Статья из журнала "Бизнес и безопасность" за 2006 год. Продолжение
Разрешение
Важный параметр ТВ камеры - разрешение. Этот параметр определяет возможности камеры по воспроизведению мелких деталей изображения: чем выше разрешение, тем больше детальность, информативность картинки. Разрешение измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ) и зависит не только от числа пикселей в матрице, но и от параметров электронной схемы камеры. В большинстве случаев разрешение 380-400 ТВЛ вполне достаточно для наблюдения. Существуют камеры, имеющие более высокое разрешение - 560-570 ТВЛ. Такие камеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера машин, лица людей и т. д.). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем разрешение черно-белых: 300-350 ТВЛ. Существуют цветные камеры более высокого разрешения - 460 ТВЛ. В настоящее время на рынке систем видеонаблюдения появились цифровые DSP (DSP - цифровая обработка изображения) цветные камеры высокого разрешения (460-480 ТВЛ).
В этих камерах применены схемы коррекции четкости, повышающие контраст в деталях. Их действие сходно с действием фильтра Unsharp Mask, используемого в графических программных пакетах. Правильно настроенный корректор четкости позволяет значительно улучшить субъективное восприятие изображения. Часто у зрителя возникает устойчивая иллюзия, что камера с хорошим корректором четкости превосходит конкурирующие марки по разрешающей способности при прочих равных условиях. Это, конечно же, не совсем верно. Хорошая четкость способна улучшить субъективное восприятие, но помочь различить и опознать объект на экране монитора зачастую она не в силах.
На разрешение камеры влияют два фактора: количество горизонтальных элементов матрицы и полоса частот видеосигнала, формируемого камерой. Для того, чтобы определить разрешение, обычно пользуются специальной телевизионной тест - таблицей, в которой изображены группы линий, расстояние между которыми соответствует определенному разрешению; при этом разрешение камеры определяется по тому участку таблицы, где линии в группе перестают быть различимы раздельно.
Разрешение (разрешающая способность) определяется, как количество переходов (в видимой части растра) от черного к белому или обратно, которое может быть передано камерой. Поэтому единица измерения разрешения называется телевизионной линией (ТВЛ). Разрешение по вертикали у всех камер стандарта CCIR (кроме камер совсем уж плохого качества) одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки. Основное различие камер состоит в разрешении по горизонтали, и именно оно обычно указывается в технических описаниях. К сожалению, существующее определение разрешающей способности не совсем приспособлено для современных CCD-камер.
Основные различия в разрешающей способности камер связаны с применяемыми в них матрицами. И тут многих подстерегает сюрприз! Оказывается, большинство производителей камер используют в своей продукции одни и те же матрицы. Причем большинство выпускаемых матриц ПЗС имеют в строке: обычные около 500, высокого разрешения около 760 элементов. В связи с этим, представляется разумным подразделять камеры на устройства со стандартным разрешением (380 ТВЛ) и устройства высокого разрешения (570 ТВЛ). Объясняется это следующим.
Дискретная точечная структура матрицы приводит к эффекту «биения» при наблюдении полосатой картинки. Например, если у матрицы 520 элементов по горизонтали, то, направив ее на тестовую таблицу, содержащую 260 черных и 260 белых линий, мы увидим четкую картинку из 520 линий. Однако если сместить изображение на половину ячейки матрицы, то на каждую ячейку попадет половинка черной и половинка белой линии. Эта камера может, в принципе, передать 520 линий (однако очень неустойчиво). Принято считать, что надежно в таком случае передается количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. То есть камера с 520 элементами имеет разрешение 390 ТВЛ. В настоящее время такой подход практически закрепился в стандартах.
Однако многие производители предпочитают опираться на результаты собственных не сертифицированных тестов, в которых применяются специальные штриховые миры. Источники погрешностей таких тестов связаны с применением нестандартных мир, с неточным их позиционированием и с погрешностью определения разрешаемых штрихов. Последний фактор следует прокомментировать особо. Никогда не бывает так, чтобы, скажем, 380 линий различить было можно, а 390 уже нельзя. При увеличении числа линий контраст падает плавно, и корректней было бы говорить о предельном числе линий, при наблюдении которых контраст снижается до некоторого заданного уровня. При этом важно то, как размещаются штрихи в кадре (радиально или тангенциально) и в какой части кадра они находятся (в центре или с краю). Однако реальные методики определения разрешающей способности производителями камер остаются для потребителей неизвестными. Вывод следующий: когда на рынке предлагают камеры с разрешением 380, 400 и 450 линий, то в большинстве случаев речь идет о камерах с одинаковым разрешением.
Для передачи сигнала 390 ТВЛ необходима полоса частот 3,75 МГц (195 периодов на 52 мкс активной части строки телевизионной развертки). В настоящее время создание полупроводниковых усилителей не представляет проблемы, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую. Так что это еще раз подтверждает, что разрешение ограничивается именно дискретностью структуры ПЗС-матрицы.
Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют терминами «resolution enhancement» или «edge enhancement». Однако надо отдавать себе отчет в том, что применение высококачественного усилителя не улучшает собственно разрешение, этим улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.
