Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Рис. 5.25. Сравнение традиционных схем с микролинзами и новой концепции Exwave фирмы Sony
Рис. 5.26. Структура ПЗС-матрицы с микролинзами, фотография сделана электронным микроскопом
Итак, если включен электронный затвор, он может переключаться в пределах от нормальной скорости экспозиции в 1/50 с (1/60 с) до более высокой (менее продолжительной) в зависимости от условий освещенности. Теоретически экспозиции, длиннее 1/50 с (1/60 с для EIA), не могут использоваться из-за потери ощущения движущегося изображения. В некоторых ПЗС-телекамерах возможны более длительные экспозиции, и такой режим называется интеграцией (накоплением заряда. Прим. ред.). В некоторых последних разработках, включающих цифровую обработку сигнала, интеграция включается автоматически, когда освещенность объекта падает ниже заданного уровня. Это особенно ценно в отношении цветных телекамер, но пока реализовано только для черно-белых телекамер (В современных цветных телекамерах с целью повышения их чувствительности реализован режим День/Ночь, благодаря чему при уменьшении освещенности ниже определенного уровня телекамера автоматически переключается на работу в черно-белом режиме. Прим. ред.). Плата за это — потеря гладкости движения (в режиме накопления мы не можем получить 50 полей/с), которая заменяется видимостью движения, аналогичной прерывистому воспроизведению с time-lapse видеомагнитофона.
Уменьшение размеров пиксела в матрицах со строчным переносом косвенно снижает минимальную освещенность матрицы. Эта проблема может быть разрешена очень просто (хотя технологически это не очень легко) — поверх каждого пиксела помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на сам пиксел, и эффективно увеличивает минимальную освещенность. На сегодняшний день наибольшее распространение в видеонаблюдении получили матрицы со строчным переносом заряда.
Типичный разрез ПЗС-матрицы со строчным переносом и с микролинзами приведен на рис. 5.27.
Рис. 5.27. Типичная структура ПЗС-матрицы с микролинзами
Как видно, микроструктура матрицы становится довольно сложной, когда речь идет о высококачественном сигнале.
Самый лучший проект — это последняя разработка, матрица с кадрово-строчным переносом, которая обладает всеми характеристиками строчного переноса плюс уменьшение вертикального ореола и лучшее отношение сигнал/шум. Как можно заключить из упрощенной схемы, такая матрица работает со срочным переносом на верхней части матрицы, то есть имеет электронный затвор, но изображение не удерживается в колонках маски в течение экспозиции следующего поля, а сдвигается вниз в более защищенную область маски.
В такой матрице вертикальный ореол еще меньше, а также увеличивается отношение сигнал/шум.
Здесь также используются микролинзы для улучшения минимальной освещенности. ПЗС-матрицы с кадрово-строчным переносом заряда имеют еще более совершенную микроструктуру, множество ячеек и областей для предотвращения стекания избыточных зарядов на окружающие области, ловушки генерируемых теплом электронов и пр.
Матрицы с такими усовершенствованиями обладают очень высоким динамическим диапазоном, ослабленным вертикальным ореолом и высоким отношением сигнал/шум, что делает их идеальными для съемок на улице и видеожурналистики. Такие типы камер в широковещательном телевидении обычно называются камерами видеожурналистики.
Итак, матрицы с кадрово-строчным переносом для видеонаблюдения слишком дороги, и, в основном, используются в широковещательном ТВ.
Следует отметить, что независимо от того, насколько совершенна электроника телекамеры, если качество источника информации — ПЗС-матрицы — очень высокое, то и телекамера будет высшего качества. Противоположное тоже верно, т. е. даже если ПЗС-матрица наивысшего качества, но электроника камеры не в состоянии обработать ее наилучшим возможным способом, то весь комплект будет комплектом второго класса.
Также следует отметить, что большинство из немногочисленных производителей матриц подразделяют ПЗС-устройства одного типа на несколько классов, в зависимости от качества и однородности пикселов. Различные производители могут использовать различные классы для одного и того же типа матриц. Это в итоге отражается не только на качестве, но и на цене телекамеры.
