Телевизионное наблюдение объектов в системах безопасности характеризуется отсутствием априорной информации о ракурсе наблюдения объекта и об условиях его освещения (интенсивность и спектральный состав источника света). Поэтому возникает необходимость управления процессами накопления и усиления сигналов в телекамерах. Для избавления оператора системы безопасности от рутинной работы по регулировке ТВ-камеры её адаптация к постоянно изменяющимся условиям наблюдения должна выполняться автоматически. Именно необходимость постоянной ручной подстройки видиконов стала препятствием на пути массового использования электронно-лучевых передающих камер в системах безопасности. В телекамерах на ПЗС благодаря широкому использованию микропроцессорной техники удалось реализовать ряд методов адаптации, обеспечивших автоматическую работу телекамер в условиях большой неопределённости сюжета. Это привело к созданию устройств, в которых автоматически регулируются (адаптируются) параметры оптической части, фотоприёмника, а также аналогового и цифрового видеотрактов.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)
Является исторически первым методом адаптации телевизионного оборудования к изменению внешних условий. Единственная цель АРУ – стабилизация амплитуды видеосигнала на выходе телекамеры. При малых освещённостях усиление автоматически увеличивается, при больших – автоматически уменьшается. Диапазон изменения коэффициента усиления измеряется в децибелах и носит название "глубина АРУ". В современных телекамерах этот параметр лежит в пределах 12…30 дБ.

Изменение коэффициента усиления отражается на результирующей характеристике свет-сигнал ТВ-камеры; чем больше усиление – тем круче её наклон и, следовательно, больше амплитуда сигнала на выходе (см. рис. 2.10). Поэтому чувствительность телевизионной камеры измеряется и специфицируется большинством производителей при максимальном усилении видеотракта (включённой АРУ). Увеличение коэффициента усиления видеотракта приводит не только к возрастанию сигнала, но и к росту шума в выходном сигнале. Поэтому для увеличения отношения сигнал/шум необходимо максимально использовать возможности оптики и освещения. Так, в телекамерах, предназначенных для наблюдения внутри помещения, АРУ обычно выключается, а паспортное отношение сигнал/шум достигается за счёт увеличения светосилы объектива.

В телекамерах, размещаемых вне помещений, из-за большого диапазона изменения освещённости функция АРУ всегда активизируется. При этом необходимо учитывать конечную скорость изменения усиления: постоянная времени цепи АРУ составляет, как правило, 1–2 с.

Регулировка экспозиции
Работа телевизионных камер в составе СФЗ характеризуется очень широким диапазоном изменения освещённости. На широте Санкт-Петербурга в безоблачный солнечный день освещённость объекта может достигать 100 000 лк. Белые ночи (когда Солнце заходит за горизонт не более чем на 6о) соответствуют освещённости 0.1 лк. В тёмную облачную ночь естественная освещённость объектов может уменьшаться до тысячных долей люкса. Таким образом, диапазон изменения освещённости в естественных условиях близок к миллиарду. Ни один фотоэлектрический преобразователь не имеет столь широкого динамического диапазона, поэтому необходима адаптация телекамеры к изменению освещенности на объекте. Такая адаптация основана на законе взаимозаместимости освещённости и времени накопления и реализуется двумя способами. В первом способе перед ПЗС устанавливают объектив с автоматически регулируемой диафрагмой, во втором – автоматически регулируют время накопления в фотоприёмной матрице. Объективы с автоматической регулировкой диафрагмы рассмотрены далее в 3; ниже анализируются достоинства и недостатки электронного управления процессом накопления в ПЗС.

Управление процессом накопления в зависимости от типа матрицы может осуществляться различными способами. В матричных ПЗС с кадровым переносом для устранения зарядов, образованных светом, на все фазные электроды секции накопления подаётся потенциал обогащения. В результате потенциальные ямы не образуются и генерированные светом заряды рекомбинируют, растекаясь по подложке. Напряжение, создающее потенциальные ямы, подаётся лишь в течение малой части времени кадра. В матричных ПЗС со строчным переносом может использоваться режим сброса избыточных зарядов в подложку с помощью подачи импульсов сброса в течение всей нерабочей части времени кадра. Конкретное значение времени накопления выбирается так, чтобы при любой освещённости в ярких деталях сцены экспозиция обеспечивала число фотоэлектронов, немногим меньшее, чем ёмкость потенциальной ямы. Режим управления накоплением заряда в ПЗС за счёт сокращения времени подачи напряжений на фазные электроды называется "электронным затвором". Эффективное время накопления в режиме электронного затвора является одной из основных характеристик ТВ-камеры и может меняться в пределах от 1/50 до 1/100 000 с как вручную, так и автоматически.

Достоинствами метода являются его простота и надёжность, а также уменьшение влияния темновых токов и их шумов. Особо следует подчеркнуть уменьшение искажений, вызванных смазом подвижных объектов. В то же время реализованный к настоящему времени в серийных телекамерах диапазон перестройки времени накопления не позволяет перекрыть возможный диапазон изменения освещённости при наружном наблюдении. Поэтому автоматическое управление чувствительностью ПЗС используется, как правило, при размещении ТВ-камер в помещении. При наружном наблюдении ТВ-камеры обычно работают с временем накопления 1/50 с, а адаптация к уровню освещённости осуществляется с помощью автоматической регулировки диафрагмы объектива (см. 3.2). Исключением из этого правила являются ТВ-системы для регистрации номеров движущихся автомобилей – для решения этой задачи необходимо время накопления не более 1/1000 с.

