Термин «разрешающая способность» на удивление трудно понять в полной мере. Если говорить что другой термин того же значения, хоть и близкий, - «разрешение», более понятен для большинства пользователей. Но разобраться со всеми нюансами его использования в видеонаблюдении очень непросто.

Заданием данной публикации является осветление следующих моментов:

1. В чем заключается традиционное понимания «разрешения», способность различать детали? В чем состоят ограничения подобного подхода?
2. Что означает разрешение в видеонаблюдении, число пикселов? Что ограничивает использование подобной метрики?
3. В чем отличия между разрешением матрицы и разрешением передачи потока?
4. Как сильно компрессия может повлиять на разрешение?
5. Чем ограничивается значение разрешени?

Разрешение - способность различать детали

В переводе с традиционного английского языка слово «разрешение» переводится, как способность различать детали. Например, можете ли вы в таблице, которую используют для проверки зрения, рассмотреть самую нижнюю строчку? А насколько четкое изображение сможет показать камера, когда снимки с нее будут просматриваться через монитор смежных штрихов? Именно это и является основным показателем качества, который ориентируется на результат.

Так уж получилось, что в отрасли видеонаблюдения обычно используют именно такой подход. Разрешающую способность камеры измеряли количеством телевизионных линий, то есть, измерялось количество штрихов, которое может обеспечить камера на мониторе. Чем больше штрихов можно увидеть, тем больше можно будет разглядеть деталей, которые снимала камера из реального мира - черты лица человека, номера автомобиля, и прочее.

В чем же состояли ограничения такого подхода? На самом деле все достаточно просто. Дело в том, что разрешающую способность камер, то есть количество линий на мониторе, всегда измеряли в условиях с хорошим освещением. Но само собой, что камера не может выдавать такое же качество картинки, если ее засветит солнце, или наоборот, освещение будет отсутствовать. Тогда, конечно же, качество съемки значительно ухудшается. Еще одну дополнительную сложность представляет тот факт, что невозможно измерить определенный алгоритм изменения качества съемки, для всех камер изменения будут разными.

Теоретически такой подход может быть применен для измерения качества камеры, но не стоит забывать, что точный результат он показывает только в идеальных условиях, которых в реальности добиться почти невозможно.

Разрешение - число пикселей

В наше время, когда большинство систем видеонаблюдения было переведено на , производители так же применяют в их отношении попытки измерить качество общее качество съемки. Для этого просто подсчитывают количество физических пикселей в матрице видеокамеры. Принято считать, что чем больше пикселей (так же, как раньше ориентировались на количество телевизионных линий) может выдавать видеокамера, тем выше будет качество изображения.

По аналогии с классическим измерением разрешающей способности камеры, которое проводилось в идеальных условиях, производители и сейчас продолжают игнорировать проблемы, которые могут повлиять на качество съемки.

Бывают, конечно, некоторые исключения, но в большинстве случаев, чем хуже освещенность, тем ниже будет качество съемки и тем ниже будет реальная разрешающая способность камеры. Например, камеры со сравнительно небольшим количеством пикселей благодаря лучшей технологии обработки изображения могут обеспечить гораздо более высокое качество съемки, как при ярком освещении от солнца, так и в условиях широкого динамического диапазона освещения.

Но, несмотря на это, сейчас количество пикселей считается одной из основных характеристик приборов видеонаблюдения. Несмотря на все эти ограничения, стоит всегда помнить, что ведя разговор на тему разрешающей способности, чаще всего даже профессионалы при этом имеют в виду не саму разрешающую способность, а количество пикселей. Кроме того, разрешающая способность может проявляться и в других формах.

При равных условиях, чем большим будет разрешение камеры (число пикселей), тем больше она будет стоить. И хотя камера может обладать многими характеристиками, всегда помните о том, что при низкой освещенности или большой ширине динамического диапазона качество картинки может сильно меняться.

В таблице приведены примеры разрешения камер видеонаблюдения, наиболее часто встречающихся на своременном рынке безопасности:

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.

Для того чтобы понять, как влияет структура ПЗС матрицы и расположения цветных фильтров на разрешающую способность изображения, необходимо вспомнить, как формируется изображение у большинства цифровых камер, и в чем основные отличия технологии SuperCCD.

Стандартная для современных ПЗС матриц структура цветных фильтров с основными цветами, больше известная как структура Байера или Bayer pattern (по фамилии инженера фирмы Кодак, получившего патент на изобретение этой структуры фильтров). Подобная структура оказалась дешевой и простой альтернативой трехматричным видеокамерам, у которых изображение расщепляется с помощью специальной призмы на три изображения, которые попадают на три черно-белые ПЗС матрицы, перед каждой из которых установлен свой фильтр одного из основных цветов (красный, зеленый, синий). Основным недостатком подобных структур является либо резкое падение разрешающей способности (в случае практически точного восстановления сигнала в одной точке, формируемой четырьмя пикселами), либо появление цветных артефактов при попытке выделения яркостного сигнала из всех пикселов (алиасинг) и потеря точности цветопередачи. Поэтому, как правило, с помощью различных алгоритмов цветовой интерполяции получают значения недостающих цветов в каждом из пикселов, а яркостной сигнал выделяют из всех пикселов структуры. После этого обычно применяют фильтр низких частот, не пропускающий сигналы с пространственными частотами выше 1/(1.5...2 х размер пиксела) для подавления артефактов цветовой интерполяции. Таким образом выполняется процедура антиалиасинга, подавляющая артефакты в яркостном канале (для подавления алиасинга в цветовых каналах, видимого обычно как цветной муар, используется фильтрация с более низкими пространственными частотами).

Однако, как бы ни были совершенны алгоритмы цветовой интерполяции, разрешающая способность изображения, полученного таким путем в красном и синем каналах будет значительно ниже разрешающей способности в канале яркости и зеленом канале (так как зеленых фильтров вдвое больше, чем красных и синих). Как правило, это не приводит к ощутимому ухудшению резкости изображения, так как человеческий глаз использует подобные структуры (нерегулярные) и имеет низкую чувствительность к мелким цветным деталям. Как видно из рисунка, в среднем каждый зеленый пиксел при цветовой интерполяции увеличивает свой эффективный размер в 1.5 раза, а красные и синие пикселы увеличивают свой эффективный размер в 2 раза (в 4 раза по площади). Интересной (и весьма неприятной) особенностью такого расположения фильтров является тот факт, что разрешение матрицы на диагоналях получается более высоким, чем на вертикальных и горизонтальных линиях, так как плотность расположения ячеек на диагональных линиях оказывается в 1.4 раза выше, чем на вертикальных и горизонтальных линиях. Это можно было бы расценивать как некоторую особенность Байеровской структуры, если бы не два весьма значимых субъективных фактора:

1. Как выяснилось в специально поставленных экспериментах, человеческое зрение более чувствительно к вертикальным и горизонтальным линиям, чем к диагональным (при условии нахождения человека в вертикальном положении, разумеется). Дело в том, что глаз постоянно совершает микроскопические "сканирующие" движения в горизонтальной плоскости и лучше "зацепляется" (и, следовательно, останавливается на более длительное время) на объектах, содержащих контрастные линии. Что увеличивает разрешающую способность вблизи таких контрастных деталей. Поскольку микроперемещения происходят в основном в горизонтальной плоскости, зрение (как совместная работа глаза и мозга) оказывается более чувствительным именно к горизонтальным и вертикальным линиям.

2. Большинство предметов, окружающих человека, имеют большее количество деталей, выраженных именно вертикальными и горизонтальными линиями. В большей степени это справедливо к творениям человеческих рук: от зданий и их элементов до деталей машинописного шрифта. Однако и природные объекты зачастую имеют преобладание вертикальных и горизонтальных линий (трава, деревья).

Эти два фактора заставили инженеров задуматься об оптимальности размещения цветных фильтров на матрице, в результате чего инженеры Fujifilm находят (и патентуют) изящное решение, улучшающее восприятие изображений, полученных с помощью цифровых камер, воплощенное в настоящий момент в матрицах по технологии SuperCCD. Главным отличием от Байеровской структуры стал поворот ее на 45 градусов, в результате чего диагональные линии становятся вертикальными и горизонтальными, с увеличенной площадью расположения вдоль этих осей.

Второе улучшение, которого удалось добиться при разработке SuperCCD, заключается в том, что пикселам была придана форма шестигранников, что позволило увеличить полезную площадь светоприемной ячейки по сравнению с традиционными квадратными ячейками, что позволило улучшить отношение сигнал/шум и повысить чувствительность.

Вероятно, изменение формы ячейки на шестигранную было вызвано не только улучшенным расположением периферийных схем на ячейке для увеличения ее полезной площади, но и выводами из пленочных разработок Fujifilm, где наиболее эффективными были признаны зерна гексагональной формы.

В результате изменения структуры матрицы, как видно из рисунка, изменилась эффективная форма зеленого пиксела. Если для традиционной структуры эффективный его размер составлял 1.5х1.5 размера пиксела, то в структуре SuperCCD его размер становится 1х2 размера пиксела, кроме того, в зеленом, наиболее близком к яркостному, канале не требуется интерполяция вдоль горизонтальных линий (как можно заметить, в Байеровской структуре сигнал, полученный из "зеленого" пиксела, должен быть подмешан к соседним пикселам по горизонтали и вертикали, что снижает межпиксельный контраст и, следовательно, горизонтальное и вертикальное разрешение). Второе значимое изменение заключается в том, что SuperCCD матрица имеет зеленые строки и столбцы (G) и красно-синие строки и столбцы (Y-G), в результате чего упростилось выделение яркостной (Y) составляющей из строк и столбцов по сравнению с Байеровской структурой, имеющей зелено-синие и зелено-красные строки и столбцы.

Третьим изменением, вытекающим из новой структуры, является считывание матрицы по строкам и столбцам, которые были диагоналями в Байеровской структуре (на рисунке строки и столбцы пронумерованы цифрами 1,2,3,4,5,6). В результате такого считывания матрицы, состоящей из 6 миллионов элементов, получается 12 миллионов пикселов, половина из которых должна быть получена из соседних (пространственная интерполяция). Например, в "зеленой" строке 2 в нечетных столбцах 1, 3 и 5 будут считаны "дырки", не содержащие изображения, а в "сине-красной" строке 3 такие пустоты образуются в четных столбцах 2, 4, 6...

Для записи RAW формата (файлы RAF в случае S2 Pro) считываемые с матрицы пикселы упаковываются (записывать "дырки" и тем самым увеличивать вдвое размер файла смысла не имеет), изображение вдвое (за счет "дырок") сжимается по горизонтали. В итоге сжатое изображение имеет 2192 пиксела по горизонтали и 2880 пикселов по вертикали, если учитывать технологический бордюр для калибровки (или 2144х2880 эффективных пикселов).

Для последующей обработки сжатый файл "разжимается", в результате чего восстанавливаются "дырки" в изображении, и размер изображения снова становится равным 4288х2880 пикселов (12.3Мп) без учета бордюра.

Что важно - несмотря на то, что каждый второй пиксел требуется интерполировать из соседних, яркостное разрешение вдоль вертикалей и горизонталей составляет 4288 столбцов на 2880 строк. Пространственная интерполяция недостающих пикселов производится предсказанием с учетом яркостных деталей строк и столбцов, полученных из существующих пикселов. В случае распознавания в яркостном канале горизонтальной линии, уровень недостающего пиксела производится усреднением соседних горизонтальных пикселов, в случае распознавания в яркостном канале вертикальной линии в данной строке - усреднением соседних по вертикали пикселов данного цвета. Цветовая аппроксимация производится так же, как и в случае Байеровских структур.

