Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете: защита камер наружного видеонаблюдения от световых перегрузок — Как сделать самому?
Вместо введения.
Задесять лет работы в области охранноготелевидения, я регулярно наблюдаю одну и ту жекартину. Хмурой осенью бригада монтажниковвозвращается с объекта. Телекамеры установлены, система функционирует, комиссия приняла работу. Запомнились отзывы начальника охраны, которыйбыл доволен тем, как хорошо телекамеры»показывают» ночью, и какая высокая четкостьизображения днем. Но наступает весна, и начинаюттрезвонить телефоны… Оказывается, что при яркомсолнечном свете, некоторые камеры «уходят вбелое», другие работают с искажениями, «белымистолбами», потерей изображения на значительнойплощади фотоприемника и так далее. Затем идутрекламации, командировки, замены камер иобъективов, потеря времени и денег.
При построении телевизионных систем, особое внимание обращают на наблюдение ночью. Выбирают камеры с чувствительнымифотоприемниками, светосильные асферическиеобъективы, применяют систему искусственнойподсветки объектов и территорий. При этом частозабывают об особенностях наблюдения днем, считая, что если света много, то и так все будетвидно. Однако, именно при ярком солнечном светевозникают ситуации, когда на изображении, формируемом охранной телекамерой возможнапотеря не только больших участков, но и всегоизображения. В настоящей статье рассматриваютсяособенности наблюдения при ярком солнечномосвещении.
1. Абсолютный контрастизображения.
Главной причиной, приводящей кухудшению качества видеонаблюдения в дневныхусловиях, является высокий абсолютный контрастизображения, то есть, отношение освещенностейсамого яркого и самого темного из наблюдаемыхобъектов. Ночью абсолютный контраст может бытьменее 100, в случае, когда объекты освещенырассеянным светом ночного неба.
Рис 1. Иллюстрация увеличенияконтраста изображения при увеличенииосвещенности.
Днем абсолютный контрастувеличивается до десятков тысяч, а при попаданииСолнца в поле зрения телевизионной камеры и домиллиона раз. Такое увеличение контраста вызваноусловиями освещенности сложной поверхности отединственного источника света — Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшатьсядо 100 люкс и менее, при освещенности светлыхповерхностей под прямым солнцем более 100000 люкс. Освещенность бликов от блестящих поверхностей иводы может доходить до 10 6 люкс, а эквивалентнаяосвещенность диска Солнца по некоторымоценкам достигает 108 люкс, то есть 100миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не всостоянии наблюдать одновременно (в одном полезрения) объекты, отличающиеся по освещенности вдесятки и сотни тысяч раз. В таких ситуацияхнеизбежны потери видеоинформации на некоторыхучастках изображения. Задача проектировщикасостоит в сведении к минимуму потерь, возникающих при работе телевизионной системы вусловиях световых перегрузок.
2. Отличия естественного ителевизионного наблюдений.
Диапазон воспринимаемых глазомосвещенностей приближается к миллиарду. Однако, днем мы не видим звезд на небе, хотя абсолютныйконтраст небо — звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительностьчеловеческого глаза всего 2% [ 1 ] , поэтомуразличимый абсолютный контраст не превосходит 50.Отдельные участки миллиардного диапазона глазможет рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности. Наблюдая за местностью, человек по очередипереводит взгляд с одного объекта на другой. Еслиобъект яркий, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдательзащищает глаза от слепящего Солнца ладонью.
Наблюдениебольшого диапазона освещенностей человеческимглазом возможно только путем перевода взгляда стемных на яркие объекты и обратно.
Телевизионная камера, обычно, закреплена неподвижно. Поэтому, в ее поле зренияобъекты с большим абсолютным контрастом могутпопадать одновременно. Оператор телевизионнойсистемы наблюдает изображение на видеомониторенебольших размеров. В результате, система "телекамера — монитор — глаз" не обладаетпреимуществами, возникающими при естественномнаблюдении за счет перевода взгляда ипоочередного рассматривания ярких и темныхобъектов. Далее мы будем обсуждать возможностьтелевизионного наблюдения объектов с различнойосвещенностью одновременно, то есть "в одномтелевизионном поле". В этом случае неизбежнапотеря видеоинформации на ярких и темныхучастках сцены. Дополнительное сужениенаблюдаемого контраста происходит из-занедостаточной яркости экрана монитора иискусственного освещения внутри помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитораменее 500 люкс, что ухудшает контрастнуючувствительность глаза, максимальную только вобласти нескольких тысяч люкс. При наблюденииизображений на цветных, и тем более компьютерныхвидеомониторах (эквивалентная освещенностьэкрана последних менее 100 люкс) диапазоннаблюдаемых освещенностей глазом уменьшаетсяеще больше. Поэтому, при телевизионномнаблюдении освещенных Солнцем территорий иобъектов, необходимо использовать мониторы смаксимальной яркостью свечения экрана. Высококонтрастный монитор с большим размеромэкрана расширит диапазон наблюдаемыхосвещенностей и уменьшит вероятность потеричасти изображения при сложных условияхосвещения.
