Куликов Александр Николаевич

Вместо введения.

За десять лет работы в области охранного телевидения, я регулярно наблюдаю одну и ту же картину. Хмурой осенью бригада монтажников возвращается с объекта. Телекамеры установлены, система функционирует, комиссия приняла работу. Запомнились отзывы начальника охраны, который был доволен тем, как хорошо телекамеры "показывают” ночью, и какая высокая четкость изображения днем. Но наступает весна, и начинают трезвонить телефоны... Оказывается, что при ярком солнечном свете, некоторые камеры "уходят в белое”, другие работают с искажениями, "белыми столбами”, потерей изображения на значительной площади фотоприемника и так далее. Затем идут рекламации, командировки, замены камер и объективов, потеря времени и денег.

При построении телевизионных систем, особое внимание обращают на наблюдение ночью. Выбирают камеры с чувствительными фотоприемниками, светосильные асферические объективы, применяют систему искусственной подсветки объектов и территорий. При этом часто забывают об особенностях наблюдения днем, считая, что если света много, то и так все будет видно. Однако, именно при ярком солнечном свете возникают ситуации, когда на изображении, формируемом охранной телекамерой возможна потеря не только больших участков, но и всего изображения. В настоящей статье рассматриваются особенности наблюдения при ярком солнечном освещении.

1. Абсолютный контраст изображения.

Главной причиной, приводящей к ухудшению качества видеонаблюдения в дневных условиях, является высокий абсолютный контраст изображения, то есть, отношение освещенностей самого яркого и самого темного из наблюдаемых объектов. Ночью абсолютный контраст может быть менее 100, в случае, когда объекты освещены рассеянным светом ночного неба.

Днем абсолютный контраст увеличивается до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения телевизионной камеры и до миллиона раз. Такое увеличение контраста вызвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света – Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшаться до 100 люкс и менее, при освещенности светлых 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, то есть 100 миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не в состоянии наблюдать одновременно (в одном поле зрения) объекты, отличающиеся по освещенности в десятки и сотни тысяч раз. В таких ситуациях неизбежны потери видеоинформации на некоторых участках изображения. Задача проектировщика состоит в сведении к минимуму потерь, возникающих при работе телевизионной системы в условиях световых перегрузок.

2. Отличия естественного и телевизионного наблюдений.

Диапазон воспринимаемых глазом освещенностей приближается к миллиарду. Однако, днем мы не видим звезд на небе, хотя абсолютный контраст небо – звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительность человеческого глаза всего 2% [ 1 ] , поэтому различимый абсолютный контраст не превосходит 50. Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности. Наблюдая за местностью, человек по очереди переводит взгляд с одного объекта на другой. Если объект яркий, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдатель защищает глаза от слепящего Солнца ладонью.

Наблюдение большого диапазона освещенностей человеческим глазом возможно только путем перевода взгляда с темных на яркие объекты и обратно.

Телевизионная камера, обычно, закреплена неподвижно. Поэтому, в ее поле зрения объекты с большим абсолютным контрастом могут попадать одновременно. Оператор телевизионной системы наблюдает изображение на видеомониторе небольших размеров. В результате, система "телекамера – монитор – глаз" не обладает преимуществами, возникающими при естественном наблюдении за счет перевода взгляда и поочередного рассматривания ярких и темных объектов. Далее мы будем обсуждать возможность телевизионного наблюдения объектов с различной освещенностью одновременно, то есть "в одном телевизионном поле". В этом случае неизбежна потеря видеоинформации на ярких и темных участках сцены. Дополнительное сужение наблюдаемого контраста происходит из-за недостаточной яркости экрана монитора и искусственного освещения внутри помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитора менее 500 люкс, что ухудшает контрастную чувствительность глаза, максимальную только в области нескольких тысяч люкс. При наблюдении изображений на цветных, и тем более компьютерных видеомониторах (эквивалентная освещенность экрана последних менее 100 люкс) диапазон наблюдаемых освещенностей глазом уменьшается еще больше. Поэтому, при телевизионном наблюдении освещенных Солнцем территорий и объектов, необходимо использовать мониторы с максимальной яркостью свечения экрана. Высококонтрастный монитор с большим размером экрана расширит диапазон наблюдаемых освещенностей и уменьшит вероятность потери части изображения при сложных условиях освещения.

