Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии (1089174), страница 31
Текст из файла (страница 31)
itv.ruРис. 5.10. Линейные ПЗС используются дляполучения фотографий со спутниковITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»1285. Телекамеры в системах видеонаблюденияCCTVКак мы уже говорили раньше, ПЗС бывают всех форм и размеров, но основная классификация —это деление на линейные и двумерные матрицы.
Линейные чипы используются в тех случаях, когдаобъекты движутся только в одном направлении (как в факсимильных аппаратах и сканерах).В видеонаблюдении нас интересуют только двумерные матрицы, так называемые матрицы размеров 2/3", 1/2", 1/3".Мы уже рассказывали, что эти размеры не представляют диагональные размеры матриц, какможно подумать, а соответствуют диаметрам передающих трубок, дающих такое же изображение.Чувствительность и разрешение ПЗС-матрицСравнение по чувствительности покажет нам преимущества ПЗС-матриц в отношении видикона иньювикона, а также в отношении эмульсии пленки.В фотографии чаще всего используется пленка в 100 ISO, хотя можно приобрести пленку в 200 ISO(в два раза более чувствительную) или 400 ISO (в четыре раза чувствительнее, чем пленка 100 ISO).Иногда можно даже встретить пленку в 1600 ISO, которая обычно применяется в ситуациях чрезвычайно низкой освещенности (в терминах фотографии).Можно показать, что средняя черно-белая ПЗС-матрица имеет очень высокую чувствительность всравнении с эмульсией пленки.
В ясный солнечный день для типичной пленки в 100 ISO потребуются установки фотокамеры на 1 /125 с и F/16. Если на ту же сцену направить ПЗС-телекамеру, у которой нормальная выдержка CCIR затвора составляет 1/50 с, то следует использовать объектив примерно с F/1000 (плюс-минус одно F-число, так как АРУ телекамеры тоже играет роль). Если мы изменим 1/50 на 1/125 (в 2.5 раза короче), то чтобы получить ту же экспозицию, объектив должен бытьраскрыт на 2.5 значения F-числа шире, чтобы скомпенсировать сокращение времени выдержки. ЭтоИнформация с полупроводниковой ПЗС-матрицы(прибора с зарядовой связью) сфоточувствительными пикселами (элементамиизображения) считывается электроннымиимпульсами специальной формыРис.
5.13. Принцип работы ПЗС-телекамеры«CCTV Фокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV5. Телекамеры в системах видеонаблюдениядаст нам вместо F/1000 примерно F/400 (выпомните F-числа: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8,11,16, 22,32, 44, 64, 88, 128, 180, 250, 360, 500, 720,1000, 1400 и т.д.). Теперь, чтобы перевестичувствительность эмульсии пленки от 100 ISO1/125 и F/16 к эквивалентным установкампленки более высокой чувствительности, зная,что чувствительность увеличивается вдвое судвоением единиц ISO, мы получим изменениедиафрагменного числа в 9.5 раз, от F/16 доF/400. Это примерно 29.5=720 раз. Итак, средняя чувствительность черно-белой ПЗСматрицы, выраженная в фотографическихединицах ISO, равна примерно 100ISOx720=72 000 ISO!129Рис. 5.14.
Элемент изображения ПЗСАналогично мы можем найти, что эквивалентная чувствительность цветной ПЗС-телекамерыравна примерно 5000 ISO, что тоже немало по фотостандартам.Химическая (пленочная) фотография постепенно соединяется с электронными камерами. Говоря окомпьютеризации фотографических процессов и цифровых технологиях, а также о появлении различных фотостандартов CD, следует отметить, что фотокамеры тоже претерпевают революционные изменения, и мы скоро увидим новые фотокамеры на ПЗС с увеличенной светочувствительностью.Такие камеры не зависят от ТВ-стандартов, поэтому нет практически никаких ограничений на числопикселов и соотношение сторон. Даже когда еще только создавалась эта книга, производителиначали изготавливать матрицы размером всего 62 мм х 62 мм, с не менее 5120 х 5120 элементовизображения.
Как уже упоминалось, все это касается фотокамер, и не стоит их путать с телекамерами для видеонаблюдения.Спектральная чувствительность ПЗС-матриц зависит от типа кремниевой подложки, но общаяхарактеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают вкремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет. Типичная спектральная кривая ПЗС-матрицы показана на рис. 5.15.Даже если такое «проникновение» может показаться выигрышным (кажется, что ПЗС-матрица становится более чувствительна), имеются причины предотвращения проникновения более длинныхволн глубоко внутрь матрицы.
В частности, такие волны могут быть настолько сильны, что могутгенерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света.В результате в изображении могут пропастьмелкие детали, потому что заряд ячеек растечется по соседним, теряя при этом компонентывысокого разрешения и вызывая «эффектзаплывания» (blooming). Может быть затронутатакже и масковая зона, предназначенная лишьдля временного хранения зарядов и непредназначенная для засвечивания, в результате чего могут в значительной степени возрасти шум и вертикальный ореол (smear).Поэтому в усовершенствованных ПЗС-телекамерах применяются специальные оптическиеинфракрасные отсекающие фильтры. Этифильтры представляют собой оптическиточные плоскопараллельные пластинки, монРис. 5.15. Спектральная чувствительность глаза и тируемые сверху ПЗС-матрицы.
