Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Типичная черно-белая ПЗС-матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала всего на 0.01 лк. Та же телекамера с ИК-фильтром потребует освещенности на объекте в 0.1 лк.
Современные цветные телекамеры характеризуются минимальной освещенностью на объекте в 2 лк при F/1.4 и дают видеосигнал приемлемого уровня (от 0.3 до 0.5 В).
Развитие ПЗС-технологии достигло такого уровня, что стало возможно производство матриц с несколькими миллионами пикселов. В цифровой фотографии 6-мегапиксельные матрицы стали уже привычными, а производители пытаются добиться и большего. Что касается систем видеонаблюдения, то здесь мы ограничены стандартами аналогового телевидения, поэтому сейчас редко встречаются ПЗС-матрицы с разрешением выше, чем, например, 752x584 пикселов, что дает примерно 400,000 пикселов.
О разрешении и о том, как его измерять, мы подробнее расскажем немного позже, но сейчас хотелось бы остановиться на нескольких очень перспективных решениях, которые, строго говоря, не являются телекамерами для видеонаблюдения, но позволяют получить очень высокое разрешение.
Одно из таких решений было разработано компанией Spectrum San Diego, которое называется SentryScope и позволяет получать изображение с разрешением 21 миллион пикселов. В основе SentryScope лежит линейный ПЗС с 2048 пикселами, который формирует изображение примерно так же, как это делают спутники при фотографировании земной поверхности. В SentryScope используется поворачивающееся зеркало, которое отражает на линейный ПЗС линии формируемого изображения. Поворачивающееся зеркало сканирует широкую область, которая эквивалентна 10,000 пикселов. Эта система не создает видеосигнал как таковой, но позволяет формировать изображение (с помощью ПК) с очень высокой степенью детализации.
Рис. 5.17. Ч/б ПЗС-матрица без инфракрасного отсекающего фильтра
Рис. 5.18. Цветная ПЗС-матрица с инфракрасным отсекающим фильтром
Рис. 5.19. Различные типы ПЗС-матриц
Сейчас появилось немало и других интересных решений, позволяющих повысить разрешение. В качестве примера можно привести телекамеру, разработанную компанией Co-Vi. В этой телекамере используется ПЗС-матрица с более высоким разрешением, чем обычно (1280x720 пикселов). Полученное изображение высокого разрешения затем масштабируется до стандартного разрешения, чтобы получить аналоговый видеосигнал. Основное отличие предложенного решения заключается в том, что при увеличении участка изображения разрешение не снижается, так как при увеличении фактически "вырезается" часть изображения высокого разрешения (чуть менее 1 миллиона пикселов). Для пользователя это похоже на работу с поворотной телекамерой с двукратным увеличением, что позволяет увидеть больше деталей.
Некоторые разработчики систем видеонаблюдения применяют еще одно интересное решение, в рамках которого используются стандартные телекамеры с длиннофокусными объективами, которые организованы в матрицы 3x3 или даже 4x4 телекамеры и направлены на какой-то объект таким образом, что поле их зрения друг с другом немного пересекается. Полученные изображения передаются на стену, состоящую из 3x3 или 4x4 мониторов, что дает суммарное разрешение от 3.6 до 6.4 миллионов пикселов. В результате получается очень большое и детализированное изображение, которое можно записать и на обычный цифровой видеорегистратор стандартного разрешения.
Рис. 5.20. Телекамера Sentry-Scope с ПЗС-матрицей и разрешением 21 миллион пикселов позволяет разглядеть очень мелкие детали
Типы переноса зарядов в ПЗС
В отношении способа переноса заряда используемые в видеонаблюдении ПЗС-матрицы можно подразделить натри группы.
Самый первый проект, относящийся к началу 1970-х, назывался покадровым переносом (frame transfer). Такой тип ПЗС-матриц разделен на две области равного размера — область изображения и маску, одна находится над другой.
