Ремонт дома

Рис.2Иллюстрация "смаза" изображения и эффектарастекания заряда при наблюдении нитинакаливания в телекамере на матрицах ПЗС фирмыSONY.

Значительно меньшая величина смаза отярких объектов улучшает качество изображения втелекамерах на новых матрицах SONY при работе днемв условиях световых перегрузок. Однако, нужноотметить, что в большинстве новых камер нереализованы все преимущества матриц серии EXWAVEHAD. Это объясняется тем, что другие комплектующиеизделия телекамер (синхрогенераторы, драйверы, усилители) рассчитаны на работу в стандартныхрежимах, соответствующих обычным матрицам ПЗС.

Рис 3. Зависимость интегральногосигнала "смаза" изображения для телекамерна стандартной матрице ПЗС ICX055BL и EXWAVEHAD ПЗС типаICX255AL от времени накопления при частоте полей 50Гц.

Из рисунка 3 видно, что в EXWAVEHAD ПЗС можнона порядок уменьшить минимальное времяэкспозиции в режиме электронного затвора, посравнению со стандартными ПЗС, что позволитрасширить диапазон рабочих освещенностей вкамере с объективом с постоянной диафрагмой до100000 люкс. Этого значения достаточно длянадежного наблюдения объектов при солнечномосвещении.

3.3 Влияние режима матрицы ПЗС наустойчивость к световым перегрузкам.

Качество работы телевизионнойкамеры при сильных световых перегрузках (Солнцеили прожектор в поле зрения) зависит не только отразмера фоточувствительной ячейки (формата ичисла элементов матрицы ПЗС) и типа объектива. Взначительной степени, способность выдерживатьперегрузки определяется методикой настройки исхемой телевизионной камеры. Многиепроизводители телекамер в погоне за низкойсебестоимостью упрощают схемы, исключаяподстроечные элементы. В результате, из-заразброса параметров матриц ПЗС, камеры одной итой же модели значительно отличаются друг отдруга по перегрузочной способности.

Рис. 4  Иллюстрация уменьшенияперегрузочной способности телекамеры на матрицеПЗС при неправильно установленных режимах Xsub и RZ.

Помимо оптимальной настройки режимов, заметное влияние на качество наблюдения приярком свете оказывает схема управления матрицейПЗС. При перегрузке в несколько раз возрастаетток по цепям вторичного питания, поэтому от ихмощности и стабильности зависит точностьподдержания режима, а следовательно и степеньпроявления эффекта растекания заряда. Следуетотметить, что, как правило, режимы, обеспечивающие оптимальность наблюдения ночью иднем различны. В результате разработчики камервыбирают компромиссный режим, что приводит кдополнительным потерям изображения приперегрузках. Например, для улучшения точностисхемы привязки уровня "черного" при малойосвещенности, в камерах на матрицах SONY, Samsung, SHARPфиксация уровня выполняется как по передним, таки по задним холостым элементам ПЗС. При световыхперегрузках, растекающийся заряд попадает в"задние холостые элементы", что приводит кискажению работы схемы фиксации, вплоть дополной потери изображения, в случаях, когдаизображение яркого объекта проецируется направый край матрицы ПЗС.

Для расширения диапазона рабочихосвещенностей телекамер, нужно изменять режимработы матрицы ПЗС днем и ночью. Максимальныйвыигрыш от переключения режимов матрицы ПЗС вночных и дневных условиях, достигается в камерахна матрицах ПЗС серии EXWAVEHAD. Например, втелекамере VBP-551 производства российской фирмыЭВС при использовании объективов с постояннойдиафрагмой обеспечивается наблюдение объектов сосвещенностью 100000 люкс и устойчивость присветовых перегрузках. Такие характеристикиобеспечиваются минимальным временем экспозициив режиме электронного затвора 1/1000000 секунды иадаптивным переключением режимов ПЗС день — ночь.

Рис.5 Уменьшениеплощади растекающегося заряда в камере VBP-551 садаптивным режимом ПЗС — а), по сравнению состандартной камерой WAT-902H — б). В камерах былустановлен один и тот же объектив c постояннойдиафрагмой F(1,8). Эквивалентная освещенностьспирали лампы накаливания мощностью 75 Вт около 10⁶люкс.