Рис. 5.28. ПЗС-матрицы могут иметь самые разные размеры
Импульсы переноса зарядов в ПЗС-матрицах
Качество сигнала, даваемого ПЗС-матрицей, зависит от импульсов переноса заряда. Импульсы генерируются внутренним кварцевым генератором телекамеры. Частота зависит от многих факторов, но, в основном, от числа пикселов ПЗС-матрицы, типа переноса заряда (покадровый, строчный, кадрово-строчный), а также числа фаз для каждого элементарного сдвига зарядов, в частности, элементарный сдвиг может производиться двухфазным, трехфазным или четырехфазным сдвиговым импульсом. В видеонаблюдении наиболее распространены телекамеры с трехфазным импульсом переноса.
Как вы можете себе представить, кварцевый генератор камеры должен иметь частоту, по крайней мере, в несколько раз более высокую, чем полоса пропускания видеосигнала, формируемого телекамерой. Все другие синхроимпульсы, в том числе и импульсы переноса, формируются из этой тактовой частоты.
Рис. 5.29. Концепция кадрово-строчного переноса
На схеме рис. 5.30 показано, как происходит перенос заряда в рамках трехфазовой концепции.
Импульсы, обозначенные как фл, ф2 и ф3 это импульсы низкого напряжения (обычно от 0 до 5 В), поэтому ПЗС-камеры не нуждаются в высоком напряжении, как это обстояло с передающими трубками.
На рис. 5.30 показано, как формируются синхроимпульсы видеосигнала при помощи главного синхрогенератора.
Рис. 5.30. Тактовые импульсы ПЗС-матрицы генерируются главным синхрогенератором
Это только один из многих примеров, но он демонстрирует всю сложность и количество генерируемых в ПЗС-телекамере импульсов.
ПЗС-матрица как устройство дискретизации
Как мы уже говорили, используемая в видеонаблюдении ПЗС-матрица является двумерной, состоящей из элементов изображения (пикселов). Разрешающая способность, даваемая такой матрицей, зависит от числа пикселов и разрешающей способности объектива. Поскольку последняя обычно выше, чем разрешение ПЗС-матрицы, то мы не будем считать оптическое разрешение камнем преткновения. Однако, как говорилось в разделе ФПМ, объективы изготавливаются с разрешением, подходящим для конкретного размера изображения, и следует осторожно использовать соответствующую оптику с матрицами различного размера.
Есть и еще один важный момент, касающийся разрешения ПЗС, это отсутствие непрерывности ТВ-линий. ТВ-линия, даваемая телекамерой с передающей трубкой, получается в результате непрерывного сканирования электронным лучом вдоль строки. ПЗС-матрица состоит из дискретных пикселов, и поэтому информация одной ТВ-линии состоит из дискретных значений, соответствующих каждому пикселу. Этот метод дает не цифровую информацию, а скорее дискретную выборку. Таким образом ПЗС-матрица — это оптическое устройство дискретизации.
Как и в случае других устройств дискретизации, мы не получаем полную информацию по каждой строке, только дискретные значения в позициях, соответствующих позициям пикселов.
Может показаться, что восстановить непрерывный сигнал из отдельных его частей невозможно. Однако в 1928 г. Найквист показал, что сигнал может быть реконструирован без потери информации, если частота дискретизации равна, по меньшей мере, двойной ширине спектра сигнала (Точнее, не менее, чем в два раза больше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. В России это положение называют теоремой Котельникова. Прим. ред.). Значения сигнала между выборочными точками знать не обязательно. Это важная теорема, доказанная и используемая во многих электронных устройствах дискретизации, CD-аудио, видео и др. Частота дискретизации, эквивалентная удвоенной ширине спектра, называется частотой Найквиста.
Есть, однако, и нежелательный побочный продукт ПЗС-дискретизации. Это хорошо известная муаровая картина, которая получается в случаях, когда снимается объект с более высоким разрешением. Обычно это хорошо видно, например, если диктор, ведущий программу новостей, наденет рубаху с очень мелким узором. Математически это соответствует случаю, когда максимальная частота приближается к частоте дискретизации. Поскольку пространственная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты оптического изображения Fsmax, мы можем представить ее в частотной области одним значением частоты в области частоты Найквиста F^^.