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, поэтому при расчете сигнальных и шумовых характеристик удобно использовать единицу измерения заряда – электрон.

3.1 Зависимость максимального контраста от площади фоточувствительного элемента.

Максимальный контраст определяется отношением максимального и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называется управляющей способностью ПЗС [ 2 ] , которая пропорциональна геометрической площади и глубине потенциальной ямы элемента. В матрицах ПЗС зарядовые пакеты, перемещаясь к выходному устройству, проходят несколько секций переноса заряда. Наименьшими потенциальными ямами обладают элементы секций накопления и хранения, которые в первую очередь ограничивают уровень заряда. В современных матрицах ПЗС форматами 1/6 – 1/2 дюйма с объемным каналом переноса заряда управляющая способность элемента находится в пределах от 12000 до 300000 электронов. Минимальное количество электронов, определяется среднеквадратическим значением шума считывания матрицы ПЗС и составляет 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 максимальных контрастов, следует разделить эти значения на 10, так как, только начиная с такого отношения сигнал/шум можно различать объекты на изображении. Подставляя из справочных данных площадь фоточувствительных элементов, можно найти максимальный контраст для матриц ПЗС разных форматов и разрешения.

Таблица 1. Максимальный контраст, реализуемый в стандартных матрицах ПЗС фирмы SONY в зависимости от площади фоточувствительного элемента*.

• Для матриц серии EXWAWEHAD значения максимального контраста нужно умножить в 1,3 раза.

Из таблицы 1 видно, что телекамеры с фотоприемниками формата 1/2 дюйма, обеспечивают максимальный диапазон рабочих освещенностей, то есть обеспечивают минимальные потери информации при наблюдении контрастных изображений в солнечные дни. Однако, высокая стоимость телекамер на полдюймовых матрицах ПЗС не позволяет применять их в большинстве систем охраны. При ограниченных средствах оптимально использование камер с матрицами ПЗС формата 1/3 дюйма стандартного разрешения, лучшей из которых по диапазону рабочих освещенностей в настоящее время является ICX255AL фирмы SONY.

3.2 Ограничение контраста в режиме электронного затвора. "Смаз" и растекание зарядового изображения в матрице ПЗС.

При использовании объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности используют режим электронного затвора (electronic shutter). В этом режиме при увеличении освещенности автоматически уменьшается время накопления заряда в матрице ПЗС, а значит и чувствительность. Современные камеры обеспечивают минимальное время экспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды. Но даже последнего значения недостаточно 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 недостаточно для наблюдения при солнечном освещении. При наблюдении будут потеряны изображения белых стен зданий, снега, облаков, и тем более, блестящих на Солнце объектов. Казалось бы, можно уменьшить время накопления до одной миллионной секунды и менее, что схемотехнически не сложно. Но уменьшению времени накопления в стандартных матрицах ПЗС препятствует "смаз" изображения. На параметр "Smear" равный 0,005% для стандартных матриц CCD обычно не обращают внимания, как на малозначительный. Однако, столь малая величина "смаза" получается только при полном времени накопления равном 20 миллисекунд. При экспозиции 1/100000 секунды сигнал "смаза" возрастает в 2000 раз и становится равным 10%, что проявляется в виде хорошо заметных "белых полос" сверху и снизу ярких объектов на изображении. Если же, освещенность объекта выше максимальной освещенности более чем в 10 раз (нить накаливания лампы, Солнце), то величина "смаза" превышает 100% и возникает эффект "растекания заряда по поверхности матрицы ПЗС" – блюминга (Blooming). В 1999 году фирма SONY освоила в производстве новое поколение матриц ПЗС под торговой маркой EXWAVEHAD. В России известны телекамеры WAT902H фирмы WATEC и VNC-703 фирмы ЭВС, в которых установлены матрицы SONY нового поколения. В рекламе на эти камеры максимальное внимание обращалось на улучшенную чувствительность матриц ПЗС серии EXWAVEHAD. Но не было отмечено другое преимущество новых матриц – в 30 раз меньший уровень "смаза" при наблюдении ярких объектов.