3.4 Ограничение контраста вобъективах. Рассеяние света в линзах, блики иискажения.

Важнейшим элементом телевизионнойкамеры, определяющим качество изображения приярком солнечном свете, является объектив. Различия в качестве объективов, даже в рамкаходного класса очень велико. Следует отметить, чтодля эффективной работы днем в условиях световыхперегрузок, важными становятся некоторыепараметры, не регламентированные в паспортныхданных на большинство имеющихся на рынкеобъективов.

Минимальное относительное отверстиедиафрагмы объектива обычно указывается впаспортных данных и находится в пределах Fмин.=(32…..360). Диапазон регулирования освещенности спомощью диафрагмы равен квадрату отношенияминимального и максимального относительныхотверстий. Для стандартных объективов приполностью открытой диафрагме обычно Fмакс.=1,2.Учитывая, что максимальная рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20мс (выключенный режим электронного затвора),составляет примерно 20 люкс, можно определитьмаксимальную допустимую освещенность, обеспечиваемую данным объективом.

Таблица 2. Диапазон регулированияосвещенности и максимальная наблюдаемаяосвещенность на объекте в зависимости отминимального относительного отверстия АРДобъектива.

Минимальное относительное отверстие 32 64 128 360 Диапазон регулирования освещенности 700 2800 11000 90000 Максимальная освещенность на объекте лк. 14000 50000 200000 1000000 Применение при солнечном свете Нет Нет Да Да

Из таблицы видно, что простые АРДобъективы с минимальными относительнымиотверстиями F(32) и F(64) непригодны дляиспользования при ярком солнечном свете. Нужноотметить, что для надежной работы камеры вусловиях световых перегрузок необходим нетолько широкий диапазон регулированияосвещенности в объективе, но и линейностьрегулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. Принедостаточной линейности возможносамовозбуждение (мигание изображения) в системекамера — объектив при максимальных уровняхосвещенности. К сожалению, регулировочнаяхарактеристика, как правило, не приводится впаспортных данных на объективы. Лучшими полинейности являются широкодиапазонныеобъективы с миниатюрными пленочнымисветофильтрами, установленными на участкидиафрагмы объектива.

Блики и искажения, обусловленныедиафрагмой объектива.

При неудачной конструкции объектива, из-за отражения света от его внутреннихповерхностей и, в первую очередь от диафрагмы, образуются блики. Как правило, максимальныйуровень бликов имеют объективы с минимальнымдиапазоном регулирования диафрагмы.

Рис.6 Наблюдение яркого источникасвета через объектив с сильными бликами.

При определенных углах между осьюобъектива и осью, направленной на яркий объектуровень бликов может стать недопустимым иприводит к частичной потере изображения припопадании яркого источника в поле зрениятелевизионной камеры. К сожалению, никакихпараметров, касающихся бликов объективов впаспортных данных не приводится, поэтому, приходится вести самостоятельныйстатистический отбор объективов, имеющихминимальные блики.

Дополнительное ограничение навозможность наблюдения максимального контрастав одном поле накладывает рассеяние света влинзах и переотражение света от стенок и другихвнутренних элементов объектива. Ухудшаетситуацию и то, что современные матрицы ПЗСчувствительны в ближнем ИК диапазоне. Поэтомучерные и матовые на первый взгляд внутренниеповерхности объектива могут оказаться"белыми" в инфракрасной области спектра иусилить вредный эффект. Рассеяние света в линзахи переотражения света внутри объективапроявляются как дополнительная, ровнаяподсветка, уменьшающая контраст изображения. Напервый взгляд, это может показаться полезным, какестественный способ уменьшения контраста. Насамом деле рассеяние света приводит к двумотрицательным моментам:

• Возрастает шум в темных участках изображения, так как к шуму считывания выходного устройства добавляется значительно больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, при этом безвозвратно теряются темные детали изображения.
• Происходит заметное "расширение" границ ярких объектов, при этом расширенные границы маскируют и не позволяют наблюдать близлежащие темные объекты.

Рис. 7. Иллюстрация расширенияграниц яркого объекта в объективах созначительным светорассеянием.