3. Ограничения контрастаизображения в одном поле телевизионной камеры.
Световое изображение проецируетсяобъективом на фоточувствительные элементыматрицы ПЗС. Динамический диапазон элементовопределяет диапазон рабочих освещенностейтелевизионной камеры в одном поле. Фотоны света, преобразуются в фотоэлектроны, попадая вфоточувствительные ячейки, поэтому при расчетесигнальных и шумовых характеристик удобноиспользовать единицу измерения заряда — электрон.
3.1 Зависимость максимальногоконтраста от площади фоточувствительногоэлемента.
Максимальный контраст определяетсяотношением максимального и минимальногоразличаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называетсяуправляющей способностью ПЗС [ 2 ] , котораяпропорциональна геометрической площади иглубине потенциальной ямы элемента. В матрицахПЗС зарядовые пакеты, перемещаясь к выходномуустройству, проходят несколько секций переносазаряда. Наименьшими потенциальными ямамиобладают элементы секций накопления и хранения, которые в первую очередь ограничивают уровеньзаряда. В современных матрицах ПЗС форматами 1/6 -1/2 дюйма с объемным каналом переноса зарядауправляющая способность элемента находится впределах от 12000 до 300000 электронов. Минимальноеколичество электронов, определяетсясреднеквадратическим значением шума считыванияматрицы ПЗС и составляет 20 — 40 электронов взависимости от емкости затвора первоготранзистора выходного устройства. Следовательно, динамический диапазонсовременных ПЗС камер находится в пределах от 600до 7500. Чтобы получить значения максимальныхконтрастов, следует разделить эти значения на 10,так как, только начиная с такого отношениясигнал/шум можно различать объекты наизображении. Подставляя из справочных данныхплощадь фоточувствительных элементов, можнонайти максимальный контраст для матриц ПЗСразных форматов и разрешения.
Таблица 1. Максимальный контраст, реализуемый в стандартных матрицах ПЗС фирмы SONYв зависимости от площади фоточувствительногоэлемента*.
Формат матрицы ПЗС (дюйм)
1/2"
1/3"
1/4"
1/5"
1/6"
576 x 500 Площадь элемента (мкм)
138,9
61,7
34,3
22,0
15,4 Максимальный контраст (раз)
750
380
200
130
90
576 x 752 Площадь элемента (мкм)
71,4
40,6
22,6
14,4
10,4 Максимальный контраст (раз)
500
260
130
80
60
- Для матриц серии EXWAWEHAD значения максимального контраста нужно умножить в 1,3 раза.
Из таблицы 1 видно, что телекамеры сфотоприемниками формата 1/2 дюйма, обеспечиваютмаксимальный диапазон рабочих освещенностей, тоесть обеспечивают минимальные потери информациипри наблюдении контрастных изображений всолнечные дни. Однако, высокая стоимостьтелекамер на полдюймовых матрицах ПЗС непозволяет применять их в большинстве системохраны. При ограниченных средствах оптимальноиспользование камер с матрицами ПЗС формата 1/3дюйма стандартного разрешения, лучшей из которыхпо диапазону рабочих освещенностей в настоящеевремя является ICX255AL фирмы SONY.
3.2 Ограничение контраста в режимеэлектронного затвора. "Смаз" и растеканиезарядового изображения в матрице ПЗС.
При использовании объективов спостоянной диафрагмой, для адаптации камеры куровню освещенности используют режимэлектронного затвора (electronic shutter). В этом режимепри увеличении освещенности автоматическиуменьшается время накопления заряда в матрицеПЗС, а значит и чувствительность. Современныекамеры обеспечивают минимальное времяэкспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды. Но дажепоследнего значения недостаточно для надежногонаблюдения объектов, освещенных солнечнымсветом. При установке в камеру стандартногомалогабаритного объектива с резьбой М12 иотносительным отверстием F 1,8, при экспозиции1/100000 матрица ПЗС перестает видеть приосвещенности на объекте более 30000 люкс, чтонедостаточно для наблюдения при солнечномосвещении. При наблюдении будут потеряныизображения белых стен зданий, снега, облаков, итем более, блестящих на Солнце объектов. Казалосьбы, можно уменьшить время накопления до одноймиллионной секунды и менее, что схемотехническине сложно. Но уменьшению времени накопления встандартных матрицах ПЗС препятствует"смаз" изображения. На параметр "Smear"равный 0,005% для стандартных матриц CCD обычно необращают внимания, как на малозначительный. Однако, столь малая величина "смаза"получается только при полном времени накопленияравном 20 миллисекунд. При экспозиции 1/100000секунды сигнал "смаза" возрастает в 2000 раз истановится равным 10%, что проявляется в видехорошо заметных "белых полос" сверху и снизуярких объектов на изображении. Если же, освещенность объекта выше максимальнойосвещенности более чем в 10 раз (нить накаливаниялампы, Солнце), то величина "смаза" превышает100% и возникает эффект "растекания заряда поповерхности матрицы ПЗС" — блюминга (Bloomin