а) стандартная матрица ПЗС ICX055BL	б) EXWAVEHAD матрица ПЗС ICX255AL

Рис. 2. Иллюстрация "смаза" изображения и эффекта растекания заряда при наблюдении нити накаливания в телекамере на матрицах ПЗС фирмы SONY.

Значительно меньшая величина смаза от ярких объектов улучшает качество изображения в телекамерах на новых матрицах SONY при работе днем в условиях световых перегрузок. Однако, нужно отметить, что в большинстве новых камер не реализованы все преимущества матриц серии EXWAVEHAD. Это объясняется тем, что другие комплектующие изделия телекамер (синхрогенераторы, драйверы, усилители) рассчитаны на работу в стандартных режимах, соответствующих обычным матрицам ПЗС.

Из рисунка 3 видно, что в EXWAVEHAD ПЗС можно на порядок уменьшить минимальное время экспозиции в режиме электронного затвора, по сравнению со стандартными ПЗС, что позволит расширить 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.

Качество работы телевизионной камеры при сильных световых перегрузках (Солнце или прожектор в поле зрения) зависит не только от размера фоточувствительной ячейки (формата и числа элементов матрицы ПЗС) и типа объектива. В значительной степени, способность выдерживать перегрузки определяется методикой настройки и схемой телевизионной камеры. Многие производители телекамер в погоне за низкой себестоимостью упрощают схемы, исключая подстроечные элементы. В результате, из-за разброса параметров матриц ПЗС, камеры одной и той же модели значительно отличаются друг от друга по перегрузочной способности.

Помимо оптимальной настройки режимов, заметное влияние на качество наблюдения при ярком свете оказывает схема управления матрицей ПЗС. При перегрузке в несколько раз возрастает ток по цепям вторичного питания, поэтому от их мощности и стабильности зависит точность поддержания режима, а следовательно и степень проявления эффекта растекания заряда. Следует отметить, что, как правило, режимы, обеспечивающие оптимальность наблюдения ночью и днем различны. В результате разработчики камер выбирают компромиссный режим, что приводит к дополнительным потерям изображения при перегрузках. Например, для улучшения точности схемы привязки уровня "черного" при малой освещенности, в камерах на матрицах SONY, 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 приводит к искажению работы схемы фиксации, вплоть до полной потери изображения, в случаях, когда изображение яркого объекта проецируется на правый край матрицы ПЗС.

Для расширения диапазона рабочих освещенностей телекамер, нужно изменять режим работы матрицы ПЗС днем и ночью. Максимальный выигрыш от переключения режимов матрицы ПЗС в ночных и дневных условиях, достигается в камерах на матрицах ПЗС серии EXWAVEHAD. Например, в телекамере VBP-551 производства российской фирмы ЭВС при использовании объективов с постоянной диафрагмой обеспечивается наблюдение объектов с освещенностью 100000 люкс и устойчивость при световых перегрузках. Такие характеристики обеспечиваются минимальным временем экспозиции в режиме электронного затвора 1/1000000 секунды и адаптивным переключением режимов ПЗС день – ночь.

а)	б)

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 один и тот же 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, блики и искажения.

Важнейшим элементом телевизионной камеры, определяющим качество изображения при ярком солнечном свете, является объектив. Различия в качестве объективов, даже в рамках одного класса очень велико. Следует отметить, что для эффективной работы днем в условиях световых перегрузок, важными становятся некоторые параметры, не регламентированные в паспортных данных на большинство имеющихся на рынке объективов.

Минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива обычно указывается в паспортных данных и находится в пределах Fмин.= (32.....360). Диапазон регулирования освещенности с помощью диафрагмы равен квадрату отношения минимального и максимального относительных отверстий. Для стандартных объективов при полностью открытой диафрагме обычно Fмакс.=1,2. Учитывая, что максимальная рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (выключенный режим электронного затвора), составляет примерно 20 люкс, можно определить максимальную допустимую освещенность, обеспечиваемую данным объективом.