Баланс белого
Для правильного воспроизведения цвета объекта необходимо, чтобы видеосигналы основных цветов на выходе ПЗС в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении. Для этого ТВ-камеры оснащаются системой баланса белого, основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры. В цветных телекамерах для охранного телевидения роль датчика цветовой температуры играет матрица ПЗС. Поскольку цвет имеет большое значение при опознавании объектов, остановимся на этом вопросе несколько подробнее.

Спектральный состав дневного света от восхода до захода Солнца подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и предвечерние часы в составе солнечного света содержится значительно больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем в середине дня. Такие колебания находятся также в зависимости от атмосферных условий, времени года и географической широты места установки ТВ-камеры.

Искусственные источники света (например, лампы накаливания) также изменяют спектральный состав излучаемого света в зависимости от температуры накала нити. Спектральный состав источника света принято характеризовать цветовой температурой. Цветовая температура – это температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как и рассматриваемый источник. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника света. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре 12 000…25 000 К, т. е. гораздо выше цветовой температуры Солнца (рис. 2.21).

Если, например, напряжение в сети значительно ниже номинального, то свет от лампы имеет желтый оттенок, а если намного выше, то вольфрамовая нить становится синевато-белой. Таким образом, повышение температуры накала нити влечет за собой изменение ее цвета в сторону приближения к белому цвету, т. е. цветовая температура источника повышается. Метод измерения цветовой температуры основан на сравнении спектрального состава света данного источника со спектральным составом излучения абсолютно чёрного тела, нагретого до определённой температуры.

Термин "цветовая температура" можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный спектр. К таким источникам относятся электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а также Солнце. К лампам тлеющего разряда (ртутным, неоновым, аргоновым, натриевым и др.), имеющим характерный линейный спектр, термин "цветовая температура" неприменим.

Рис. 2.21. Цветовая температура различных источников света

При ручной регулировке баланса белого осуществляют настройку

ТВ-камеры на воспроизведение чисто белого цвета при различных источниках освещения. При автоматической регулировке баланса белого используются формируемые в горизонтальном регистре матрицы ПЗС суммарные сигналы G + Ye, Mg + Cy, Mg + Ye, G + Cy (см. 2.1). Их относительные уровни при установленном балансе белого в различных условиях освещённости показаны на рис. 2.22.

Эти значения записывают в память микропроцессора в качестве набора корректирующих коэффициентов. Автоматический режим работы заключается в определении спектрального состава света сравнением текущего и опорного значений спектральных составляющих и выбором подходящих коэффициентов из памяти.

Поскольку в памяти хранятся оптимальные установки только для некоторых типов источников света, функция автоматического баланса белого работает лишь с удовлетворительной точностью.

Компенсация задней засветки
Преследует цель обеспечить наблюдение тёмных объектов на ярком фоне. Процедура обработки заключается в создании оптимальных условий накопления оптического сигнала в определённом участке поля зрения телекамеры. Простейшие схемы компенсации задней засветки формируют сигнал управления электронным затвором аналоговым способом по центральному участку поля зрения. В современных цифровых телевизионных камерах адаптация времени накопления осуществляется по выбранному оператором фрагменту изображения.

Функция компенсации задней засветки может оказаться полезной в ряде приложений, однако возможности её ограничены. Радикальным способом борьбы с внешним фоном является выбор правильного ракурса наблюдения и источника освещения.

Специальные методы адаптации
Эти методы также направлены на расширение динамического диапазона телекамер и основаны на принципе накопления энергии сигнала. Суть их заключается в создании различных условий накопления для слабых и интенсивных оптических сигналов путём перестройки размеров зоны накопления по полю фотоприёмника или во времени. При адаптации матриц ПЗС накопление сигналов происходит до воздействия шума считывания, чем достигается заметный выигрыш в итоговом отношении сигнал/шум. Улучшение отношения сигнал/шум при любом из этих методов достигается за счёт ухудшения разрешающей способности по соответствующему аргументу – времени, пространству или длине волны излучения. При плавных изменениях освещённости (переход "день–ночь") применяется управление зоной накопления по площади, времени и длине волны излучения при стандартной топологии матриц ПЗС. В случае больших перепадов освещённости в поле зрения (переход "свет–тень") применяется внутрикадровое управление временем накопления. Результирующий кадр синтезируется процессором из двух изображений, полученных с различной "выдержкой" при помощи матриц со специальной топологией.

Одной из первых камеру с увеличенным временем накопления сигнала выпустила фирма "Matsushita Electric" (торговая марка "Panasonic"). Режим получил название "Electronic sensitivity enhancer" и обеспечивал увеличение времени накопления от 1 до 32 телевизионных полей, т. е. с 1/50 до 0.64 с, что привело к улучшению чувствительности до 32 раз. В настоящее время камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" выпускают практически все ведущие производители телевизионного оборудования. В таких камерах при использовании матриц ПЗС с технологией EXview HAD и асферических объективов достигается чувствительность до 0.0002 лк при отношении сигнал/шум 20 дБ. Несмотря на отличные характеристики, камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" имеют два серьезных недостатка. Во-первых, при увеличении времени накопления происходит смаз изображения движущихся объектов. Второй недостаток – высокая стоимость, так как в состав ТВ-камеры для обеспечения визуализации на экране монитора включается преобразователь стандартов с кадровым ОЗУ, АЦП, ЦАП и системой синхронизации.