К сожалению, характеристикисветорассеяния также не приводятся в паспортныхданных на объективы, поэтому, также необходимовести статистический учет по этому параметрусамостоятельно. Нужно отметить, чтосветорассеяние в объективах с пластмассовымилинзами заметно больше, чем в стеклянных. Поэтому, для телекамер, работающих в условияхяркого солнечного света, целесообразноиспользовать объективы только со стекляннымилинзами. Меньшее светорассеяние оказывается и вобъективах с линзами, на которых нанесеныспециальные интерференционные пленки, ослабляющие инфракрасную составляющую спектра. Однако, использовании таких объективов не всегдадопустимо, так как с ними в 2 -3 раза ухудшаетсячувствительность черно-белых камер ночью.

4.1 Гамма коррекция.

Гамма коррекция являетсяобязательным элементом любой телевизионнойкамеры. С помощью этого вида нелинейнойобработки сигнала происходит согласованиелогарифмического закона восприятияосвещенностей человеческим глазом с линейнойзависимостью свет-сигнальных характеристиктелекамеры и видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в дополнительномусилении слабых уровней сигнала. В телекамерахиспользуют различные степени гамма коррекции от0,7 до 0,45.

Рис.8 Амплитудные характеристикиузла гамма коррекции в микросхеме CXA1310AQ (SONY),которая применяется во многих современныхчерно-белых телевизионных камерах [ 3 ] .

При работе камеры в условияхсолнечного света, целесообразно устанавливатьменьшее из возможных значений гамма коррекции -0,45, что позволит несколько расширить диапазоннаблюдаемых освещенностей сверху. Режим гаммакоррекции, создает комфортное, "правильное"визуальное соотношение освещенностей, исдвигает вверх нижний уровень наблюдаемыхосвещенностей. Но указанное преимуществодостигается ценой следующих недостатков:

• В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.
• ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.

Поэтому, при включенной гаммакоррекции, несмотря на расширение, визуальнонаблюдаемого диапазона освещенностей, становится большей вероятность пропускапоявившегося в поле зрения малоконтрастногообъекта со средней освещенностью.

4.2 Режим наблюдения против света"Back Light Compensation".

Появившийся несколько лет назад иактивно рекламируемый режим "BLC"предназначен для наблюдения объектов в сложныхусловиях — против света. Схемотехнически онобычно выполняется в виде переключения пороговсрабатывания электронного затвора (или опорногоуровня в АРД объективе) и системы АРУ так, что онистановятся на 10 — 20% выше обычного. В результате, самые яркие объекты (например, светлое окно)"зарезаются в белом", а объекты среднегоуровня (лицо человека, стоящего перед окном)усиливаются и становятся хорошо видимыми. Такимобразом, режим "Back light compensation" не расширяетдинамический диапазон, а сдвигает его с цельюлучшего наблюдения более темных объектов, ценойпотери ярких объектов. Существуют модификациирежима в виде дополнительного переключения"окон", в которых срабатывают схемыавтоматического регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант реализации режима BLCс преобразованием верхних уровней сигнала в"негативное изображение" (телекамеры фирмыJAI).

Режим "BLC" полезен в ряде случаевтелевизионного наблюдения, но к сожалению, егонельзя использовать в автоматическом виде, таккак камера "не знает", когда оператораинтересует объект перед ярко освещеннойповерхностью, а когда важным являетсяизображение самой этой поверхности. В настоящеевремя, появились дистанционно управляемыетелекамеры, в которых режим "BLC" операторможет оперативно включить или выключить.

4.3 Цифровая обработка сигнала икамеры "Super dynamic".