Таблица 2. Диапазон регулирования освещенности и максимальная наблюдаемая 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) непригодны для использования при ярком солнечном свете. Нужно отметить, что для надежной работы камеры в условиях световых перегрузок необходим не только широкий диапазон регулирования освещенности в объективе, но и линейность регулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. При недостаточной линейности возможно самовозбуждение (мигание изображения) в системе камера – объектив при максимальных уровнях освещенности. К сожалению, регулировочная характеристика, как правило, не приводится в паспортных данных на объективы. Лучшими по линейности являются широкодиапазонные объективы с миниатюрными пленочными светофильтрами, установленными на участки диафрагмы объектива.

Блики и искажения, обусловленные диафрагмой объектива.

При неудачной конструкции объектива, из-за отражения света от его внутренних поверхностей и, в первую очередь от диафрагмы, образуются блики. Как правило, максимальный уровень бликов имеют объективы с минимальным диапазоном регулирования диафрагмы.

При определенных углах между осью объектива и осью, направленной на яркий объект уровень бликов может стать недопустимым и приводит к частичной потере изображения при попадании яркого источника в поле зрения телевизионной камеры. К сожалению, никаких параметров, касающихся бликов объективов в паспортных данных не приводится, поэтому, приходится вести самостоятельный статистический отбор объективов, имеющих минимальные блики.

Дополнительное ограничение на возможность наблюдения максимального контраста в одном поле накладывает рассеяние света в линзах и переотражение света от стенок и других внутренних элементов объектива. Ухудшает ситуацию и то, что современные матрицы ПЗС чувствительны в ближнем ИК диапазоне. Поэтому черные и матовые на первый взгляд внутренние поверхности объектива могут оказаться "белыми" в инфракрасной области спектра и усилить вредный эффект. Рассеяние света в линзах и переотражения света внутри объектива проявляются как дополнительная, ровная подсветка, уменьшающая контраст изображения. На первый взгляд, это может показаться полезным, как естественный способ уменьшения контраста. На самом деле рассеяние света приводит к двум отрицательным моментам:

• Возрастает шум в темных участках изображения, так как к шуму считывания выходного устройства добавляется значительно больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, при этом безвозвратно теряются темные детали изображения.
• Происходит заметное "расширение" границ ярких объектов, при этом расширенные границы маскируют и не позволяют наблюдать близлежащие темные объекты.

К сожалению, характеристики светорассеяния также не приводятся в паспортных данных на объективы, поэтому, также необходимо вести статистический учет по этому параметру самостоятельно. Нужно отметить, что светорассеяние в объективах с пластмассовыми линзами заметно больше, чем в стеклянных. Поэтому, для телекамер, работающих в условиях яркого солнечного света, целесообразно использовать объективы только со стеклянными линзами. Меньшее светорассеяние оказывается и в объективах с линзами, на которых нанесены специальные интерференционные пленки, ослабляющие инфракрасную составляющую спектра. Однако, использовании таких объективов не всегда допустимо, так как с ними в 2 -3 раза ухудшается чувствительность черно-белых камер ночью.

4.1 Гамма коррекция.

Гамма коррекция является обязательным элементом любой телевизионной камеры. С помощью этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование логарифмического закона восприятия освещенностей человеческим глазом с линейной зависимостью свет-сигнальных характеристик телекамеры и видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в дополнительном усилении слабых уровней сигнала. В телекамерах используют различные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45.

При работе камеры в условиях солнечного света, целесообразно устанавливать меньшее из возможных значений гамма коррекции – 0,45, что позволит несколько расширить диапазон наблюдаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, создает комфортное, "правильное" визуальное соотношение освещенностей, и сдвигает вверх нижний уровень наблюдаемых освещенностей. Но указанное преимущество достигается ценой следующих недостатков:

• В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.
• ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.

Поэтому, при включенной гамма коррекции, несмотря на расширение, визуально наблюдаемого диапазона освещенностей, становится большей вероятность пропуска появившегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней освещенностью.

4.2 Режим наблюдения против света "Back Light Compensation".

