Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии (1089174), страница 30
Текст из файла (страница 30)
5.3. Студийная телевизионная камера с передающейтрубкой (1952 г.)«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV5. Телекамеры в системах видеонаблюдения123Рис. 5.4. Принцип работы передающей трубкиРаботают передающие трубки по принципу фоточувствительности, основанному на фотоэффекте. Свет, проецируемый на люминофорный слой трубки (называемый мишенью) обладает энергией, достаточной, чтобы вызвать выбивание электронов из кристаллической решетки люминофора.Число выбиваемых электронов пропорционально свету, и таким образом формируется электрическое представление световой проекции.При появлении видеонаблюдения существовало два основных типа трубок: видиконы и ньювиконы.Видикон был дешевле и менее чувствителен. Так называемый автоматический контроль потенциала мишени эффективно контролировал чувствительность видикона и косвенно выполнял функцииэлектронного затвора, как сегодня мы называем этот процесс в ПЗС-телекамерах.
Поэтому видиконы работали только с объективами с ручной установкой диафрагмы. Минимальная освещенность, необходимая для того, чтобы черно-белый видикон сформировал видеосигнал, составлялапорядка 5-10 лк, отраженных от объекта, при использовании объектива F/1.4.Телекамеры типа ньювикон были более чувствительны (до 1 люкса), более дорогие и требовалиобъективов с автодиафрагмой. Внешне они выглядели так же, как и видиконы, так что на вид их различить было непросто.
Только опытный специалист по видеонаблюдению мог заметить небольшиеотличия в цветах области мишени: у видикона есть темно-фиолетовая составляющая, а у ньювикона — темно-синяя. Два типа телекамер управляются различной электроникой, а телекамеры типаньювикон снабжены разъемом автодиафрагмы.Работа всех передающих трубок основывается на принципе сканирования электронным лучоммишени внутри трубки под действием электромагнитного поля. Луч отклоняется электромагнитным полем, генерируемым электронной системой камеры.
Чем больше света достигает светочувствительного слоя мишени, тем ниже ее сопротивление в этом месте. При проецированииизображения, благодаря фотоэффекту, формируется потенциальный рельеф. Когда анализирующий электронный луч сканирует фоточувствительный слой, он нейтрализует положительные заряды, так что по локальным сопротивлениям протекает ток.
Когда электронный лучпопадает в конкретную часть потенциального рельефа, электрический ток теряет заряд пропорhttp://www. itv. ruITV — генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»124CCTV5. Телекамеры в системах видеонаблюденияционально количеству света. Этот очень слабый ток — порядка пикоампер (1 пА =10 12 А) — подается на видеоусилитель с очень высоким входным сопротивлением, который и формирует напряжение видеосигнала. В трубке должен быть тонкий и однородный фотослой — это оченьважно.
Этот слой порождает так называемый теневой ток, который существует даже тогда,когда объектив не проецирует изображение (диафрагма закрыта).После того, как сигнал сформирован, электронная система телекамеры добавляет синхроимпульсы, и на выходе телекамеры мы получаем полный видеосигнал, называемый композитным видеосигналом.Функционирование передающих трубок опираетсяна несколько важных концепций, сейчас мы ихкратко рассмотрим; это необходимо для того,чтобы оценить разницу между этой и новой ПЗСтехнологией.Первое: большие габаритные размеры телекамеры как таковой — стеклянная трубка, окружающая ее электромагнитная отклоняющаяРис. 5.5.
Внутреннее устройство телекамеры с система и размеры электронных компонентсистемы — все это делало телекамеры довольнопередающей трубкойгромоздкими.Второе: необходимость в использовании точного отклоняющего электромагнитного поля,которое заставляет электронный луч сканировать область мишени согласно телевизионным стандартам.
Использование электромагнитной системы для сканирования означает, что внешние электромагнитные поля других источников могут влиять на процесс сканирования, вызывая искажениякартинки.Третье: необходимость высокого напряжения (до 1000 В) для придания ускорения электронному лучу и задания его траектории.
Поэтому в телекамерах приходится использовать высоковольтные компоненты, что всегда представляет собой потенциальную проблему для устойчивости электронных схем. Старые и высоковольтные конденсаторы могут начать подтекать, влага можетсоздать токопроводящии воздушный слой вокруг компонент и привести к возникновению искровыхразрядов.Четвертое: необходимость наличия люминофорного слоя на мишени, который преобразует световую энергию в электрическую информацию. Люминофор постоянно подвергается электроннойбомбардировке, и слой со временем изнашивается. Срок службы люминофорного покрытиятрубки ограничен. При постоянной эксплуатации телекамеры (как это и происходит в системахвидеонаблюдения) реальный ресурс телекамеры составляет пару лет, после этого срока изображение начинает ослабевать, вследствиевыжигания люминофора могут появиться«впечатанные» изображения — еслителекамера постоянно направлена наодин и тот же объект.
В результате мыможем увидеть такую картину: движущиесялюди похожи на призраков, они полупрозрачны и сквозь них просвечивают«впечатанные» изображения.Пятое: геометрические искажения,обусловленные тем, что луч падает намишень под различными углами; эта черта принципиально отлична от используемых сегодня ПЗС-телекамер (и ее следует рассматривать как недостаток) и явля-Рис.5.6. Сравнение физических размеровпередающей трубки и ПЗС-матрицы«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV5.