По рисунку можно оценить качество детализации мелких цветных объектов для SuperCCD. Если в случае Байеровских структур эффективный размер зеленого пиксела был равен размеру ячейки х 1.5, а эффективные размеры красных и синих пикселов - размеру ячейки х 2.0, то в случае SuperCCD эффективный размер зеленого пиксела равен 2.0 х размер ячейки, а красного и синего - 3.5 х размер ячейки (при сравнении 12Мп выходного разрешения 6Мп SuperCCD с 6Мп Байеровской структурой).

Следовательно, за удвоение размера файла при почти 100% улучшении разрешения в яркостном канале (41% линейно) пришлось заплатить ухудшением цветового разрешения на 77% по площади кадра (33% линейно) в зеленом канале и 300% (!) ухудшением разрешающей способности в красном и синем каналах (75% линейно). Вот уж, действительно - за все приходится платить.

Поскольку 6Мп SuperCCD матрица может быть считана только в 12Мп изображение, получение меньшего разрешения требует масштабирования. При необходимости сохранить 6Мп изображение и соответствующем масштабировании, плюсы SuperCCD по сравнению с классической структурой фильтров в значительной степени нивелируются: при небольшом 6% улучшении разрешения в зеленом канале (12% по площади), разрешение в красном и синем каналах ухудшается по сравнению с классической структурой Байера на 24% (на 50% по площади кадра) при одинаковом яркостном разрешении. Поэтому наилучшее качество изображения с SuperCCD можно получить только при считывании в максимальном разрешении, желательно в RAW формате.

Попытаемся определить максимально возможное разрешение, которое можно получить при использовании ПЗС матрицы с классической Байеровской структурой фильтров. Для этого можно подать сигналы различных пространственных частот максимального уровня и исследовать контраст получаемого изображения.

Наибольшая частота, которую можно различить при помощи регулярной структуры, определяется критерием Найквиста-Котельникова, то есть, сигналом, имеющим максимумы и минимумы размера ячейки (частота f = 1/ (2*p), где p - размер ячейки). При подаче такой частоты с нулевым (или кратным 180 градусам) фазовым сдвигом относительно регулярной структуры ячеек, такая частота вполне может быть распознана и может присутствовать в выходном сигнале, получаемом с ПЗС матрицы, как показано на рисунке. Однако при фазовом сдвиге, кратном 90 градусов (0.5 х размер ячейки), максимумы и минимумы будут равномерно распределяться по двум соседним строкам или столбцам, в результате чего контраст на выходе будет равен нулю. В среднем, при случайном значении фазы сигнала, контраст на выходе будет равен контрасту, получаемому при фазовом сдвиге 45 градусов (1/4 размера ячейки, на рисунке не показан), и составит 50% максимального. Другими словами, при отсутствии в схеме обработки сигнала фильтров антиалиасинга и фильтров повышения резкости , частотно-контрастная характеристика (MTF - modular transfer function) при пространственной частоте c периодом сигнала, равным удвоенной величине размера ячейки, будет динамически неустойчивой (то есть, зависит от случайного и непредсказуемого на практике значения фазового сдвига) и в среднем равна 0.5. Это можно записать как MTF(2)=0,5 .

При пространственной частоте с периодом, равным 2.5 х размер ячейки (максимум и минимум равны 1.25 х размер ячейки), отдельные максимумы и минимумы в выходном сигнале также оказываются трудно различимыми и имеют различный контраст, зависящий от фазы сигнала. Следовательно, такая система также оказывается динамически неустойчивой, так как распознавание таких частот и выходной контраст зависят от фазы сигнала относительно регулярной структуры матрицы. Среднее значение контраста при частоте 1/(2.5*p) будет приблизительно равно 75%, что можно записать как MTF(2.5)=0,75 .

Начиная с пространственной частоты с периодом, равным 3 х размер ячейки, уровень сигнала на выходе матрицы оказывается относительно стабильным, слабозависящим от фазы. При наилучшем совпадении фазы MTF=1, при наихудшем MTF=0.75. Среднее значение MTF(3)=0.875 . Можно сказать, что на этой пространственной частоте располагается порог стабильного распознавания. Вероятно, поэтому, например, фирма Sony, разрабатывающая как видеокамеры, так и ПЗС-матрицы, считает разрешение системы (в линиях) равным количеству считываемых с матрицы пикселов, разделенному на 1,5. Поскольку в фотографии принято измерение в парах линий на мм (определяющих не одиночный пик, а пространственную частоту), то коэффициент пересчета разрешения матрицы в пары линий требует поправочного коэффициента 3.0.

Очень похожая задача существует в полиграфии, так как изображение на бумаге передается, как правило, с помощью регулярных растров. И там, зачастую, также минимальным принимается именно коэффициент 1.5 для пересчета разрешения в пикселах на мм (ppi) в разрешение в линиях на мм (lpi) и обратно. Как правило, полиграфисты стараются иметь некоторый запас, и чаще всего, требуют разрешения файлов, исходя из коэффициента преобразования (называемого в полиграфии коэффициентом качества), равным 2.0, что позволяет точно передать амплитуду сигнала (MTF(4*p)=1 ). Конечно, встречаются и перегибы, когда полиграфисты перестраховываются и отказываются принимать снимки с коэффициентом качества ниже 3.0-4.0. Чаще всего, это происходит от слишком буквального восприятия слова "качество " применительно к коэффициенту и, соответственно, смутного понимания процесса формирования изображения.

Необходимо заметить, что критерий Найквиста-Котельникова, гарантирующий точное восстановление сигнала по его отсчетам, действует, если соблюдаются следующие условия:

Спектр входного сигнала ограничен максимальной синусоидальной частотой вдвое ниже частоты следования отсчетов, из чего, в частности, следует, что сигнал должен быть бесконечно протяженным, не имея начала и конца;
- "ширина" отсчетов бесконечно мала (дискретная функция);
- для восстановления сигнала требуется использовать идеальный фильтр низких частот с физически нереализуемой характеристикой.

При оцифровке изображений не соблюдается ни одно из вышеприведенных условий. Поэтому и производится оцифровка "с запасом", который задается коэффициентом качества. Кстати, при оцифровке звуковой информации, по тем же причинам (соблюдается только первое условие) используют избыточную частоту дискретизации. Например, для обеспечения полосы частот 20Гц-20кГц, формат записи CD Audio производит квантование на частоте 44.1кГц (коэффициент качества 1.1), в телефонии для передачи сигналов полосой 0.3-3.4 кГц используется частота дискретизации 8кГц (коэффициент качества 1.18) и т.д.

Несмотря на то, что на изображении двойного размера, получаемом с SuperCCD, половина пикселов формируется при помощи интерполяции (как видно из рисунка), для горизонтальных и вертикальных линий разрешающая способность (минимальная пространственная частота, при которой MTF получается динамически устойчивой) равна разрешающей способности матрицы с традиционной Байеровской структурой, состоящей из вдвое большего количества ячеек.

Для того чтобы оценить, насколько все вышеизложенное применимо к практической съемке, необходимо получить подтверждение о различимости пространственных частот 1/(2*p) на реальных снимках (при оптимальных условиях, поскольку ЧКХ при таких частотах динамически неустойчива). На снимке, снятом с разрешением 12Мп (4276х2868) должны быть различимы линии шириной в 1 пиксел.

Кадр, снятый камерой Fujifilm S2 Pro в 12Мп разрешении. Объектив - Nikkor AF-S 80-200/2.8 - один из лучших телезумов Nikon. Для получения достаточного для эксперимента разрешения объектива, снимок снят при фокусном расстоянии 80мм и диафрагме f/8, обеспечивающими максимальную разрешающую способность.

Фрагмент снимка в натуральную величину.

Фрагмент снимка с увеличением 5х. Можно убедиться, что по горизонтали зафиксированы линии, соответствующие пространственной частоте 1/(2*p), как и ожидалось, с динамически нестабильным разрешением. На фрагменте снимка хорошо видно цену, которую приходится платить SuperCCD технологии за увеличение разрешающей способности: цветные контуры вокруг мелких деталей изображения из-за низкой разрешающей способности в цветовых каналах.

Учитывая, что при съемке в 12Мп, разрешение снимка по горизонтали составляет 4288 пикселов при размере матрицы по горизонтали 23.0мм, это разрешение на самой матрице соответствует 186 линиям/мм или 93 парам линий/мм. Поэтому для получения столь высокой детализации на снимках, потребуется очень качественная оптика.

Разобравшись с методами вычисления предельных разрешений как для Байеровских структур, так и для структур SuperCCD, мы можем вычислить максимальные (основанные на разрешении матриц) разрешения, которые можно получить с различных популярных цифровых зеркальных камер в случае отсутствия фильтров антиалиасинга при обработке изображения.

Для этого воспользуемся формулами:
Rs = Nl/Ll/3, пар линий/мм (lp/mm)
Ru = Nl/Ll/2, пар линий/мм (lp/mm)
где Rs - динамически устойчивое разрешение, Ru - динамически неустойчивое разрешение, Nl - количество пикселов изображения по длинной стороне кадра, Ll - размер матрицы по длинной стороне кадра в миллиметрах.

Для расчета разрешения по длинной стороне кадра:
Rfs = Nl/3, пар линий по длинной стороне кадра
Rfu = Nl/2, пар линий по длинной стороне кадра
где Rfs - динамически устойчивое разрешение, Rfu - динамически неустойчивое разрешение

Некоторые замечания о пленочной (галогеносеребряной) технологии

Я не стану подробно описывать структуру эмульсии фотопленки, предполагая некоторое знакомство читателя с галогеносеребряными технологиями получения изображения. Возможно, для лучшего понимания необходимо вкратце остановиться на основных принципах получения фотографического изображения на фотопленке.

1. Эмульсия фотопленки состоит из мельчайших (0.1...1мкм в диаметре) кристаллов галогенидов серебра (AgCl, AgJ, AgBr), являющихся полупроводниками. Каждый кристалл состоит из ионной решетки, в вершинах которой находятся положительно заряженные ионы серебра и отрицательно заряженные ионы галогена (хлор, бром, йод). Расстояния между атомами строго фиксировано, фиксация ионов в кристаллической решетке осуществляется электростатическими силами. На поверхности зерен атомы серы (из входящих в состав желатины соединений серы) рекомбинируют с приповерхностными ионами серебра, образуя соединение Ag2S.

2. При попадании фотона внутрь кристалла, он выбивает слабосвязанный электрон, который блуждая внутри кристалла может быть либо вновь захвачен положительно заряженным узлом, из которого был выбит электрон (этот процесс называется рекомбинацией, и в этом случае образования скрытого изображения не происходит), либо может быть захвачен другим узлом, который приобретает в этом случае дополнительный отрицательный заряд. Электрон перемещается на соседний ион галогена, тем самым происходит перемещение "дырки" вплоть до границы кристалла. Кристалл находится в слое желатины, содержащей соединения серы, и нейтральный атом галогена, появившийся на поверхности кристалла и не связанный с решеткой, легко образовывает устойчивое соединение с добавками в желатине. В кристаллах всегда присутствует некоторое количество ионов серебра, не связанных ионной решеткой, такие ионы могут хаотично перемещаться, выбивая из решетки другие ионы серебра, которые становятся свободными, занимая их место в решетке. Локализация фотоэлектрона вблизи молекулы Ag2S на поверхности кристалла вызывает притяжение свободного иона серебра на поверхность кристалла (если ион расположен достаточно близко), в результате чего при выходе иона серебра на поверхность, он нейтрализуется фотоэлектроном и образует свободный атом серебра на поверхности кристалла. Для того, чтобы зерно стало способным к проявлению , необходимо, чтобы возле расположения атома Ag2S собралось не менее четырех нейтральных атомов серебра . Поскольку молекула Ag2S не может захватить более одного фотоэлектрона за раз, при очень большой освещенности и короткой выдержке, пропорциональность образования зерен, способных к проявлению, нарушается (эффект невзаимозаменямости или эффект Шварцшильда) как вследствие образования очереди электронов, так и вследствие рекомбинации внутри кристалла (повышается вероятность обратного захвата фотоэлектрона атомом ионной решетки).