Появившийся несколько лет назад и активно рекламируемый режим "BLC" предназначен для наблюдения объектов в сложных условиях – против света. Схемотехнически он обычно выполняется в виде переключения порогов срабатывания электронного затвора (или опорного уровня в АРД объективе) и системы АРУ так, что они становятся на 10 – 20% выше обычного. В результате, самые яркие объекты (например, светлое окно) "зарезаются в белом", а объекты среднего уровня (лицо человека, стоящего перед окном) усиливаются и становятся хорошо видимыми. Таким образом, режим "Back light compensation" не расширяет динамический диапазон, а сдвигает его с целью лучшего наблюдения более темных объектов, ценой потери ярких объектов. Существуют модификации режима в виде дополнительного переключения "окон", в которых срабатывают схемы автоматического регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант реализации режима BLC с преобразованием верхних уровней сигнала в "негативное изображение" (телекамеры фирмы JAI).

Режим "BLC" полезен в ряде случаев телевизионного наблюдения, но к сожалению, его нельзя использовать в автоматическом виде, так как камера "не знает", когда оператора интересует объект перед ярко освещенной поверхностью, а когда важным является изображение самой этой поверхности. В настоящее время, появились дистанционно управляемые телекамеры, в которых режим "BLC" оператор может оперативно включить или выключить.

4.3 Цифровая обработка сигнала и камеры "Super dynamic".

Несомненно, будущее за цифровой обработкой сигнала в телевизионных камерах. Но есть серьезные препятствия, не позволяющие современным черно-белым камерам с цифровой обработкой сигнала стать бесспорными лидерами телевизионного рынка. В первую очередь это ограничение по стоимости, габаритам и энергопотреблению. Если установить в телекамеру процессор уровня Pentium IV, 16-ти разрядные АЦП и ЦАП, ОЗУ большого объема и т.д., она станет недосягаемой для 99% применений. Поэтому в камеры устанавливают упрощенные специализированные процессоры DSP и АЦП с небольшой разрядностью, как правило 8, иногда 10. Результатом является низкая эффективность цифровой обработки сигнала и отсутствие заметных преимуществ цифровых камер перед аналоговыми, за исключением сервисных. Три года назад я был удивлен низкому качеству изображения накрученной камеры WV-BP-510 с цифровым процессором, детектором движения, режимом Sensitivity Enhancer. По качеству изображения в дневных условиях она значительно уступала предшествующей аналоговой модели WV-BP310 той же фирмы Panasonic. Причина – малое число уровней квантования в АЦП и ЦАП в этой камере, что визуально наблюдалось в виде грубого квантованного изображения с характерным "квадратно-гнездовым" шумом. Еще одним примером недостаточно высокой эффективности цифровой обработки сигнала является знаменитый комплект "Super dynamic"- матрица CCD и DSP процессор той же фирмы, использованный в камере WV-BP-554. Великолепная идея получения в одном поле двух сигналов, суммарный динамический диапазон которых в 40 раз превышает стандартный, эффектно изображенная в рекламных проспектах, понравилась даже неспециалистам.

а)

б)

в)

Рис. 9. Иллюстрация способа расширения динамического диапазона для камер серии "Super dynamic" –а), топология стандартной и "Super dynamic" матриц ПЗС – б) и механизм преобразования сигналов в DSP процессоре – в) из рекламного проспекта фирмы Panasonic.

Только потом возникли вопросы: а как это получается, при 10-ти разрядных АЦП и ЦАПах? Не мешает ли обработке рассеяние света в объективах и т.д.? Кроме того, динамический диапазон каждого элемента матрицы "Super dynamic" должен быть, как минимум, в 2 раза меньше стандартного и соответствовать матрицам формата 1/5 дюйма. Последнее обусловлено тем, что сигналы двух полей одновременно хранятся в одной матрице ПЗС формата 1/3 дюйма (рис. 9 б). После испытания знаменитой камеры оказалось, что только путем длительной настройки удается получить динамический диапазон такой же, как у обычных третьдюймовых камер. Камеры на матрицах 1/2 дюйма однозначно превосходили "Super dynamic" по всем параметрам, несмотря на заложенную интересную идею и все хитросплетения цифровых методов обработки. Жаль, а так хотелось чуда... Вспоминается старая шутка, которую любили мастера лампового телевидения 60 –х годов: "Гамма коррекция хороша тем, что ее можно выключить". К сожалению, это изречение вполне актуально и для режимов BLC и Super Dynamic.