Несомненно, будущее за цифровойобработкой сигнала в телевизионных камерах. Ноесть серьезные препятствия, не позволяющиесовременным черно-белым камерам с цифровойобработкой сигнала стать бесспорными лидерамителевизионного рынка. В первую очередь этоограничение по стоимости, габаритам иэнергопотреблению. Если установить в телекамерупроцессор уровня Pentium IV, 16-ти разрядные АЦП и ЦАП, ОЗУ большого объема и т. д., она станетнедосягаемой для 99% применений. Поэтому в камерыустанавливают упрощенные специализированныепроцессоры DSP и АЦП с небольшой разрядностью, какправило 8, иногда 10. Результатом является низкаяэффективность цифровой обработки сигнала иотсутствие заметных преимуществ цифровых камерперед аналоговыми, за исключением сервисных. Тригода назад я был удивлен низкому качествуизображения накрученной камеры WV-BP-510 с цифровымпроцессором, детектором движения, режимом SensitivityEnhancer. По качеству изображения в дневных условияхона значительно уступала предшествующейаналоговой модели WV-BP310 той же фирмы Panasonic. Причина — малое число уровней квантования в АЦПи ЦАП в этой камере, что визуально наблюдалось ввиде грубого квантованного изображения схарактерным "квадратно-гнездовым" шумом. Еще одним примером недостаточно высокойэффективности цифровой обработки сигналаявляется знаменитый комплект "Super dynamic"-матрица CCD и DSP процессор той же фирмы, использованный в камере WV-BP-554. Великолепная идеяполучения в одном поле двух сигналов, суммарныйдинамический диапазон которых в 40 раз превышаетстандартный, эффектно изображенная в рекламныхпроспектах, понравилась даже неспециалистам.

а)

б)

в)

Рис. 9 Иллюстрацияспособа расширения динамического диапазона длякамер серии "Super dynamic" — а), топологиястандартной и "Super dynamic" матриц ПЗС — б) имеханизм преобразования сигналов в DSP процессоре — в) из рекламного проспекта фирмы Panasonic.

Только потом возникли вопросы: а какэто получается, при 10-ти разрядных АЦП и ЦАПах? Немешает ли обработке рассеяние света в объективахи т. д.? Кроме того, динамический диапазон каждогоэлемента матрицы "Super dynamic" должен быть, какминимум, в 2 раза меньше стандартного исоответствовать матрицам формата 1/5 дюйма. Последнее обусловлено тем, что сигналы двухполей одновременно хранятся в одной матрице ПЗСформата 1/3 дюйма (рис. 9 б). После испытаниязнаменитой камеры оказалось, что только путемдлительной настройки удается получитьдинамический диапазон такой же, как у обычныхтретьдюймовых камер. Камеры на матрицах 1/2 дюймаоднозначно превосходили "Super dynamic" по всемпараметрам, несмотря на заложенную интереснуюидею и все хитросплетения цифровых методовобработки. Жаль, а так хотелось чуда…Вспоминается старая шутка, которую любилимастера лампового телевидения 60 — х годов:"Гамма коррекция хороша тем, что ее можновыключить". К сожалению, это изречение вполнеактуально и для режимов BLC и Super Dynamic.

Важно не только правильно выбратьтелевизионную камеру и объектив, но и наилучшимобразом ее установить. Перечислим практическиеправила, обеспечивающие лучшую защиту отсветовых перегрузок.

• Угол поля зрения объектива по возможности следует выбирать минимальным.
• На камеру нужно установить светозащитный козырек с темной матовой внутренней поверхностью. Его длина должна быть максимальной, такой, чтобы его верхний край был чуть-чуть виден на изображении.
• Камеру следует установить как можно выше, так, чтобы она смотрела сверху вниз, и площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
• При очень узких углах поля зрения (менее 10 угловых градусов) непосредственно на объектив следует надевать светозащитную бленду с матовой темной внутренней поверхностью. Бленда заметно уменьшает рассеяние света в линзах узкоугольных объективов.
• Если в поле зрения камеры есть небо, и в некоторые моменты времени может попадать Солнце, на верхнем краю защитного козырька целесообразно закреплять нейтральный светофильтр с ослаблением 5 -10 раз так, чтобы на изображении он перекрывал небо, или, как минимум, зону возможного прохождения Солнца.
• В камерах на комплектах микросхем фирм SONY, Samsung, Sharp следует прикрывать непрозрачным материалом правый край изображения (место расположения задних холостых элементов CCD).
• Перед установкой на объект камеру с установленным объективом следует проверить на устойчивость при наблюдении прямого Солнца, ярких облаков и нити лампы накаливания, наблюдаемой "в упор". В случае самовозбуждения системы объектив-камера следует увеличить порог срабатывания диафрагмы объектива, что позволит ценой некоторого ухудшения качества изображения гарантировать устойчивость ее работы.

5.2 Дистанционное управлениетелевизионными камерами.