Однако есть случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на поднесущей (в стандарте PAL на частоте около 4,43 МГц), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц. (Строго говоря, стандарт предполагает применение гребенчатых фильтров для разделения сигналов цветности и яркости, однако в реальности оборудование имеет простые фильтры нижних частот). Это соответствует разрешению около 400 ТВЛ.
В настоящее время некоторые производители декларируют разрешающую способность своих цветных камер 480 и более ТВЛ и, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется лишь в том случае, если сигнал снимается с Y-C (S-Video) или компонентного (RGB) выхода. В этом случае сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными коаксиальными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (коммутаторы, мультиплексоры, видеомагнитофоны и т. д.) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.
Обратите внимание, что параметр «разрешение» имеет отношение не только к ПЗС- матрице в камере, но и ко всем цифровым приборам, например: мультиплексоры, квадраторы, цифровые синхронизаторы и т. д. Они также ограничивают общее разрешение системы теленаблюдения.
Важно знать, что разрешение системы в целом определяется тем компонентом, который имеет самое низкое разрешение, т. е., если камера имеет разрешение 430 линий, а монитор - 200, то изображение на экране будет воспроизведено с разрешением лишь в 200 линий. Разрешение может меняться при различных условиях освещенности, при низкой освещенности оно обычно снижается.
Чувствительность Чувствительность - еще один важный параметр ТВ камеры. Этот параметр определяет качество работы камеры при низкой освещенности.
Производители по-разному трактуют это понятие. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают минимальную освещенность на матрице (image illumination). С теоретической точки зрения правильнее было бы указывать освещенность на матрице, т. к. в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью на объекте, которую он заранее знает (или может измерить). Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизированных условиях: коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4.
Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже: Iimаge=Iscene*R/(n*F2), где liirage - освещенность на ПЗС - матрице, Iscene - освещенность на объекте, R - коэффициент отражения объекта, F - светосила объектива.
Таблица 4. Коэффициенты отражения некоторых объектов Объект
| Коэффициент отражения (%)
| Снег
| 90
| Белая краска
| 75-90
| Стекло
| 70
| Автостоянка с машинами
| 40
| Кирпич
| 35
| Бетон
| 25-30
| Трава, деревья
| 20
| | Человеческое лицо | 15-25 |
Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются, как правило, больше, чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0,01 люкс, то это значит, что при объективе F1,4 минимальная освещенность объекта - 0,1 люкс, а это - среднее значение для современной ТВ камеры. Известные фирмы в паспортах и каталогах обычно ставят значения освещенности именно на объекте. Производители же среднего уровня стремятся выделить свою продукцию за счет более привлекательных характеристик чувствительности, при этом, как правило, «забывая» указывать, что измерения проводились на матрице. Но даже эти данные не дадут вам ясной картины о чувствительности, еще есть много факторов, влияющих на результаты измерений.
Измерения проводятся при помощи люксметра. Если телекамера сохраняет необходимые параметры изображения при освещенности объекта в 0,1 люкса, можно утверждать, что ее чувствительность составляет 0,1 люкса. Но при этом необходимо учитывать следующее : уровень сигнала (величина выходного сигнала с камеры равна 1,0 В или же меньше), место измерения (было ли проведено измерение уровня освещенности непосредственно на матрице ПЗС, либо на объекте), использовался ли объектив (если да, каково относительное отверстие), отражательную способность тестируемого объекта. Вот почему для проведения подобных измерений необходимо использовать специальную комнату.
По сравнению с человеческим глазом чувствительность монохромных ТВ камер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это обстоятельство позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, но прекрасно фиксируется ТВ камерами на ПЗС. Для цветных ТВ камер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с монохромными и отсутствие чувствительности в инфракрасной области спектра. Чувствительность большинства современных монохромных ТВ камер - порядка 0,01-1 люкс (при F1,2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК-подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света. Таблица 5. Ориентировочная освещенность объектов | Безоблачный, солнечный день | Более 100 000 люкс (угол солнца 55°) | | Солнечный день с легкими облаками | 70000 люкс | | Пасмурный день | 20000 люкс | | Раннее утро | 500 люкс | | Сумерки | 4 люкс | | Ясная ночь, полная луна | 0,2 люкс | | Ясная ночь, неполная луна | 0,02 люкс | | Ночь, луна в облаках | 0,007 люкс | | Ясная, безлунная ночь | 0,001 люкс | | Безлунная ночь с легкими облаками | 0,0007 люкс | | Темная, облачная ночь | 0,00005 люкс | | В освещенном помещении без окон | 100-200 люкс | | Хорошо освещенные помещения, офисы | 200-1000 люкс |
Иногда производители или просто дилеры, чтобы показать преимущества в чувствительности одной камеры над другими демонстрируют очень эффектный трюк (обычно на специализированных выставках).
Делается это так: стоят рядом несколько камер, которые работают на свои телевизионные мониторы. Потом перед всеми камерами по очереди опускают очень темный светофильтр. Результат: камеры, кроме одной, «слепнут» и кроме ярких бликов одна чуть лучше, другая чуть хуже не видят ничего. Очень эффектно и понятно. Какие тут могут быть вопросы? Тем более, что глазом сквозь фильтр и ярких бликов не видно.