3. В одном зерне со средним размером 1мкм находится около 32 млрд. ионов серебра. Для образования скрытого изображения требуется выход на поверхность зерна не менее 4 атомов серебра. При проявлении зерна, на поверхность которых вышло более 4 атомов серебра, все ионы серебра, находящиеся в этом зерне, будут превращены в атомарное серебро (проявитель является "донором" электронов). В результате чего такое зерно станет черным на просвет. Зерна, на поверхности которых оказалось меньше атомов серебра, не будут проявлены, а будут растворены и выведены из эмульсии при фиксировании изображения (закрепитель). Итак, можно сказать, что проявление является усилением скрытого изображения с коэффициентом усиления до 32млрд. / 4 = 8 миллиардов раз. В реальных условиях на поверхности зерна может находиться гораздо больше, чем 4 атома серебра, так что средний коэффициент такого усиления окажется "всего" около 1 миллиарда.

4. Следует заметить, что зерна могут принимать только два состояния: они могут быть либо проявлены (восстановлены до металлического серебра), либо нет. Соответственно, черно-белое полутоновое изображение состоит из огромного количества черных зерен, случайно разбросанных по поверхности, а вероятность экспонирования зерна пропорциональна экспозиции. Чем большее количество света экспонировало фотопленку, тем большее количество зерен окажется проэкспонированным и проявленным, что в результате приведет к увеличению оптической плотности изображения (однако при этом ХК всегда имеет S-образную форму вследствие нелинейности при малых освещенностях из-за необходимости экспонирования зерна не менее 4 фотонами, а также из-за всегда присутствующей минимальной плотности почернения - вуали, что примерно соответствует тепловому шуму ПЗС матрицы).

5. Цветные фотопленки состоят из трех слоев, каждый из которых поглощает свет только своего диапазона длин волн (красный, зеленый, синий), и кроме зерен галогенида серебра содержат пурпурный, желтый и голубой (CMY) красители в соответствующих слоях, которые при цветном проявлении создают вокруг проявленного зерна цветное облако (за счет взаимодействия красителей с продуктами окисления проявляющих веществ, образующимися вокруг проявляемых зерен или конгломератов из зерен), после чего в процессе осветления зерна металлического серебра растворяются, а в процессе фиксирования растворяются и неэкспонированные зерна галогенида серебра. Цветные полутона передаются плотностью, с которой расположены облака красителя, то есть, определяются плотностью расположения проявленных зерен серебра в каждом из слоев. Как правило, такие облака красителя образуют кластеры, размеры которых значительно превышают размер отдельных зерен галогенида серебра.

Структура изображения фотопленки более всего напоминает получение изображения при струйной печати тремя красками (CMY). И так же, как и в струйной печати, размер единичного зерна (капли) не может определять разрешающей способности при передаче полутоновых объектов. Сравнивать галогеносеребряную технологию и технологию получения изображения посредством ПЗС матриц напрямую невозможно, так как принципы получения изображения сильно отличаются - не меньше, чем технологии струйной и термодиффузионной печати.

Позитивная (обращаемая) фотопленка имеет близкую к негативной структуру (у позитивной пленки отсутствует маска, и, как правило, уменьшена толщина слоя), однако проявление осуществляется в два этапа (на рисунке показан один из слоев цветной пленки):

1. На первом этапе (черно-белое проявление) происходит проявление, сходное с проявлением негативной пленки: экспонированные зерна восстанавливаются до металлического серебра. После этого в растворе отбеливателя металлическое серебро растворяется и выводится из пленки.

2. Пленка подвергается повторной засветке (либо источником света, либо химической), призванной экспонировать все оставшиеся в слое неэкспонированные зерна, после чего проявляется в цветном проявителе и в дальнейшем отбеливается и фиксируется. По сути, процесс обращения пленки позволяет вычесть из общего количества зерен проэкспонированные и инвертировать (засветить, проэкспонировать) неэкспонированные, тем самым получая позитивное изображение.

Оценка информационной емкости фотопленок

Создатели технологии New Reala Technology из Fujifilm оценили в интервью информационную емкость пленки Velvia, имеющей гранулярность G=9, в 30 миллионов эффективных элементов изображения. Скорее всего речь шла о количестве эффективных элементов (или кластеров цветообразующих веществ) в трех цветовых слоях, что означает около 10 Мп цветного изображения.

Если вспомнить, что среднеквадратичная гранулярность позитивной пленки наиболее простым способом может быть определена как (критерий Гороховского):
G = 100 / M , где
G - значение гранулярности,
M - масштаб увеличения, при котором становится заметным зерно
width=10>и тот факт, что человеческий глаз различает точки размером 0.1мм = 100 микрон, можно вычислить размер видимой пленочной гранулярности как
S = G x 10^-6
Видимый размер гранулярности не является размером зерна пленки, который, как правило, существенно ниже (0.1-1мкм), но размером "информационного элемента" или кластера цветообразующих компонент, размеры которого значительно крупнее. Среднеквадратичная гранулярность измеряется микроденситометром, имеющим щель, через которую проходит очень узкий пучок света, но не менее 10 диаметров размера зерна (Kodak использует пучок света диаметром 48мкм). При "сканировании" таким микроденситометром поля серой шкалы, имеющего плотность 0.5D, получают сильно зашумленную кривую оптической плотности, по которой определяется средняя плотность и среднеквадратичное (стандартное) отклонение от средней величины. Известно, что среднеквадратичное отклонение обратно пропорционально квадратному корню из площади апертуры луча, поэтому среднеквадратичная гранулярность определяется как

где а - площадь апертуры луча (подробнее можно прочитать на сайте Kodak).

Размер видимого макрозерна (образованного облаками красителя) пленки Fuji Velvia, имеющей значение гранулярности G=9, составляет 9мкм, что в терминах цифровой фотографии означает размер эффективного пиксела. Тогда оценочное разрешение этой пленки
R = 36мм / 9мкм x 24мм / 9мкм x 3 слоя = 4000x2467x3 = 32 Мп (или полноцветных 10.6Мп)

Полученная в результате расчета величина достаточно точно согласуется с данными разработчиков (30 миллионов элементов изображения).

Для фотопленки Fuji Provia 100 (старого типа), имеющей гранулярность G=10, размер видимого макрозерна составит 10мкм, тогда ее разрешение

R = 36мм / 10мкм x 24мм / 10мкм x 3 слоя = 3600x2400x3 = 26 Мп (или полноцветных 9 Мп),

что также хорошо согласуется с оценкой разработчиков (около 30 миллионов эффективных элементов изображения).

Для новой и очень удачной фотопленки Provia 100F, имеющей гранулярность G=8, видимый размер макрозерна окажется около 8мкм. Ее разрешение при этом

R = 36мм / 8мкм x 24мм / 8мкм x 3 слоя = 4500x3000x3 = 40.5 Мп (или полноцветных 13.5Мп).

Для этой пленки разработчики дали оценку в 50 миллионов эффективных элементов. Что, возможно, означает, что они считали ее 4-х слойной или учитывали дополнительные улучшения, заложенные в технологию этой пленки.

Можно также оценить разрешающую способность пленки, имеющую эффективный размер "пиксела" 8мкм: 1мм/8мкм = 125 штрихов = 62.5 пар линий/мм. Поскольку зерно у пленки расположено стохастически, коэффициент качества можно считать близким к 1, что позволяет считать распознаваемыми на пленке около 60 пар линий/мм . К этой цифре мы еще вернемся чуть ниже.

Эти оценки разрешения позитивных фотопленок сделаны для видимого размера макрозерна, иногда можно распознать детали, которые сформированы отдельными зернами, имеющими размер не более 1мкм (однако с очень низким, менее 1, отношением сигнал/шум: одиночное зерно может быть либо проявленным, либо нет и не несет информации об оттенках яркости или цвета).

Разрешение пленки, приводимое производителями (например, 140 пар линий/мм для пленки Provia 100F) вычисляются при низких значениях ЧКХ (MTF=7%) и очень высоком значении контраста исходного объекта (1000:1). Высокое разрешение формируется за счет отдельных стохастически распределенных зерен, в таком изображении присутствует высокий уровень шума, а разрешение зависит от контраста исходного изображения, что говорит о динамической неустойчивости полученного изображения (нельзя дважды снять один и тот же кадр - распределение в кадре зернистости будет уже другим). Ведь задачей фотографии является получение точной копии фотографируемого изображения, а не точной копии структуры зерна на пленке.

Вероятно, для сравнительной оценки разрешения, получаемого с помощью галогеносеребряного процесса, следует использовать данные разрешающей способности для низкоконтрастных объектов, которые ближе к реальной съемке полутоновых объектов. Так, для Provia 100F, по данным производителя, разрешающая способность при контрасте объекта 1:1.6 равна 60 парам линий/мм.

Другой способ измерения разрешающей способности фотопленки для сравнения с разрешающей способностью ПЗС матрицы требует определения разрешающей способности пленки на уровне MTF не менее 20% (хотя для ПЗС матрицы мы выбрали порогом динамической устойчивости уровень MTF=87.5%). При таком пороге разрешающая способность пленки Provia 100F, как видно из графика, составляет примерно 60-65 пар линий/мм и совпадает с разрешающей способностью для низкоконтрастных объектов.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ, MTF) позитивной фотопленки Fuji Provia 100F (использован график из официальной документации Fujifilm, график экстраполирован для высших пространственных частот 60-135 пар линий/мм).

Из графика MTF также можно сделать интересное наблюдение: начиная с пространственных частот 20-30 пар линий/мм, контраст неизбежно падает, что можно объяснить невозможностью получения деталей изображения из крупных зерен или конгломератов (так как они участвуют в формировании изображения с более низкими пространственными частотами). Передача высоких пространственных частот достигается за счет участия все меньшего количества все меньших по размеру кластеров (на фоне проэкспонированных крупных кластеров), что ведет к потере контраста.

Для сравнения можно привести фрагмент снимка, снятого камерой Nikon F80 на пленку Fujifilm Superia Reala тем же объективом с такой же экспозицией и с той же точки (со штатива), что и приведенный выше снимок, сделанный камерой S2 Pro. В результате чего снимок занял на пленочном кадре (24х36мм) размер, соответствующий размеру матрицы S2Pro (23х15.7мм).

Разрешение сканирования 4000dpi (Nikon SuperCoolScan 4000ED) с последующим усилением контурной резкости (радиус 0.3, уровень 300%). В результате сканирования был получен файл 5650х3650 (21Мп). Фрагмент увеличен в 5 раз.

