsub и RZ.
Кроме оптимальной настройки режимов, заметное влияние на уровень качества наблюдения при ярком свете оказывает схема управления матрицей ПЗС.
При перегрузке многократно возрастает ток по цепям вторичного питания, исходя из этого от их стабильности и мощности зависит точность поддержания режима, а следовательно и степень проявления результата растекания заряда. направляться подчернуть, что, в большинстве случаев, режимы, снабжающие оптимальность наблюдения ночью и днем разны.
В следствии разработчики камер выбирают компромиссный режим, что ведет к дополнительным утратам изображения при перегрузках.
К примеру, для улучшения точности схемы привязки уровня тёмного при малой освещенности, в камерах на матрицах Сони, Samsung, SHARP фиксация уровня выполняется как по передним, так и по задним холостым элементам ПЗС. При световых перегрузках, растекающийся заряд попадает в задние холостые элементы, что ведет к искажению работы схемы фиксации, впредь до полной утраты изображения, в случаях, в то время, когда изображение броского объекта проецируется на правый край матрицы ПЗС.
Для расширения диапазона рабочих освещенностей телекамер, необходимо изменять режим работы матрицы ПЗС днем и ночью. Большой выигрыш от переключения режимов матрицы ПЗС в дневных условиях и ночных, достигается в камерах на матрицах ПЗС серии EXWAVEHAD. К примеру, в телекамере VBP-551 производства русском компании ЭВС при применении объективов с постоянной диафрагмой обеспечивается наблюдение объектов с освещенностью 100000 устойчивость и люкс при световых перегрузках.
Такие характеристики обеспечиваются минимальным временем экспозиции в режиме электронного затвора 1/1000000 секунды и адаптивным переключением режимов ПЗС сутки — ночь.
Рис.5 Уменьшение площади растекающегося заряда в камере VBP-551 с адаптивным режимом ПЗС — а), по сравнению со стандартной камерой WAT-902H -б). В камерах был установлен одинаковый объектив c постоянной диафрагмой F(1,8). Эквивалентная освещенность спирали лампы накаливания мощностью 75 Вт около 106 люкс.
3.4 Ограничение контраста в объективах. Рассеяние света в линзах, искажения и блики.
Наиболее значимым элементом телевизионной камеры, определяющим уровень качества изображения при ярком солнечном свете, есть объектив. Различия в качестве объективов, кроме того в рамках одного класса весьма громадно.
направляться подчернуть, что для действенной работы днем в условиях световых перегрузок, серьёзными становятся кое-какие параметры, не регламентированные в паспортных данных на большая часть имеющихся на рынке объективов.
Минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива в большинстве случаев указывается в паспортных данных и находится в пределах Fмин.= (32…..360). Диапазон регулирования освещенности посредством диафрагмы равен квадрату отношения минимального и большого относительных отверстий.
Для стандартных объективов при всецело открытой диафрагме в большинстве случаев Fмакс.=1,2.
Учитывая, что большая рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (отключённый режим электронного затвора), образовывает приблизительно 20 люкс, возможно выяснить большую допустимую освещенность, снабжаемую данным объективом.
Таблица 2. Диапазон регулирования освещенности и большая замечаемая освещенность на объекте в зависимости от минимального относительного отверстия АРД объектива.
Из таблицы видно, что простые АРД объективы с минимальными относительными отверстиями F(32) и F(64) негодны для применения при ярком солнечном свете. Необходимо подчернуть, что для надежной работы камеры в условиях световых перегрузок нужен не только широкий диапазон регулирования освещенности в объективе, но и линейность регулирования, в особенности на конечном участке, в то время, когда диафрагма объектива практически закрыта.
При недостаточной линейности вероятно самовозбуждение (мигание изображения) в совокупности камера — объектив при больших уровнях освещенности. К сожалению, регулировочная черта, в большинстве случаев, не приводится в паспортных данных на объективы. Лучшими по линейности являются широкодиапазонные объективы с миниатюрными пленочными светофильтрами, установленными на участки диафрагмы объектива.
искажения и Блики, обусловленные диафрагмой объектива.
При неудачной конструкции объектива, из-за отражения света от его внутренних поверхностей и, прежде всего от диафрагмы, образуются блики. В большинстве случаев, большой уровень бликов имеют объективы с минимальным диапазоном регулирования диафрагмы.
Рис.6 Наблюдение броского источника света через объектив с сильными бликами.