Рис. 5.21. Телекамера от Со-Vi с матрицей 1280x720 пикселов
Рис. 5.22. Принцип работы прибора с зарядовой связью (ПЗС)
Рис. 5.23. Принцип кадрового переноса
Область изображения подвергается воздействию света в течение 1/50 с в соответствии с CCIR видеостандартом (1/60 с для EIA). Затем, в течение кадрового синхроимпульса, все сгенерированные светом заряды (электронное представление оптического изображения, спроецированного на ПЗС-матрицу), сдвигаются вниз на область маски (см. упрощенную схему на рис. 5.24). В общем, весь «кадр изображения» «спускается» вниз.
Рис. 5.24. Принцип строчного переноса
Обратите внимание на перевернутость спроецированного изображения, именно так оно выглядит в реальной ситуации, т. е. объектив проецирует изображение «вверх ногами», и при воспроизведении на видеомониторе нижний правый пиксел попадает в верхний левый угол.
В течение следующих 1/50 с область изображения генерирует электроны нового кадра, а в это время электронные пакеты в области-маске сдвигаются в горизонтальном направлении, строка за строкой. Пакеты электронов (ток) от каждого пиксела складываются в один сигнал и преобразуются в напряжение, формируя информацию телевизионной строки.
С технической точки зрения более точно было бы называть такую операцию «переносом поля», а не «кадровым переносом», но такой термин использовался с ранних дней разработки ПЗС, и мы примем его таковым, каков он есть.
Первая ПЗС-матрица была хороша. Она обладала на удивление хорошей чувствительностью в сравнении с ньювиконами и гораздо лучшей чувствительностью, чем видиконы, но появилась новая проблема, неведомая камерам-трубкам — вертикальное смазывание (или вертикальный ореол) (vertical smearing). В частности, в период между двумя последовательными экспозициями, когда активен перенос заряда, ничто не мешает свету генерировать дополнительные электроны. Понятно, ведь электронные камеры не имеют механизма механического затвора, как фото- или пленочные камеры. И там, где на проекции изображения присутствуют области интенсивного света, появляются яркие вертикальные полосы.
Чтобы разрешить эту проблему, инженеры изобрели новый способ переноса — строчный перенос. Разница заключается в том (см. упрощенный чертеж на рис. 5.24), что экспонируемая картинка переносится не вниз во время периода кадрового синхроимпульса, а сдвигается на левые колонки области маски. Колонки изображения и маски соседствуют друг с другом, перемежаются. Поскольку колонки пикселов маски находятся рядом с колонками пикселов изображения (правее), то сдвиг происходит значительно быстрее, и на генерацию нежелательного сигнала в областях ярких пятен — вертикальный ореол — остается не так много времени.
Если быть точным, вертикальный ореол все равно появляется, но в гораздо меньшей степени. К тому же существенно увеличивается отношение сигнал/шум.
У матриц со строчным переносом зарядов есть один недостаток, который исходит из самой концепции: чтобы добавить колонки-маски рядом с колонками изображения и разместить все это на площади, равной площади матрицы с кадровым переносом, приходится уменьшать размер светочувствительных пикселов. Это снижает чувствительность матриц. Но в сравнении с получаемыми преимуществами, этот недостаток несущественен.
Еще одно интересное преимущество — это возможность использовать электронный затвор в ПЗС. Это очень привлекательная возможность, ведь естественным временем экспозиции в 1/50 с (1/60 с для NTSC) можно электронным образом управлять и уменьшать до необходимых значений, продолжая выдавать видеосигнал размахом 1 Vpp.
Вначале для ПЗС-матриц со строчным переносом предлагалось использовать ручное управление электронным затвором, но очень скоро появилась и автоматическая версия. Такой тип управления называется автоматической ПЗС-диафрагмой или электронной диафрагмой (electronic iris).
Электронная диафрагма устраняет необходимость в использовании объективов с автодиафрагмой.
Объективы с ручной установкой диафрагмы могут использоваться с телекамерами с электронной диафрагмой даже в уличных условиях (Далеко не во всех случаях, так как динамического диапазона электронного затвора может быть недостаточно для отработки изменений уличного света. Прим. ред.). Однако следует отметить, что электронная диафрагма не может контролировать функцию глубины резкости, обеспечиваемую механической диафрагмой объектива. И следует также помнить, что, когда электронная диафрагма переключается на более высокие скорости затвора, из-за низкой эффективности переноса заряда возрастает вертикальный ореол.