Можно сделать вывод, что разрешающая способность негативной фотопленки Fuji Superia Reala при стандартной обработке и сканировании в 4000dpi при одинаковом с ПЗС матрицей размере кадра (23.0х15.7мм) имеет разрешающую способность ниже, чем разрешение SuperCCD матрицы. То есть, разрешения 93 пары линий/мм из системы пленка-сканер добиться не удалось. Однако пленочный кадр в 2.25 раза больше по площади, чем площадь SuperCCD, используемой в камере S2Pro, поэтому сравнение разрешающей способности пленочного и цифрового кадров оставим для субъективного сравнения технологий.

Необходимо сказать несколько слов о сканировании и разрешении. Мне неоднократно приходилось слышать мнения, что разрешения 4000dpi для получения всей съемочной информации из пленочного кадра более чем достаточно, и при дальнейшем увеличении разрешения сканирования большего числа деталей получить не удастся (ведь нас вряд ли заинтересует случайное расположение отдельных зерен галогенида серебра черно-белой пленки или цветных кластеров цветной пленки в кадре). На сегодняшний день хороший слайд-сканер с разрешением 4000dpi - достаточно дорогое устройство, по цене не намного уступающий цифровой зеркальной камере любительского класса. Именно поэтому смысла сравнивать пленочную технологию с разрешением сканирования 8000dpi я посчитал неразумным, ведь в этом случае стоимость комплекта пленочной камеры с таким сканером может значительно превысить стоимость цифровой "зеркалки". Однако оценить возможности сканирования с различным разрешением мне представляется крайне желательным.

Сканирование с разрешением 4000 dpi позволяет устойчиво распознать 4000 / 25.4 / 3 lpmm = 52.5 пар линий/мм или неустойчиво 4000 /25.4 / 2 lpmm = 78 пар линий/мм.

Сканирование с разрешением 8000 dpi позволяет устойчиво распознать 8000 / 25.4 / 3lpmm = 103 пар линий/мм или неустойчиво 8000 / 25.4 / 2 lpmm = 156 пар линий/мм.

Поскольку лучшие из пленок общего назначения достигают разрешения 135-145 пар линий/мм (при съемке миры абсолютного контраста 1000:1, очень низком отношении сигнал/шум и значении MTF=5...7%), а лучшие стандартные объективы могут достичь разрешающей способности около 100 пар линий/мм (при MTF=3...5%), суммарная разрешающая способность пленка-объектив при различимом контрасте (MTF=3..5%) редко может превзойти 60 пар линий/мм. Что требует 60*3*25.4 = 4572 пар линий/мм для устойчивого сканирования без проявления эффектов алиасинга. Это разрешение, как правило, может быть достигнуто при использовании сканера, имеющего 4000dpi при некотором падении контраста с последующим усилением контурной резкости. Сканер, имеющий разрешение 8000dpi, имеющий такой же объектив как у 4000dpi сканера, позволит улучшить детализацию не более, чем на 60lp/mm (разрешение системы объектив-пленка ) - 52.5 lp/mm (разрешение 4000dpi сканера ) / 52.5 = 14% дополнительной информации об объектах.

Как правило, сканеры с разрешением 8000dpi имеют еще более качественную оптику (судя по сканерам Nikon SuperCoolscan 4000 и 8000) с лучшей собственной ЧКХ, что в совокупности с вдвое большим разрешением может улучшить передачу мелких деталей изображения до 20-25% (и гораздо точнее передать расположение зерна, что, впрочем, не является основной целью сканирования).

Позволю себе привести пример, иллюстрирующий практическую достаточность сканирования с разрешением 4000dpi. Первый кадр получен с помощью сканирования на сканере Nikon SuperCoolScan 4000ED в максимальном качестве и увеличен до 600%, второй получен с этого же снимка миры под микроскопом (увеличение 120х, кадр уменьшен в 4 раза):

Действительно, разрешающая способность фотопленки достигает величин 130-145 пар линий/мм (что и приводится в документации производителей) - это прекрасно видно из иллюстрации (сканер не может передать более 78 пар линий/мм). Однако такое разрешение не может считаться не только динамически устойчивым, но и полезным, так как уровень шума превышает уровень полезного сигнала.

При прочих равных условиях использование пленочных сканеров с 8000dpi не является оправданным для сканирования обычных сюжетов (хотя бы потому, что в 4 раза увеличивается объем файла при 20-25% улучшении передачи мелких деталей). Кроме того, при съемке объективами среднего класса (не говоря уже о бюджетной оптике), выигрыша при сканировании с таким высоким разрешением может не оказаться вообще (что, скорее всего, и объясняет мнения фотографов о достаточности сканирования в 4000dpi). Тем не менее, сканеры с разрешением 8000dpi незаменимы при научных исследованиях, для сканирования специальных пленок, имеющих очень высокое разрешение при использовании специальной высококонтрастной оптики для копировальных работ и т.п.

Выводы:

Фотопленка в состоянии обеспечить разрешающую способность 50-60 пар линий/мм при приемлемом отношении сигнал/шум и до 130-145 пар линий/мм при превышении уровнем шума (гранулярности) уровня сигнала. Высокое разрешение может быть полезным при специальных видах съемки, например, в астрономии при использовании мощных алгоритмов обработки изображения для выделения полезной информации из сильно зашумленного сигнала.

Если вернуться к сравнению технологий, можно подсчитать, что для получения динамически устойчивого разрешения 62 пары лин/мм (как у ПЗС S2Pro), потребуется пленочный сканер с разрешением 4720dpi (при кадре, равном размеру ПЗС матрицы) или сканирование стандартного кадра 24х36мм с разрешением 3150dpi.

Теперь мы можем дополнить таблицу разрешающей способности цифровых камер результатами негативной и позитивной пленок, а также результатами, получаемыми при их сканировании.

	Размер поля изображения, мм	Разрешение кадра, пикселов	Общее количество пикселов изображения, миллионов пикселов	Размер пиксела (элемента изображения), мкм
Nikon D100	23.4x15.6	3032x2016	6,1	7.8
Canon D60	22.7x15.1	3072x2048	6,3	7.4
Fujifilm S2 Pro	23.0x15.5	4288x2880	12,3	~7.45
Canon 1Ds	35.8x23.8	4064x2704	12,3	~8.8
Kodak DCS 14n	36x24	4536x3024	13,7	~7.9
	36x24	---	---	<1
	36x24	---	---	<1
Film Provia 100F (eval)*	36x24	4500x3000	13,5	8
4000dpi scan	36x24	5669x3779	21,4	6.35
8000dpi scan	36x24	11338x7559	86,1	3.2

	Динамически устойчивое разрешение, пар линий/мм	Динамически устойчивое разрешение, пар линий по длинной стороне кадра	Динамически неустойчивое разрешение, пар линий/мм	Динамически неустойчивое разрешение, пар линий по длинной стороне кадра
Nikon D100	43.2	1011	64.8	1516
Canon D60	45.1	1024	67.7	1537
Fujifilm S2 Pro	62.0	1426	93.2	2144
Canon 1Ds	37.8	1353	56.8	2033
Kodak DCS 14n	42.0	1512	63.0	2268
Film Provia 100F(по данным производителя)	60	~2160	140	~5040
Film Superia Reala (по данным производителя)	63	~2268	125	~4500
Film Provia 100F (eval)*	50-60	1800..2100	62,5	~2250
4000dpi scan	52.5	1890	78	2808
8000dpi scan	103	3708	156	5616

* - разрешающая способность по оценке гранулярности. Возможно, наилучший способ заочно сравнить качество снимков при использовании разных технологий.

Что может показаться странным: в большинстве независимых тестов разрешающей способности S2 Pro показал результаты несколько хуже, чем камеры с полноразмерными матрицами с 11-14Мп (но гораздо лучшее, чем камеры с 6Мп матрицей и традиционным расположением пикселов). Этому есть, как минимум, два объяснения:

S2 Pro имеет более высокое разрешение ПЗС матрицы, которое, как правило, не может быть достигнуто с большинством стандартных зум-объективов. Если ЧКХ объектива на пространственной частоте 93 пары линий/мм составляет около 3-5%, произведение ЧКХ матрицы и объектива окажется ниже 2-3% (минимально различимого контраста). Поэтому при тестировании разрешающей способности должны использоваться объективы высочайшего класса для получения сравнимых результатов.

S2 Pro выдает снимки с повышенным уровнем цветных артефактов на высоких пространственных частотах из-за необходимости пространственной интерполяции недостающих пикселов.

Кстати, из этого утверждения можно сделать вывод, что для получения выгод от использования в камере матрицы SuperCCD, необходимо использовать высококлассную оптику. С другой стороны, для раскрытия потенциала матриц 11-14Мп камер с полноразмерной матрицей достаточно разрешения 50-60 пар линий/мм, то есть, более дешевых объективов по сравнению с объективами, имеющими разрешение 90 пар линий/мм. Однако объективы для полноразмерных матриц должны обеспечивать хорошее разрешение и отсутствие хроматических аберраций на краях кадра (что некритично при использовании полуформатных матриц).

2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОТ

2.1. Телевизионные камеры СОТ и устройства для их оснащения

2.1.1. Телевизионные камеры.

Камера является важнейшим элементом системы, так как именно она создает видеосигнал, который в дальнейшем используется видеосистемой для анализа, детекции и хранения видеоинформации. От выбора камеры зависит, что и как будет видеть на экране видеомонитора оператор в постоянно меняющихся условиях наблюдения. Если необходимо не только следить за общей обстановкой в охраняемой зоне, но и идентифицировать людей, определять номер автомобиля и т.д., проектировщик должен выбрать камеру с действительно необходимыми функциями и техническими характеристиками. Причем главным условием, при выборе камеры (да и всего остального оборудования СОТ) должно выдвигаться требование обеспечения необходимой безопасности объекта.

Современная камера представляет собой сложную электронную систему состоящую из фоточувствительного элемента - матрицы, выполненной на приборах с зарядовой связью (ПЗС - матрица, в английской транскрипции - CCD) или на базе КМОП - структуры (КМОП - комплиментарный металло-оксидный полупроводник, в английской транскрипции CMOS) и программно-аппаратных средств обработки сигнала в формат предназначенный для вывода на устройства отображения.

Камеры делятся на (см. Рис.1, Рис. 2):

Аналоговые и цифровые;

Корпусные и бескорпусные;

Для внутреннего и уличного применения;
- стационарные;

Поворотные;

Купольные;

Для применения в особых условиях;

Черно-белого и цветного изображения;

Повышенной чувствительности;

Высокого разрешения;

Для скрытого наблюдения.

Рис. 1 Камеры различного конструктивного исполнения

Рис. 2 - Камеры в вандалостойком исполнении

Разница между аналоговой и цифровой камерой в потребительском смысле заключается в том, что на выходе аналоговой камеры присутствует стандартный видеосигнал, а цифровая камера производит оцифровку аналогового видеосигнала с матрицы и передачу его по линии связи в виде цифрового кода. Как правило, при этом внутри цифровой камеры производится компрессии видеосигнала, путем устранения «избыточности» видеоинформации. Если стандартный видеосигнал от аналоговой камеры подать на монитор, то на экране мы увидим изображение. Выходной сигнал от цифровой камеры, прежде чем попасть на экран монитора должен пройти специальную обработку программным обеспечением компьютера (сервера).

В отдельных случаях цифровые камеры не производят компрессию видеосигнала, ограничиваясь при этом одной оцифровкой сигнала. В этом случае объем передаваемой цифровой информации резко возрастает. Данное техническое решение применяется в специальных приложениях теленаблюдения, где первостепенной задачей ставится получения высококачественного изображения. Дело в том, что практически любой вид компрессии приводит к снижению качества первоначального изображения. При этом допустимый уровень потерь качества изображения определяет степень компрессии.