Они ведутсебя как оптические низкочастотные фильтрыПЗС-матрицыhttp://www. itv. ruITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»1305. Телекамеры в системах видеонаблюденияCCTVс частотой среза порядка 700 нм, вблизи красного цвета.Рис. 5.16. Инфракрасный отсекающий фильтризменяет характеристику спектральнойчувствительности ПЗС-матрицыОднако, ряд производителей черно-белыхтелекамер предпочитает не использоватьтакие фильтры, чтобы не ослаблять их чувствительность. Это приемлемо в тех случаях, когдапредполагается использовать телекамеру вусловиях низкой освещенности или в системувходят источники инфракрасного света, однако с теоретической точки зрения телекамерас инфракрасным отсекающим фильтромимеет более высокую разрешающую способность (по сравнению с такой же ПЗСматрицей без ИК-отсекающего фильтра),лучшее отношение сигнал/шум и болееестественное преобразование цветногоизображения в черно-белое при не такой ужнизкой чувствительности.В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр, так какспектральная характеристика ПЗС-матрицы, которая отлична от характеристик человеческогоглаза, должна соответствовать спектральной чувствительности человеческого глаза.
Это к тому жеодна из причин того, почему цветные ПЗС-камеры менее чувствительны, чем ч/б.Типичная черно-белая ПЗС-матрица безинфракрасного фильтра может дать приемлемыйуровень видеосигнала всего на 0.01 лк. Та жетелекамерасИК-фильтромпотребуетосвещенности на объекте в 0.1 лк.Современные цветные телекамеры характеризуются минимальной освещенностью наобъекте в 2 лк при F/1.4 и дают видеосигналприемлемого уровня (от 0.3 до 0.5 В).Развитие ПЗС-технологии достигло такогоуровня, что стало возможно производствоматриц с несколькими миллионами пикселов.
ВРис. 5.17. Ч/б ПЗС-матрица без инфракрасногоцифровой фотографии 6-мегапиксельные матрицыотсекающего фильтрастали уже привычными, а производители пытаютсядобиться и большего. Что касается системвидеонаблюдения, то здесь мы ограниченыстандартами аналогового телевидения, поэтомусейчас редко встречаются ПЗС-матрицы сразрешением выше, чем, например, 752x584пикселов, что дает примерно 400,000 пикселов.О разрешении и о том, как его измерять, мыподробнее расскажем немного позже, но сейчасхотелось бы остановиться на нескольких оченьперспективных решениях, которые, строго говоря,не являются телекамерами для видеонаблюдения,нопозволяютполучитьоченьвысокоеразрешение.Рис.
5.18. Цветная ПЗС-матрица с инфракраснымОдно из таких решений было разработано комотсекающим фильтромпанией Spectrum San Diego, которое называет «CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV5. Телекамеры в системах видеонаблюденияся SentryScope и позволяет получать изображение с разрешением 21 миллион пикселов. В основе SentryScope лежит линейный ПЗС с 2048пикселами, который формирует изображениепримерно так же, как это делают спутники прифотографировании земной поверхности.
ВSentryScope используется поворачивающеесязеркало, которое отражает на линейный ПЗС линии формируемого изображения. Поворачивающееся зеркало сканирует широкую область, которая эквивалентна 10,000 пикселов. Эта системане создает видеосигнал как таковой, но позволяет формировать изображение (с помощью ПК) сочень высокой степенью детализации.131Рис. 5.19. Различные типы ПЗС-матрицСейчас появилось немало и других интересныхрешений, 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 затеммасштабируется до стандартного разрешения, чтобы получить аналоговый видеосигнал. Основноеотличие предложенного решения заключается в том, что при увеличении участка изображения разрешение не снижается, так как при увеличении фактически "вырезается" часть изображения высокогоразрешения (чуть менее 1 миллиона пикселов).
Для пользователя это похоже на работу с поворотнойтелекамерой 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 4x4телекамеры и направлены на какой-то объект таким образом,что поле их зрения друг с другом немного пересекается.Полученные изображения передаются на стену, состоящую из3x3 или 4x4 мониторов, что дает суммарное разрешение от 3.6до 6.4 миллионов пикселов. В результате получается оченьбольшое и детализированное изображение, которое можнозаписать и на обычный цифровой видеорегистраторстандартного разрешения.Рис.
5.20. Телекамера Sentry-Scope с ПЗС-матрицей и разрешением 21 миллион пикселовпозволяет разглядеть очень мелкие деталиhttp://www. itv. ruITV — генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»1325. Телекамеры в системах видеонаблюденияCCTVТипы переноса зарядов в ПЗСВ отношении способа переноса заряда используемые в видеонаблюденииПЗС-матрицы можно подразделитьнатри группы.Самый первый проект, относящийся кначалу 1970-х, назывался покадро-вым переносом (frame transfer).Такой тип ПЗС-матриц разделен надве области равного размера —область изображения и маску, однанаходится над другой.Рис. 5.21.
Телекамера от Со-Vi с матрицей 1280x720 пикселовОбласть изображения подвергается воздействию света в течение 1/50 с в соответствии сCCIR 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 нарис. 5.24). В общем, весь «кадр изображения» «спускается» вниз.Обратите внимание на перевернутость спроецированного изображения, именно так оно выглядит вреальной ситуации, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