Телекамеры в системах видеонаблюдения125ется врожденным свойством, наследуемым от конструкции трубки как таковой. В частности, траектория электронного луча короче, когда он попадает в центр мишени, по сравнению с его траекторией при сканировании краев. Поэтому возникают геометрические искажения проецируемого изображения. Во многих конструкциях введены магнитные и электронные системы коррекции такихискажений, но при каждом перемещении трубки приходится заново регулировать настройки.Новая ПЗС-технология позволила исключить все эти проблемы. Однако вначале одна характеристика трубок на заре ПЗС-технологий была недосягаемой. Невозможно было достичь разрешающейспособности, соответствующей хорошей передающей трубке.Разрешающая способность по вертикали зависит от стандарта сканирования, и оно более-менееодинаково и для ПЗС-телекамер, и для передающих трубок, но разрешающая способность по горизонтали (т.е.
число воспроизводимых вертикальных линий) зависит от толщины электронного луча.Этот фактор вполне успешно контролируется электронной системой, что позволяет воспроизводить очень тонкие детали при сканировании.Вначале микроэлектронная технология была не в состояниисоздать элемент изображения(пиксел) на ПЗС-матрице меньший, чем поперечное сечениеэлектронного луча. Это означает,что на заре технологии ПЗС-матриц их разрешение значительноотставало от разрешения трубок.Рис. 5.7.
ПЗС-телекамераОднако очень скоро удалосьповысить разрешение ПЗС-матриц, так что оно стало сравнимо скачеством телекамер с передающими трубками.ПЗС-телекамерыПЗС — это прибор с зарядовой связью.В 1970-х, когда появились первые персональные компьютеры, начались эксперименты с полупроводниковыми электронными компонентами — приборами с зарядовой связью — которые вначале предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств.Очень скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнееиспользовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.Основной принцип работы ПЗС заключается в сохранении информации электрических зарядов вфотоэлементах, а затем, когда потребуется, передаче этих зарядов на выходной каскад.Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то концепция сдвига остается прежней, но вот вместо использования зарядовых пакетов для хранения цифровой информации(в случае, когда ПЗС-матрица служит запоминающим устройством), мы имеем фотоэлектроннуюгенерацию электронов пропорционально количеству света, падающего на область формирования изображения, затем эти заряды сдвигаются вертикально и/или горизонтально так же, каксдвиговые регистры в цифровых схемах сдвигают двоичные значения.Итак, зарядовые пакеты - как только они сформировались в фотоэлементах матрицы — «стекают»на выходной каскад при использовании методов зарядовой связи.
Таким образом электрическаяhttp://www. itv. r иITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»126CCTV5. Телекамеры в системах видеонаблюдениясвязь обеспечивается управлением напряжением и временем для каждой ячейки, называемойэлементом изображения (пиксел).Один из пионеров ПЗС-технологии, Гильберт Амелио, в своей статье, написанной в 1974 г., описываетзарядовую связь как «коллективный перенос всего мобильного электрического заряда, хранящегосяна элементе полупроводниковой памяти на аналогичный сопряженный запоминающий элемент путемвнешнего воздействия напряжением.
Количество хранимого в мобильном пакете заряда можетменяться в широких пределах в зависимости от приложенного напряжения и емкости запоминающихэлементов. Величина электрического заряда в каждом пакете может представлять информацию».ПЗС-чип может иметь либо линейную форму (линейный ПЗС), либо форму двумерной матрицы(ПЗС-матрица).
Важно понимать, что они состоят из дискретных элементов (пикселов), ноПЗС-устройства не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел может содержатьлюбое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, таким образом представляяаналоговую информацию.Дискретные пакеты электронов переносятся (если время экспонирования закончилось) одновременным сдвигом рядов и столбцов пакетов на внешний каскад чипа.Поэтому мы и говорим, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами.Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств, а только в качестве фотоприемников.
Их можно найти во многих устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день: в факсимильных аппаратах, сканерах используются линейные ПЗС; во многих фотокамерах с автофокусом используются ПЗС-чипы автофокусировки; в географическом аэромониторинге, космическомзондировании планеты, промышленном обследовании материалов тоже применяются камеры сРис. 5.8. Уже давно эти разные технологии выполняют одинаковую работу(телекамера с ПЗС-матрицей и телекамера с передающей трубкой)«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV5.
Телекамеры в системах видеонаблюдения127Рис. 5.9. Фотоны создают электроны в ПЗС-матрицелинейными ПЗС, и наконец, хотя это и не последнее, многие современные телевизионные камеры,как в широком телевещании, так и в системахвидеонаблюдения, используют ПЗС-чипы.ПЗС-телекамеры обладают многими преимуществами (конструктивными) перед телекамерами спередающими трубками, хотя, как ранее упоминалось, поначалу возникали трудности с разрешающей способностью.
В наши дни технология достигла такого уровня, что высокое разрешение большене проблема.Вот основные преимущества ПЗС-телекамер в сравнении с телекамерами на передающих трубках:О очень низкая минимальная освещенность(для черно-белых до 1 лк на объекте);О отсутствие геометрических искажений благодаря точной двумерной конструкции;О низкое энергопотребление;О не требуется высокое напряжение для ускорения луча;О маленькие размеры;О не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей;О и самое важное неограниченное время жизниэлектронов, генерируемых фотоэффектом.http://www.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