Телевизионная камера характеризуется целым набором параметров, однако в большинстве случаев при выборе камеры достаточно иметь информацию о следующих ее характеристиках.

1. Формат матрицы - размер фоточувствительной области матрицы выражается в дюймах. Основными форматами являются: 1/4", 1/3", 1/2", 2/3" и 1".

Чем больше оптический формат, тем меньше (при прочих равных условиях) геометрические искажения изображения. В особенности это сказывается при больших углах зрения. В СОТ высокого качества изображения обычно используются камеры формата 1/2", 2/3" и 1". В настоящее время чаще всего используются камеры с матрицей 1/3". В последнее время на рынке появились миниатюрные камеры с матрицей формата 1/4". Как правило, при уменьшении формата матрицы шумовые характеристики камеры ухудшаются.

2. Разрешающая способность (разрешение в центральной области изображения или объектива) - максимальное количество телевизионных линий (ТВЛ), различаемых в выходном сигнале камеры при глубине модуляции (10 ± 3) %, (определение глубины модуляции см. Приложение А).

На краях объектива телекамеры допускается некоторое ухудшение качества изображения. Чем выше разрешение камеры, тем более мелкие детали можно различить на изображении. Обычным разрешением считается 380 - 420 линий для черно-белых и 300 - 320 линий для цветных камер. В системах высокого класса используются, как правило, камеры с повышенным разрешением (500 - 600 линий для черно-белых и 375 - 450 линий для цветных камер).

Различают разрешающую способность по вертикали и по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали - максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование. Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре и определяется видом телевизионного стандарта (PAL или NTSC).

Это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей, так как разрешающая способность по вертикали у стандартных камер одинакова. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.

Разрешающая способность по горизонтали - зависит от глубины модуляции сигнала. При модуляции 100% разрешающая способность называется аппаратная резкость, при модуляции 50% - реальная разрешающая способность, а при модуляции 10% - предельная разрешающая способность.
Говоря о разрешении СОТ нужно не забывать и о сквозном разрешении всей цепочки используемого оборудования (видеотракта). Так, например, если мы имеем разрешение ТВ-камеры в 560 ТВЛ, а разрешение платы видеозахвата не превышает 380 ТВЛ, общее разрешение СОТ не может быть выше 380 ТВЛ.

Разрешающая способность СОТ не может быть больше разрешающей способности матрицы телекамеры, которая обычно выражается числом элементов матрицы (пикселей) по горизонту и по вертикали или в ТВЛ.

Примечание - с появлением дискретных структур (ПЗС), элементы изображения стали называться пикселами.

Пиксел (в разговорной речи пиксель, англ. Pixel - сокращение от picture element или picture cell - элемент изображения) Пиксел представляет собой неделимый объект прямоугольной, обычно квадратной, или круглой формы.

Для определения реального числа ТВЛ в СОТ используют проверочные таблицы (миры) (см. Приложение Б).

Проверка разрешающей способности по горизонтали с помощью тестовых таблиц осуществляется визуально с помощью анализа изображения на экране монитора и наиболее проста, однако этот метод зависит от субъективной различимости человеком ТВЛ. Поэтому, при наличии осциллографа с возможностью выбора строки видеосигнала и возможностью синхронизации по ним (например, осциллограф «Tektronix TDS 2024»), необходимо произвести измерения переходных характеристик с черного изображения на белое и наоборот, используя методику, приведенную в Приложении Г.

В эфирном телевидении наличие разрешающих способностей - как по горизонтали, так и по вертикали - создавали определенные неудобства в описании характеристик оборудования. Поэтому возникла необходимость выработать единый параметр для оценки разрешающей способности. Эта задача была решена путем пересчета разрешающей способности по горизонтали к разрешающей способности по вертикали, используя соотношение сторон экрана 4:3. В результате чего и появился коэффициент 0,75 (3:4=0,75), а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «ТВЛ».

Пересчет дискретной структуры матрицы (пиксели) в ТВЛ происходит через поправочный коэффициент 0,75. Таким образом, если матрица камеры имеет размерность 500 пикселей по горизонту, то разрешение будет по горизонту 500х0,75=375 ТВЛ.

Но количество пикселов и связанное с этим разрешение это только сравнение видеокамер или любого оборудования по «внешним» признакам, т.е. по количеству дискретных элементов в структуре матрицы.

3. Чувствительность.

Различают: пороговую чувствительность и чувствительность, необходимую для нормальной работы СОТ.

Пороговая чувствительность - минимальная освещенность на матрице, при которой соотношение сигнал/шум в отдельных изделиях СОТ или в СОТ в целом равно 8.

Чувствительность, необходимая для нормальной работы СОТ - освещенность на матрице, при которой СОТ реализует свои паспортные значения (прежде всего по разрешению).

Если не оговорено специально, то под чувствительностью необходимо понимать уровень освещенности необходимый для нормальной работы СОТ.

Чувствительность традиционно выражается в люксах (лк) (см. Приложение А).

Выражение чувствительности в люксах не совсем корректно. Поэтому необходимо привязывать понятие чувствительности к соотношению сигнал/шум и учитывать спектральные характеристики источника освещения и телекамеры.

Нормальным считается отношение сигнал/шум 48 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ. Более подробно об отношении сигнал/шум см. в Приложении Д.

Обычной чувствительностью считается 0.1-0.5 лк для черно-белых и 1-3 лк для цветных камер.

В системах, предназначенных для наблюдения слабо освещенных объектов, имеющих малую отражательную способность, используются камеры высокой чувствительности (порядка 0,01 лк).

Матрицы (ПЗС, КМОП) обладают очень важным свойством - они позволяют получать четкое изображение в условиях полной темноты при подсветке инфракрасными лучами. С этой целью некоторые камеры оснащаются встроенной ИК-подсветкой.

Синхронизация - привязка видеосигнала к фазе сетевого напряжения или внешнего источника синхроимпульсов или другого видеосигнала. Камеры, питающиеся от сети переменного тока (220 В/50 Гц или 24 В/50 Гц), синхронизируются от питающей сети. Камеры, питающиеся от источника постоянного тока (12 В) должны иметь вход внешней синхронизации, сигнал на который подается от специального устройства - синхронизатора. Отсутствие внешней синхронизации телевизионных камер от единого источника синхросигнала в значительной степени повышает утомляемость оператора СОТ, а при использовании в системе более 8 камер приводит к постоянным срывам изображения, потерям многих кадров, что делает наблюдение и видеозапись практически невозможными.

Примечание - при работе системы с платами видеозахвата, нужно стремиться использовать ввод сигнала без использования процесса мультиплексирования канала.

Теоретически возможно добиться надежной работы синхронизации в СОТ, но режим мультиплексирования всегда будет требовать больше времени для ввода видеоизображения, чем прямой ввод сигнала. Использование мультиплексора в плате видеозахвата не повышает технические характеристики устройства, поскольку число каналов в этом случае может быть очень большим, а суммарное количество вводимых кадров или полукадров при этом не изменяется.

Электронный затвор - элемент конструкции матрицы, обеспечивающий возможность изменения времени накопления электрического заряда (выдержки). Электронный затвор позволяет получить приемлемое качество изображения быстродвижущихся объектов и обеспечивает работоспособность камеры в условиях высокой освещенности. Обычные электронные затворы обеспечивают регулировку выдержки в диапазоне от 1/50 до 1/10000 - 1/15000. Лучшие электронные затворы позволяют получить выдержки порядка 1/100000.

АРД - автоматическая регулировка диафрагмы - способность камеры управлять объективами с электрически регулируемой диафрагмой и встроенным усилителем (при управлении объективом без встроенного усилителя используется термин "прямое управление"). Наличие АРД является существенным достоинством камеры, так как регулировка глубины резкости без изменения диафрагмы принципиально невозможна. Это означает, что при электронном управлении затвором на матрице (без управления диафрагмой объектива) изображение объекта, находящегося на расстоянии, отличном от фокусного, будет недостаточно резким. Кроме этого, отсутствие регулировки диафрагмы приводит к резкому уменьшению диапазона управления световым потоком. Не следует использовать АРД совместно с электронной диафрагмой, особенно если камера не синхронизирована частотой сети переменного тока, так как в этом случае возможно появление эффекта "плавания" яркости или баланса белого на экране видеомонитора, что в значительной степени затрудняет работу оператора. Для подключения объектива с электрически управляемой диафрагмой в камере должны быть предусмотрены разъемы AI (автоирис) и/или DD/DC (прямое управление) и потенциометр регулировки уровня сигнала прямого управления.

Современные объективы, в связи с уменьшением их габаритов, имеют, как правило, прямоприводное управление (direct drive), поэтому камера должна иметь встроенную электронику для управления объективом.

Примечание - камеры, предназначенные для установки вне помещения, должны иметь АРД, что должно обеспечить работу в широком диапазоне освещенностей (как минимум от 1 люкса ночью до 100000 люкс в яркий солнечный день).

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) - свойство камеры изменять коэффициент усиления видеотракта в зависимости от уровня видеосигнала. АРУ сглаживает изменения уровня сигнала и позволяет получить приемлемую картинку на мониторе при недостаточной освещенности объекта. Обычно диапазон регулировки усиления ограничивается 12-20 дБ (4-10 раз), большее увеличение усиления приводит к значительному зашумлению видеосигнала и, как следствие, ухудшению изображения.

Гамма - коррекция видеосигнала (у-коррекция) - нелинейное искажение видеосигнала для лучшего воспроизведения. Гамма - коррекция заключается в предварительном искажении видеосигнала с целью увеличения контрастности изображения на мониторе. Камеры с гамма - коррекцией сигнала имеют либо постоянный коэффициент

у - 0,45 (иногда 0,25),

Либо изменяемый вручную (например, у - 0,25/0,45/1).

Компенсация "засветки сзади" (компенсация засветки телекамеры при наблюдении за предметом, освещенным сзади ярким светом) - способность камеры автоматически устанавливать выдержку и параметры усиления по выбранному фрагменту изображения. Достаточно часто применяется система "Back Light Compensation", обеспечивающая автоматическое управление диафрагмой, выдержкой, усилением и т. д., и ориентирующаяся на центральную часть экрана. В более сложных моделях в разных частях кадра адаптация к световым условиям происходит независимо друг от друга, что повышает качество изображения.

Канал звука - обеспечивает акустический контроль охраняемого (контролируемого) помещения с помощью микрофона. Для организации двунаправленного аудиоканала (например, в домофонных системах) кроме микрофона устанавливается динамик.

Напряжение питания. Большинство телекамер питаются либо от сети переменного тока 220 В/50 Гц, либо от источников постоянного тока напряжением 12 В. В последнее время все чаще используется переменное напряжение 24 В. Реже используется постоянное напряжение 9 В. Для питания нескольких камер в системе могут использоваться индивидуальные для каждой камеры источники, либо общий источник. В последнем случае необходимо учитывать общее потребление камер. Необходимо иметь в виду, что цветные камеры очень чувствительны к перепадам напряжения в сети. Поэтому для их питания следует использовать специальные стабилизированные источники.

Общий подход при выборе блока питания заключается в необходимости иметь 30% запас по току питания от максимальных возможностей блока питания. Дело в том, что при максимальных нагрузках резко возрастает напряжение пульсаций на выходах блока и основные узлы начинают работать в перенапряженном режиме, что сказывается на качестве питающего напряжения и долговечности блока питания.