При определенных углах между осью и осью объектива, направленной на броский объект уровень бликов может стать недопустимым и ведет к частичной утрата изображения при попадании броского источника в поле зрения телевизионной камеры. К сожалению, никаких параметров, касающихся бликов объективов в паспортных данных не приводится, исходя из этого, приходится вести независимый статистический отбор объективов, имеющих минимальные блики.
Рассеяние и переотражения света в линзах и в объектива.
Дополнительное ограничение на возможность наблюдения большого контраста в одном поле накладывает рассеяние света в линзах и переотражение света от стенок и других внутренних элементов объектива. Ухудшает обстановку да и то, что современные матрицы ПЗС чувствительны в диапазоне и ближнем.
Исходя из этого тёмные и матовые на первый взгляд внутренние поверхности объектива могут быть белыми в инфракрасной области спектра и усилить вредный эффект. Рассеяние света в линзах и переотражения света в объектива проявляются как дополнительная, ровная подсветка, уменьшающая контраст изображения. На первый взгляд, это может показаться нужным, как естественный метод уменьшения контраста. В действительности рассеяние света ведет к двум отрицательным моментам:
- Возрастает шум в чёрных участках изображения, поскольку к шуму считывания выходного устройства добавляется намного больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, наряду с этим безвозвратно теряются чёрные подробности изображения.
- Происходит заметное расширение границ броских объектов, наряду с этим расширенные границы маскируют и не разрешают замечать близлежащие чёрные объекты.
Рис. 7. Иллюстрация расширения границ броского объекта в объективах со большим светорассеянием.
К сожалению, характеристики светорассеяния кроме этого не приводятся в паспортных данных на объективы, исходя из этого, кроме этого нужно вести статистический учет по этому параметру самостоятельно. Необходимо подчернуть, что светорассеяние в объективах с пластмассовыми линзами заметно больше, чем в стеклянных.
Исходя из этого, для телекамер, трудящихся в условиях броского солнечного света, целесообразно применять объективы лишь со стеклянными линзами.
Меньшее светорассеяние выясняется и в объективах с линзами, на которых нанесены особые интерференционные пленки, ослабляющие инфракрасную составляющую спектра. Но, применении таких объективов не всегда возможно, поскольку с ними в 2 -3 раза ухудшается чувствительность черно-белых камер ночью.
4. Режимы расширения большого замечаемого контраста.
4.1 Гамма коррекция.
Гамма коррекция есть необходимым элементом любой телевизионной камеры. Посредством этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование логарифмического закона восприятия освещенностей людской глазом с линейной зависимостью свет-сигнальных видеомонитора и характеристик телекамеры.
Упрощенно говоря, гамма коррекция пребывает в дополнительном усилении не сильный уровней сигнала.
В телекамерах применяют разные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45.
Рис.8 Амплитудные характеристики узла гамма коррекции в микросхеме CXA1310AQ (Сони), которая используется во многих современных черно-белых телевизионных камерах [ 3 ] .
При работе камеры в условиях солнечного света, целесообразно устанавливать меньшее из вероятных значений гамма коррекции — 0,45, что разрешит пара увеличить диапазон замечаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, формирует комфортное, верное визуальное соотношение освещенностей, и сдвигает вверх нижний уровень замечаемых освещенностей. Но указанное преимущество достигается ценой следующих недочётов:
- Многократно возрастает шум на чёрных участках изображения.
- ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.
Исходя из этого, при включенной гамма коррекции, не обращая внимания на расширение, визуально замечаемого диапазона освещенностей, делается большей возможность пропуска показавшегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней освещенностью.
4.2 Режим наблюдения против света Back Light Compensation.
Показавшийся пара лет назад и деятельно рекламируемый режим BLC рекомендован для наблюдения объектов в непростых условиях — против света.
Схемотехнически он в большинстве случаев выполняется в виде переключения порогов срабатывания электронного затвора (либо опорного уровня в АРД объективе) и совокупности АРУ так, что они становятся на 10
Рандомные показатели записей:
PANDORA
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]….
Защита камер наружного видеонаблюдения от яркого солнечного света
Вместо введения. За десять лет работы в области охранного телевидения, я систематично замечаю одну и ту же картину. Хмурой в осеннюю пору бригада…
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]….
Скрытое охранное телевизионное наблюдение
Технические средства наблюдения имеют давешнюю историю. До появления телевизионных совокупностей самый распространенными являлись совокупности скрытого…