Тем не менее, этот «убедительный эксперимент» не совсем, но в значительной степени, лишь иллюзия фантастической чувствительности этой единственной камеры.
Что же есть на самом деле.
На самом деле та единственная «сверхчувствительная» камера действительно имеет более высокую способность преобразовывать падающие на нее световые фотоны в выходное напряжение, но вовсе не в то видимое на глаз n-количество раз. Здесь на зрителя «играет» два фактора. Один заключается в том, что в поле зрения глаза, кроме объектов, находящихся за темным фильтром, попадает и весь остальной фон, который не позволяет глазу открыться в соответствующей степени. Если бы это произошло, глаз бы видел приблизительно на уровне остальных камер.
Что же касается той единственной камеры, то она очень хорошо видит в области ближнего инфракрасного излучения, где глаз не видит вовсе, а темный светофильтр, который опускают перед всеми камерами, является темным в видимой области, а для ближнего ИК света он почти прозрачен! Таким свойством обладают многие оптические стекла. Поэтому тогда, когда надо добиться более-менее одинакового коэффициента пропускания фильтра в широком спектральном диапазоне, применяют составные фильтры. Не трудно догадаться, что в рассматриваемой установке дополнительных фильтров нет и это второй и основной фактор иллюзии сверхчувствительности камеры.
Ну и самое главное: подавляющее большинство черно-белых «охранных» камер на самом деле являются побочным продуктом массового производства цветных «братьев». Что это значит? По технологии производства цветных матриц предпринимаются специальные меры для подавления их чувствительности в области ближнего ИК-диапазона и разделения изображения на составные цвета - на их поверхность наносится мозаика цветных светофильтров. Цветные матрицы, параметры которых не укладываются в требуемые допуски идут на производство черно-белых камер. Цветные светофильтры, естественно никто не удаляет.
В условиях же дневного освещения все камеры, как вы понимаете, покажут примерно равные результаты. Отсюда вывод: не все черно-белые камеры одинаково чувствительны в области ИК-диапазона!
В последнее время появились телевизионные камеры нового типа, позволяющие эффективно работать как ночью, так и днем. Речь идет о камерах с переменной цветностью: при достаточном количестве света (порядка 3 Люкс) они работают как цветные, а при плохой освещенности скачком переходят в черно-белый режим работы, обеспечивая тем самым минимальную освещенность 0,2 Люкс (все освещенности приведены на стандартном объективе F1.4). Подобные камеры получили название «TRI-Q камеры». Важно также отметить, что они обеспечивают высокую разрешающую способность во всем рабочем диапазоне освещенностей. Для более полного удовлетворения последнего требования эти камеры имеют расширенный спектральный диапазон от 380 нм до 1000 нм, что позволяет весьма эффективно работать в системах с инфракрасной подсветкой.
Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные ТВ камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной ТВ камеры и прибора ночного видения (например, электронно-оптического преобразователя - ЭОП). Подобные камеры обладают не только уникальными свойствами (чувствительность их во 100-10 000 раз выше обычных, причем в инфракрасном диапазоне теплое человеческое тело само светится), но и уникальной капризностью: среднее время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем. Рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до 1000 и более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать «прожога» изображения. Для этого применяют специальные двух координатные устройства управления, которые постоянно перемещаются вверх- вниз, влево- вправо. Разумеется, если вам необходимо полностью скрытое видеонаблюдение, которое злоумышленник, экипированный ночными прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ТВ камерам с ЭОП нет. Во всех же остальных случаях десять обычных камер, даже с ИК-прожекторами, будут дешевле одной «ночной».
Отношение сигнал/шум
С чувствительностью тесно связан параметр «отношение сигнал/шум» (S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.
S/N =20*log (видеосигнал/шум)
Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что амплитуда сигнала в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при 30 дБ - «снег» по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную «снежную» пелену разглядеть еще можно.
В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма - коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма коррекции, больше.
Нередко чувствительность камеры указывают для «приемлемого сигнала», под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение отношения сигнал/шум, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться, при воспроизведении что-то увидеть.
Другой способ определения «приемлемого» сигнала - шкала IRE (Institute of Rаdio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта без синхросмеси) принимается за 100 единиц IRE. «Приемлемым» считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, например BURLE, «приемлемым» указывают сигнал 25 IRE, другие - 50 IRE (уровень сигнала -6 дБ). Выбор «приемлемого» уровня определяется отношением «сигнал/шум». Усилить электронный сигнал нетрудно, но и шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового применения обладают Hyper-CAD матрицы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве ТВ камер высокого качества. Разброс приводимых параметров камер, построенных на их основе, означает разный подход производителей к определению понятия «приемлемый сигнал».
Дополнительная проблема связана с тем, что единица измерения «люкс» определена для монохромного излучения с длиной волны 550 нм. Поэтому немаловажная характеристика - спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность монохромных камер существенно (по сравнению с человеческим глазом) сдвинута в инфракрасный диапазон. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами. Спектральная чувствительность цветных камер практически совпадает с человеческим глазом. Продолжение следует ...
| 