Второй аспект этого вопроса заключается в том, что многие телекамеры не допускают перенапряжение по цепям питания выше 13-14 В, а большинство блоков питания имеют разброс по уровню питающего напряжения от 12 до 14-15 В, что приводит к выходу из строя телекамер. Большинство охранных систем рассчитаны на большие диапазоны питающего напряжения, и разработчики блоков питания стремятся максимально использовать данный момент, т.е. при номинальном питающем напряжении в 12 В выдавать с блока питания 13-15 В. Таким образом, при большой длине провода возможно падение 2-3 В за счет омического сопротивления. В телевидении такой подход недопустим, если нет возможности плавно изменять питающее напряжение. Данную особенность необходимо учитывать при выборе марки блока питания. Желательно, чтобы блок питания имел возможность дискретного изменения питающего напряжения с шагом 0,1-0,4 В, что позволяет создать оптимальные напряжения питания на входе телекамеры.

Сечение проводов должно выбираться из расчета падения напряжения по длине кабеля. В Приложении Е приведены требуемые сечения кабеля в зависимости от длины кабеля и тока нагрузки при падении напряжения по длине не более 5%.

Для камер цветного изображения важны такие характеристики, как автоматический баланс белого, т. е. способность камеры обеспечивать правильную цветопередачу при изменении условий освещения наблюдаемых объектов и стандарт кодирования цветового сигнала.

В настоящее время в СОТ, в основном, применяются цветные камеры. Однако, камеры черно-белого изображения, имеют лучшее разрешение, больший динамический диапазон, чувствительность. Цветные камеры необходимо устанавливать, главным образом, там, где требуется знать цвет объекта (например, автомобиля), т. е. на автостоянках, автозаправочных станциях и т. п.

В зависимости от требований, предъявляемых к системе, камеры могут оснащаться различными устройствами: объективами, защитными или декоративными кожухами, термостатами, кронштейнами, поворотными устройствами и т. п.

2.1.2. Объективы

Объектив - это устройство, формирующее изображение объекта в плоскости матрицы. Очевидно, что без объектива телевизионная камера работать не может. Объектив, может быть встроенным в камеру или сменным.

Если камера не имеет встроенного объектива, в ее конструкции предусмотрен узел присоединения для установки сменных объективов. При выборе объектива для камеры следует учитывать, что применяются два типа стандартных конструкций узлов присоединения:

Тип "С" ("C-mount") - стандарт резьбового крепления объективов. Резьба 1" (2,54 мм), 32 шага на дюйм, расстояние от заднего фланца до матрицы 0,69" (17,526 мм). Для совмещения С-объективов и CS-камер требуется переходное кольцо;

Тип "CS" ("CS-mount") - стандарт резьбового крепления объективов, резьба идентична C-mount, но расстояние от заднего фланца до матрицы уменьшено до 12,5 мм. Объективы CS могут использоваться только с CS камерами. Этот тип крепления находит большее распространение в связи с тенденцией камер к миниатюризации.

Для камер с присоединительным узлом "С" подходят только объективы типа "С". Если камера имеет узел "CS", то к ней подходят объективы "CS" и "С" со специальным переходным кольцом. Подбирая объективы к камере, надо иметь в виду, что обычно они рассчитываются на матрицу определенного формата.

Миниатюрные камеры для скрытого наблюдения имеют специальную насадку с оптоволоконным кабелем, на конце которого крепится специальный объектив "pinhole" с диаметром зрачка от 0,9 до 2 мм.

Относительное отверстие F - отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию, определяет освещенность на матрице. Чем меньше значение F, тем больше световой энергии проецируется на матрицу телекамеры.

По величине относительного отверстия объективы делятся на:

Сверхсветосильные от 0,7 до 2;

Светосильные от 2,8 до 4,5;

Малосветосильные от 5,6 до 16.

Объективы бывают сферические и асферические (см. Рис. 3). Каждый из этих объективов может иметь просветленную или обыкновенную оптику.

Просветленная оптика уменьшает светорассеяние на пути прохождения светового потока до матрицы. Для уменьшения светорассеяния в объективе на линзы, имеющие контакт с воздухом, наносят специальное покрытие, и такие объективы носят название «просветленный объектив».

У просветленных объективов световой поток ослабляется в среднем на 10%, в то время как у непросветленного объектива ослабление доходит до 33%.

Сферические объективы получили большее распространение в связи с тем, что они изготавливаются из сферических линз, которые дешевы в изготовлении и технологичны.

Однако им присущи недостатки - так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения (разрешающую способность) и ограничивают максимально возможное отверстие диафрагмы (F-число таких объективов обычно имеет величину F1.2 - F1.4).

Асферический объектив внешне отличается от сферических объективов видом передней линзы. У таких объективов аберрационные искажения имеют незначительную величину, что позволяет им иметь F-число F0.75 - F0.8. Такое маленькое значение F-числа позволяет в среднем в три раза увеличить световой поток, проходящий на видеокамеру.

Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда недостаток освещенности зоны наблюдения не может быть восполнен никаким другим способом.

Примечание - разрешение объектива должно соответствовать разрешению матрицы телевизионной камеры (определение разрешения объектива см. Приложение Ф).

Рис 3- Объективы различного конструктивного исполнения

Фокусное расстояние f (мм) - характеризует величину угла зрения при определенном оптическом формате камеры. Чем меньше фокусное расстояние, тем больший угол зрения наблюдаемого пространства, можно получить и наоборот. Однако при очень больших углах зрения (порядка 90-120° и более) довольно сложно, а порой и невозможно рассмотреть детали картины. Наиболее приемлемым для оператора является угол зрения 60-70°, так как получаемое при этом изображение хорошо согласуется с характеристиками человеческого зрения. Объективы с большим фокусным расстоянием используются, когда требуется получить четкое изображение мелких деталей.

В практической деятельности объективы по углу зрения делят на следующие группы в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Угол зрения объективов

Примечание - угол зрения камеры зависит от формата матрицы, так для формата кристалла 1/2 дюйма фокусное расстояние объектива ф от 4,8 до 12 мм дает угол зрения по горизонту приблизительно в 30-67 градусов, а для формата кристалла 1/3 дюйма для обеспечения аналогичных углов зрения, необходимо использовать объективы с фокусным расстоянием от 3,6 до 8 мм. В большинстве случаев использование объективов с фокусным расстоянием в 3,6 - 16 мм обеспечивает решение задач теленаблюдения в полной мере.

Рекомендуется при выборе фокусного расстояния объективов использовать специализированный программный продукт (программу) или калькулятор с возможностями произвести автоматический расчет угла поля зрения телекамеры в зависимости от высоты подвеса, угла наклона, фокусного расстояния объектива и т.д.

Трансфокатор - устройство, позволяющее изменять фокусное расстояние в широких пределах (ZOOM - функция). Объективы, снабженные трансфокаторами, называются вариообъективами . Фокусное расстояние может изменяться вручную либо путем сервоуправления. Вариообъективы, ввиду их большой стоимости применяются только в тех случаях, когда необходимо быстро увеличить изображение мелкой детали (например, идентификации личности).

Как правило, трансфокаторами с сервоуправлением оборудуются поворотные телекамеры. Однако, использование поворотных или купольных телекамер часто неоправданно, поскольку ручное управление такими камерами неэффективно. Гораздо эффективней использовать несколько стационарных камер для получения максимально - широкого поля обзора.

Наиболее рационально использовать поворотные или купольные телекамеры, оборудованные объективом с трансфокатором для целей периметральной охраны. Тогда целеуказание им будет выдавать стационарные камеры или охранные извещатели.

2.1.3. Кожухи для внутренних и внешних применений

По конструктивному признаку телевизионные камеры можно подразделить на корпусные и бескорпусные. Бескорпусные камеры имеют значительно меньшие габариты и стоимость по сравнению с камерами в корпусе, и часто используются в системах скрытого наблюдения. Камеры для открытого внутреннего наблюдения размещаются в защитных корпусах (кожухах), которые имеют разную форму, габариты, конструкцию крепления (потолочная, настенная, угловая) и позволяют выбрать оформление, наиболее подходящее к конкретному интерьеру. Камеры для использования на открытом воздухе помещаются в защитные кожухи, оборудованные подогревом - гермокожухи. Гермокожухи предназначены для работы в широком диапазоне климатических условий и позволяют использовать различные комбинации телевизионных камер и объективов. Кожух снабжен солнцезащитным козырьком (либо фильтром), посадочным местом для установки камеры, термостатом и коммутационной панелью. Некоторые гермокожухи имеют дополнительноe оборудование - вентиляторы, дворники, омыватели стекла. Следует отметить, что импортные нагреватели не всегда отвечают нашим климатическим условиям и не рассчитаны на сильные морозы.

2.1.4. Поворотные устройства

Поворотные устройства предназначены для телекамер с дистанционным управлением. Они обеспечивают поворот в горизонтальной (до + 365°) и в вертикальной (до ±183°) плоскостях либо только в горизонтальной. Различают поворотные устройства с постоянной и с регулируемой угловой скоростью перемещения. Сигналы управления камерами преобразуются в заданные механические перемещения с помощью приемников телеметрических сигналов управления.

Как правило, вместе с поворотными устройствами поставляются пульты управления, с которых можно манипулировать также трансфокаторами объективов, если требуется получить укрупненное изображение.

К сожалению, единого стандартного протокола обмена между поворотным устройством и пультом управления (или видеосервером) не существует. Поэтому нужно учитывать совместимость между собой этих устройств. Как правило, в описаниях на эти устройства приводятся возможные формата обмена, поэтому при комплектации СОТ оборудованием необходимо это учитывать.

2.1.5. Кронштейны

Кронштейны служат для крепления камер к стенам, панелям и другим несущим конструкциям и позволяют точно ориентировать поле зрения камеры в нужном направлении. Различают кронштейны для горизонтальной поверхности, для вертикальной поверхности, телескопические и т. п. Исполнение кронштейнов определяется, главным образом, эстетическими требованиями и нагрузкой: на кронштейнах для внутреннего применения крепятся камеры весом в несколько сот граммов, на кронштейнах для уличного применения - в несколько килограммов.

Общие сведения о ПЗС матрицах .

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский эквивалент CCD) матрицы.

Принцип работы ПЗС матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент имеет свойство накапливать заряды, пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления получается двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее строка за строкой и пиксел за пикселом на выход матрицы.

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

• на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);
• на полукадр (матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки);

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Качество современных ПЗС матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется.

Не смотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС матрицы, используемые в них, практически одни и теже, поскольку массовое и крупносерийное производство ПЗС матриц осуществляется всего несколькими фирмами. Это SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Основными параметрами, ПЗС матриц являются:

• размерность в пикселях;
• физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т.д.). При этом сами цифры не определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют класс прибора;
• чувствительность.

Разрешающая способность ПЗС камер .

Разрешающая способность ПЗС камер в основном определяется размерностью ПЗС матрицы в пикселях и качеством обьектива. В какой-то степени на это может влиять электроника камеры (если она плохо сделана это может ухудшить разрешение, но откровенно плохо сейчас делают редко).

Здесь важно сделать одно замечание. В некоторых случаях для улучшения видимого разрешения в камерах устанавливаются высокочастотные пространственные фильтры. В этом случае изображение объекта, полученное с камеры меньшей размерности, может выглядеть даже более резким, чем изображение этого же объекта, полученное объктивно лучшей камерой. Конечно, это приемлемо, в том случае когда камера используется в системах визуального наблюдения, но совершенно не подходит для построения измерительных систем.

Разрешающая способность и формат ПЗС матриц .