Автоматические регулировки и режимыадаптации, заложенные в телекамерах, не всегдаоптимально работают при наблюдении в условияхсветовых перегрузок. Поэтому, в настоящее времястали появляться телекамеры с дистанционноуправляемыми параметрами. Наиболеераспространены камеры с управлением попротоколу RS-485, широко используемому вкомпьютерных приложениях. Преимуществами этоговарианта дистанционного управления являются:

• Большая дальность управления, превышающая 1 км,
• Низкая стоимость кабеля управления, возможность использования витой пары.
• Возможность подключения к одному кабелю нескольких десятков телекамер без дополнительных расширителей.
• Возможность управления системой телевизионных камер, как от специального пульта управления, так и от компьютера.
• Единый стандарт протокола управления, обеспечивающий установку в одной системе камеры разных производителей.

В современных камерах с управлением попротоколу RS-485 заложены возможности регулировкибольшого числа параметров, а также режимытелеметрии, позволяющие дистанционнодиагностировать камеру, определять окружающуютемпературу, напряжение питание на входе камерыи т. д. При наблюдении в условиях солнечногоосвещения наибольший эффект обеспечатдистанционные регулировки диафрагмы объектива ивремени экспозиции, регулировка усиления, переключение режимов гамма коррекции и режимовнаблюдения против света.

В компьютеризированных телевизионныхсистемах появляется новая возможностьпрограммного управления параметрами телекамер взависимости от времени дня и года. Оно позволитне только улучшить качество наблюдения, но иуменьшить возможные ошибки операторов внаиболее сложных условиях наблюдения. Другойполезной возможностью может стать программнаясамонастройка и самодиагностика телевизионнойсистемы с управляемыми телекамерами, котораяможет выполняться периодически по заданномуалгоритму без требуемой ранее рутинной работымонтажников и операторов.

Таблица 3. Телевизионные ПЗС камеры сдистанционным регулированием параметров поинтерфейсу RS-485.

Телекамера Фирма Матрица ПЗС Режимы против света WV-BPR550 Panasonic, Япония D-CCD Super dynamic VBS-555 ЭВС, Россия ExwaveHad CCD BLC, адаптивный режим VCC-9200P Sanyo, Япония CCD BLC ICD-700P Ikegami, Япония ExwaveHad CCD BLC SDZ-160 Samsung, Корея SuperHad CCD Super BLC

Для обеспечения надежноготелевизионного наблюдения в условиях солнечногоосвещения и световых перегрузок следует:

1. Использовать объективы с автоматической диафрагмой, выбирая модели с минимальным значением относительного отверстия не хуже F(360), с малым светорассеянием и бликами.
2. Применять телекамеры с матрицами ПЗС форматов не менее 1/2 — 1/3 дюйма серии EXWAVEHAD фирмы SONY, имеющие наименьший "смаз" изображения от ярких объектов. Учитывать, что матрицы стандартного разрешения в полтора раза превосходят матрицы высокого разрешения по максимальному наблюдаемому контрасту.
3. При необходимости установки объективов с постоянной диафрагмой, следует выбирать камеры с электронным затвором, реализующие минимальную экспозицию 1/1000000 секунды и имеющие систему автоматического переключения режимов ПЗС "ночь — день". Такие камеры обеспечат минимальные потери информации при наблюдении в условиях световых перегрузок.
4. Использовать светозащитные козырьки или бленды максимально возможной длины с темным матовым внутренним покрытием.
5. Камеры на местности устанавливать как можно выше, чтобы площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
6. В наиболее сложных условиях наблюдения целесообразно применение телекамер с дистанционно регулируемыми параметрами, которые позволят операторам быстро и оптимально подстраивать режимы камер к изменяющимся условиям наблюдения.
7. Для расширения визуально наблюдаемого диапазона освещенностей следует выбирать черно-белые видеомониторы больших размеров с максимальной яркостью свечения экрана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Телевидение: Учеб. Пособие для вузов /Р. Е. Быков, В. М. Сигалов, Г. А. Эйсенгардт; Под ред. Р. Е. Быкова — М.: Высш. Шк., 1988. — 248 с.: ил.
2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В. В. Поспелова, Р. А. Суриса. — М.: Мир. 1978. — 327 с.
3. Single Chip Processing for CCD Monochrome Camera CXA1310AQ. Data book "CCD Area Image Sensor", SONY Corporation Semiconductor Company, 1996. P 1200 — 1212.