В настоящее время различными компаниями выпускается ПЗС матрицы, охватывающие широчайший диапазон размерностей от нескольких сотен до нескольких тысяч. Так сообщалось о матрице с размерностью 10000х10000, причем в этом сообщении отмечалась не столько проблема стоимости этой матрицы, сколько проблемы хранения, обработки и передачи полученных изображений. Как нам известно, сейчас более или менее широко применяются матрицы с размерностью до 2000х2000.

К наиболее широко, точнее массово применяемым ПЗС матрицам, безусловно следует отнести матрицы с разрешением ориентированным на телевизионный стандарт. Это матрицы, в основном, двух форматов:

• 512*576;
• 768*576.

Матрицы 512*576 обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения.

Матрицы 768*576 (иногда чуть больше, иногда чуть меньше) позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала. При этом, в отличии от матриц формата 512*576, они имеют близкую к квадрату сетку расположения светочувствительных элементов, а, следовательно, равную разрешающую способность по горизонтали и вертикали.

Часто фирмы-изготовители телекамер указывают разрешающую способность в телевизионных линиях. Это означает, что камера позволяет разглядеть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, где N - заявленное число телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая растояние и фокусируя изображение таблицы надо добиться того, чтобы верхний и нижний край изображения таблицы на мониторе совпал с внешним контуром таблицы, отмечаемым вершинами черных и белых призм; далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают разрешаться. Последнее замечание очень важно т.к. и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами (см. выше)!

Хочется заметить, что при прочих равных условиях (в основном на это может повлиять обьектив) разрешающая способность черно-белых камер однозначно определяется размерностью ПЗС матрицы. Так камера формата 768*576 будет иметь разрешающую способность 576 телевизионных линий, хотя в одних проспектах можно найти величину 550, а в других 600.

Обьектив.

Физический размер ПЗС ячеек является основным параметром, определящим требование к разрешающей способности обьектива. Другим таким параметром может явиться требование по обеспечению работы матрицы в условии световой перегрузки, которое будет рассмотрено ниже.

Для 1/2 дюймовой матрицы SONY ICX039 размер пикселя составляет 8.6мкм*8.3мкм. Следовательно обьектив должен иметь разрешение лучше чем:

1/8.3*10e-3= 120 линий (60 пар линий на миллиметр).

Для обьективов, сделанных под 1/3 дюймовые матрицы, это значение должно быть еще выше, хотя это, как ни странно, не отражается на стоимости и таком параметре как светосила, поскольку эти объективы делают с учетом необходимости формирования изображения на меньшем светочувствительном поле матрицы. Отсюда следует и то, что объективы для матриц меньшего размера не подходят к большим матрицам из-за существенно ухудшающихся характеристиках на краях больших матриц. В тоже время объективы для больших матриц могут ограничить разрешение изображений, получаемых с меньших матриц.

К сожалению, при всем современном изобилии обьективов для телекамер, информацию по их разрешающей способности получить очень тяжело.

Вообще, мы не часто занимаемся подбором объективов, поскольку почти все наши Заказчики устанавливают видеосистемы на уже имеющуюся оптику: микроскопы, телескопы и т.д., поэтому наши сведения о рынке объективов носят характер заметок. Можно только сказать, что разрешающая способность простых и дешевых обьективов находится в диапазоне 50-60 пар линий на мм, что вообще- то недостаточно.

С другой стороны у нас есть информация, что специальные объективы производства Zeiss с разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000$.

Так, что при покупке объектива необходимо провести предварительное тестирование. Надо сказать, что большинство Московских продавцов дают объективы на тестирование. Здесь ещё раз уместно вспомнить об эффекте муара, наличие которого, как отмечалось выше, может ввести в заблуждение относительно разрешающей способности матрицы. Так вот, наличие муара на изображении участков таблицы со штрихами выше 600 телевизионных линий в отношении объктива свидетельствует о некотором запасе разрешающей способности последнего, что, конечно, не помешает.

Еще одно, может быть, важное замечание для тех, кого интересуют геометрические измерения. Все объективы в той или иной степени имеют дисторсию (подушкообразное искажение геометрии изображения), причем чем короткофокуснее объектив, тем эти искажения, как правило, больше. По нашему представлению приемлимую дисторсиии для 1/3" и 1/2" камер имеют объективы с фокусными расстояниями больше 8-12 мм. Хотя уровень "приемлимости", конечно, зависит от задач, которые должна решать телекамера.

Разрешающая способность контроллеров ввода изображения

Под разрешающей способность контроллеров ввода изображений следует понимать частоту преобразований аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) контроллера, данные которого затем записываются в память контроллера. Очевидно, что есть разумный предел повышения частоты оцифровки. Для устройств, имеющих непрерывную структуру фоточувствительного слоя, например, видиконов, оптимальная частота оцифровки равна удвоенной верхней частоте полезного сигнала видикона.

В отличии от таких светоприемников ПЗС матрицы имеют дискретную топологию, поэтому оптимальная частота оцифровки для них определяется как частота сдвига выходного регистра матрицы. При этом важно, что бы АЦП контроллера работал синхронно с выходным регистром ПЗС матрицы. Только в этом случае может быть достигнуто наилучшее качество преобразования как с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений так и с точки зрения минимизации шумов от тактовых импульсов и переходных процессов.

Чувствительность ПЗС телекамер

Начиная с 1994 года мы используем в своих устройствах кард-камеры фирмы SONY на основе ПЗС матрицы ICX039. В описании SONY на это устройство указана чувствительность 0.25 лк на объекте при светосиле обьектива 1.4. Уже несколько раз, мы встречали камеры с похожими параметрами (размер 1/2 дюйма, разрешение 752*576) и с декларируемой чувствительностью в 10 а то и в 100 раз большей чем у "нашей" SONY.

Мы несколько раз проверяли эти цифры. В большинстве случаях в камерах разных фирм мы обнаруживали туже самую ПЗС матрицу ICX039. При этом все микросхемы "обвязки" были тоже SONY-вские. Да и сравнительное тестирование показало почти полную идентичность всех этих камер. Так в чем вопрос?

А весь вопрос в том, при каком соотношении сигнал/шум (с/ш) определяется чувствительность. В нашем случае компания SONY добросовестно показала чувствительность при с/ш=46 дб, а другие фирмы либо не указали это, либо указали так, что непонятно при каких условиях производились эти измерения.

Это, вообще, общий бич большинства фирм-изготовителей телекамер - не указывать условия проведения замеров параметров телекамер.

Дело в том, что при уменьшении требования к соотношению с/ш чувствительность камеры возрастает обратно пропорционально квадрату требуемого отношения с/ш:

где:
I - чувствительность;
K - коэффициент пересчета;
с/ш - отношение с/ш в линейных единицах,

поэтому у многих фирм появляется соблазн указывать чувствительность камер при заниженном отношении с/ш.

Можно сказать, что способность матриц лучше или хуже "видеть" определяется количеством зарядов, преобразованных из падающих на её поверхность фотонов и качеством доставки этих зарядов на выход. Количество накопленных зарядов зависит от площади светочувствительного элемента и квантовой эффективности ПЗС матрицы, а качество траспортировки определяется множеством факторов, которые часто сводят к одному - шуму считывания. Шум считывания для современных матриц составляет величину порядка 10-30 электронов и даже менее!

Площади элементов ПЗС матриц различны, но типовое значение для 1/2 дюймовых матриц для телекамер - 8.5мкм*8.5мкм. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размером самих матриц, что повышает их стоимость не столько за счет собственно увеличения цены производства, сколько за счет того, что серийность таких устройств на несколько порядков меньше. Кроме того на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы в той степени сколько процентов к общей поверхности кристалла занимает чувствительная площадка (фактор заполнения). В некоторых специальных матрицах фактор заполнения заявляется 100%.

Квантовая эффективность (на сколько в среднем изменяется заряд чувствительной ячейки в электронах при падении на её поверхность одного фотона) у современных матриц равна 0.4-0.6 (у отдельных матриц без антиблюминга она достигает 0.85).

Таким образом видно, что чувствительность ПЗС камер, отнесенная к определенному значению с/ш, вплотную подошла к физическому пределу. По нашему заключению типичные значения чувствительности камер общего применения при с/ш=46 лежат в диапазоне 0.15-0.25 лк освещенности на обьекте при светосиле обьектива 1.4.

В связи с этим мы не рекомендуем слепо доверять цифрам чувствительности, указанным в описаниях телекамер, тем более, когда не приведены условия определения этого параметра и, если вы видите в паспорте камеры ценой до 500 $ чувствительность 0.01-0.001 лк в телевизионном режиме, то перед вами образец, мягко говоря, некорректной информации.

О способах повышения чувствительности ПЗС камер

Что же делать, если вам надо получить изображение очень слабого объекта, например, удаленной галактики?

Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Рис1 Планетарная туманность М57.

Телескоп: 60 см, экспозиция - 20 сек., темпеpатуpа во вpемя экспозиции - 20 С.
В центре туманности звездный объект 15 звездной величены.
Изобpажение получено В. Амиpханяном в САО РАH.

Можно утверждать с достаточной точностью, что чувствительность ПЗС камер прямо пропорциональна времени экспозиции.

Например, чувствительность при выдержке 1 сек по отношению к исходной 1/50с увеличится в 50 раз т.е. будет лучше - 0.005 лкс.

Конечно на этом пути есть проблемы, и это, прежде всего, темновой ток матриц, который приносит заряды, накапливаемые одновременно с полезным сигналом. Темновой ток определяется во-первых, технологией изготовления кристалла, во-вторых, уровнем технологии и, конечно, в очень большой степени рабочей температурой самой матрицы.

Обычно для достижения больших времен накопления, порядка минут или десятков минут, матрицы охлаждают до минус 20-40 град. С. Сама по себе задача охлаждения матриц до таких температур решена, но сказать, что это сделать просто нельзя, поскольку всегда есть конструктивные и эксплуатационные проблемы, связанные с запотеванием защитных стекол и сброса тепла с горячего спая термоэлектрического холодильника.

В тоже время технологический прогресс производства ПЗС матриц коснулся и такого параметра, как темновой ток. Здесь достижения весьма значительны и темновой ток некоторых хороших современных матриц очень невелик. По нашему опыту камеры без охлаждения позволяют при комнатной температуре делать экспозиции в пределах десятков секунд, а при компенсации темнового фона и до нескольких минут. Для примера здесь приведена фотография планетарной туманности М57, полученная видеоситемой VS-a-tandem-56/2 без охлаждения с экспозицией 20с.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Спектральная чувствительность ПЗС камер

Рис.2 Спектральные характеристики различных матриц

Для некоторых областей применения, важным фактором является спектральная чувствительности ПЗС матриц. Поскольку все ПЗС изготавливаются на основе кремния, то в "голом" виде спектральная чувствительность ПЗС соответствует этому параметру у кремния (см. рис. 2).

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Рис. 3 Типичная спектральная характеристика черно-белых матриц SONY.

Фирма SONY все свои черно-белые матрицы выпускает со следующей спектральной характеристикой (см рис. 3). Как видно их этого рисунка чувствительность ПЗС в ближнем ИК значительно уменьшена, но зато матрица стала воспринимать синюю область спектра.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

О прогрессивной и черезстрочной развертке

Стандартный телевизионный сигнал, разрабатывался для системы вещательного телевидения, и имеет с точки зрения современных систем ввода и обработки изображения один большой недостаток. Хотя в телесигнале содержится 625 строк (из них около 576 с видеоинформацией), показываются последовательно 2 полукадра состоящие из четных строк (четный полукадр) и нечетных строк (нечетный полукадр). Это приводит к тому, что если вводится движущееся изображение, то при анализе нельзя использовать разрешение по Y более чем число строк в одном полукадре (288). Кроме этого в современных системах, когда изображение визуализируется на компьютерном мониторе (который имеет прогрессивную развертку), изображение, введенное с черезстрочной телекамеры при движении обьекта наблюдения, вызывает неприятный визуальный эффект раздвоения.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).

Другие параметры камер

К этим другим можно отнести такой параметр как "блюминг" т.е. расплывание заряда по поверхности матрицы при пересветке отдельных ее элементов. На практике такой случай может встретиться, например, при наблюдении объектов с бликами. Это довольно неприятный эффект ПЗС матриц, поскольку несколько ярких точек могут исказить все изображение. По-счастию, многие современные матрицы содержат антиблюминговые устройсва. Так в описаниях некоторых последних матриц SONY мы нашли 2000, характеризующую допустимую световую перегрузку отдельных ячеек, не приводящую еще к растеканию зарядов. Это достаточно высокое значение, тем более, что добиться этого результата можно, как показал наш опыт, только при специальной подстройке драйверов, управляющих непосредственно матрицей и канала предварительного усиления видеосигнала. Кроме того свой вклад в "растекание" ярких точек вносит и объектив, поскольку при таких больших световых перегрузках даже малое рассеяние за пределы основного пятна дает заметную световую подставку для соседних элементов.

Здесь также необходимо отметить и то, что по некоторым данным, которые мы сами не проверяли, матрицы с антиблюмингом имеют в 2 раза более низкую квантовую эффективность, чем матрици без антиблюминга. В связи с этим, в системах, требующих очень высокой чувствительности, возможно имеет смысл применять матрицы без антиблюминга (обычно это специальные задачи типа астрономических).

О цветных телекамерах

Материалы этого раздела несколько выходят за установленные нами же рамки рассмотрения измерительных систем, тем не менее широкое распространение цветных камер (даже большее чем черно-белых) вынуждает нас внести ясность и в этот вопрос, тем более, что Заказчики часто пытаются использовать с нашими черно-белыми фраймграберами цветные телекамеры, и очень удивляются, когда на полученных изображениях они обнаруживают какие-то разводы, а разрешение изображений оказывается недостаточным. Поясним в чем тут дело.

Существуют 2 способа формирования цветного сигнала:

• 1. использование одноматричной камеры.
• 2. использование системы из 3 ПЗС матриц с цветоделительной головкой для получения R, G, B компоненов цветного сигнала на этих матрицах.

Второй путь обеспечивает наилучшее качество и только он позволяет получить измерительные системы, однако камеры, работающие на этом приципе достаточно дороги (более 3000$).

В большинстве случаев используются одноматричные ПЗС камеры. Рассмотрим их принцип работы.

Как явствует из достаточно широкой спектральной характиристики ПЗС матрицы, она не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность. Поэтому для того, чтобы вводить цветное изображение перед каждым элементом ПЗС матрицы устанавливается светофильтр. При этом общее число элементов матрицы остается прежним. Фирма SONY, например, выпускает совершенно одинаковые ПЗС матрицы для черно-белого и цветного варианта, которые отличаются только наличием у цветной матрицы сетки светофильтров, нанесенных непосредственно на чувствительные площадки. Существуют несколько схем раскраски матриц. Вот одна из них.

Здесь используются 4 разных светофильтра (см рис. 4 и рис. 5).

Рис 4. Распредение светофильтров на элементах ПЗС матрицы

Рис 5. Спектральная чувствительность элементов ПЗС с различными светофильтрами.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

В строке A1 получают "красный" цветоразностный сигнал как:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

а в строке A2 получают "голубой" цветоразностный сигнал:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Отсюда ясно, что пространственное разрешение цветной ПЗС матрицы по сравнению с такой же черно-белой обычно в 1.3-1.5 раза хуже по горизонтали и по вертикали. За счет применения светофильтров чувствительность цветной ПЗС также хуже, чем у черно-белой. Таким образом можно сказать, что, если имеется одноматричный приемник 1000*800, то реально можно получить около 700*550 по яркостному сигналу и 500*400 (возможен вариант 700*400) по цветному.

Отвлекаясь от технических вопросов хочется заметить, что с рекламными целями многие фирмы-изготовители электронных фотоаппаратов сообщают совершенно непонятные данные по своей технике. Например, фирма "Кодак" обьявляет разрешение у своего электронного фотоаппарата DC120 1200*1000 при матрице 850х984 пикселей. Но господа - информация из пустого места не возникает, хотя визуально смотрится и неплохо!

О постранственном разрешении цветового сигнала (сигнала который несет информацию о цвете изображения) можно сказать, что она как минимум в 2 раза хуже, чем разрешение по черно-белому сигналу. Кроме того "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат обработки яркостей различных элементов исходной картинки. Грубо говоря, за счет резкого различия яркостей соседних элементов объекта может быть вычислен цвет, которого вовсе здесь и нет, при этом незначительное смещение камеры приведет к резкому изменению выходного цвета. Для примера: граница темного и светлого поля серого цвета будет выглядеть, состоящей из разноцветных квадратиков.

Все эти рассуждения касаются только физического принципа получения информации на цветных ПЗС матрицах, при этом надо учесть, что обычно видеосигнал на выходе цветных камер представлен в одном из стандартных форматов PAL, NTSC, реже S-video.

Форматы PAL и NTSC хороши тем, что могут сразу быть воспроизведены на стандартных мониторах с видеовходом, но при этом надо помнить, что этими стандартами для сигнала цветности предусмотрена существенно более узкая полоса, поэтому правильнее здесь говорить о раскрашенном, а не о цветном изображении. Ещё одной неприятной особенностью камер с видеосигналами, несущими цветовую компоненту, является появление, упомянутых выше, разводов на изображении, полученных черно-белыми фраймграберами. И дело здесь в том, что сигнал цветности находится почти в середине полосы видеосигнала, создавая помеху при вводе кадра изображения. Мы же не видим эту помеху на телевизионном мониторе потому, что фаза этой "помехи" через четыре кадра изменяется на противоположную и усредняется глазом. Отсюда недоумении Заказчика, получающего изображение с помехой, которую он не видит.

Из этого следует, что, если вам необходмо проводить какие-то измерения или дешифровку объектов по цвету, то к этом у вопросу надо подойти с учетом, как сказанного выше, так и других особенностей вашей задачи.

О CMOS матрицах

В мире электроники все меняется очень быстро и хотя область фотоприемников одна из наиболее консервативных, но и тут в последнее время на подходе новые технологии. В первую очередь это относится к появлению CMOS телевизионных матриц.

Действительно, кремний является светочувствитерным элементом и любое полупроводниковое изделие можно использовать как датчик. Использование CMOS технологии дает несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционной.

Во-первых, технология CMOS хорошо освоена и позволяет выпускать элементы с большим выходом годных изделий.

Во-вторых технология CMOS позволяет разместить на матрице кроме светочувствительной области и различные устройства обрамления (вплоть до АЦП), которые раньше устанавливались "снаружи". Это позволяет выпускать телекамеры с цифровым выходом "на одном кристале".

Благодаря этим преимуществам становиться возможен выпуск значительно более дешевых телевизионных камер. Кроме этого значительно расширяется круг фирм производящих матрицы.

В настоящий момент выпуск телевизионных матриц и камер на CMOS технологии только налаживается. Информация о параметрах таких устройств весьма скудна. Можно лишь отметить, что параметры этих матриц не превосходят достигнух сейчас, что же касается цены, то тут их преимущества неоспоримы.

Приведу в качестве примера однокристальную цветную камеру фирмы Photobit PB-159. Камера выполнена на одном кристале и имеет следующие технические параметры:

• разрешение - 512*384;
• размер пикселя - 7.9мкм*7.9мкм;
• чувствительность - 1люкс;
• выход - цифровой 8-ми битный SRGB;
• корпус - 44 ноги PLCC.

Таким образом камера проигрывает в чувствительности раза в четыре, кроме того из информации по другой камере ясно, что в этой технологии есть проблемы со сравнительно большим темновым током.

О цифровых фотоаппаратах

В последние время появился и стремительно растет новый сегмент рынка, использующий ПЗС и CMOS матрицы - цифровые фотоаппараты. Причем в настояший момент происходит резкое повышение качества этих изделий одновременно с резким понижением цены. Действительно еще 2 года назад одна только матрица с разрешением 1024*1024 стоила около 3000-7000$ , а сейчас фотоаппараты с такими матрицами и кучей прибамбасов (ЖК экран, память, вариообьектив, удобный корпус и т.д.) можно купить дешевле 1000$. Это можно обьяснить только переходом на крупносерийное производство матриц.

Поскольку эти фотоаппараты основаны на ПЗС и CMOS матрицах, то все рассуждения в этой статье о чувствительности, о принципах формирования цветного сигнала действительны и для них.

Вместо заключения

Накопленый нами практический опыт позволяет сделать следующие выводы:

• технология производства ПЗС матриц с точки зрения чувствительности и шумов весьма близка к физическим пределам;
• на рынке телевизионных камер можно найти камеры приемлемого качества, хотя для достижения более высоких параметров возможно потребуется подрегулировка;
• не следует обольщаться цифрам высокой чувствительности, приведенным в проспектах на камеры;
• и ещё, цены на абсолютно одинаковые по качеству и даже на просто одинаковые камеры у разных продавцов могут отличаться более чем в два раза!

1) Необходимо выбрать внутренние и внешние камеры видеонаблюдения . Для начала надо понять какие камеры мы хотим использовать цветные или чернобелые? Черно-белые обладают большей чувствительностью и дешевле цветных, с другой стороны у цветных камер можно больше снять информации с объекта слежения. При установке цветных камер на лестничной клетке при плохой освещенности, может получится что они не будут переключаться в цветной режим, т.е. им не будет хватать света для преодоления порога переключения, в этом случае нет необходимости в покупке цветных видеокамер.

• Выбор матрицы видеокамеры (CCD или CMOS). В настоящий момент камеры видеонаблюдения используют 2 типа матриц: ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) . Для преобразования света в электрические заряды и ПЗС-, и КМОП- матрицы используют фотоэлементы. Различие же между этими матрицамизаключается в том, как потом полученные электрические заряды считываются.

Преимущества ПЗС – Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент матрицы КМОП. Каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов, которые забирают довольно большую площадь. Другими словами, ПЗС-матрица воспринимает больше света, чем КМОП-матрица, у которой большая площадь матрицы просто не чувствительна к свету. Следует сказать, однако, что технологии КМОП-матриц активно развиваются и на рынке появляются все более и более чувствительные матрицы, постепенно догоняя матрицы ПЗС. В настоящий момент существуют две основные технологии КМОП-матриц – это Active Pixel Sensor (APS) и Active Column Sensor (ACS). Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица имеет минимальное количество активных электронных элементов, которые в результате нагрева могли бы вызвать тепловой шум в кадре. Преимущества КМОП – Разрешение. В настоящее время доступны относительно недорогие КМОП-матрицы разрешением 10 Мпикселей и более. При этом максимальное разрешение ПЗС матриц, используемыхв CCTV, составляет всего 1 мегапиксель. Низкая стоимость КМОП матриц. Камеры, использующие КМОП существенно дешевле аналогов на ПЗС. Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшать габариты камер. Физический размер матрицы определяется длиной диагонали в дюймах. Современные матрицы могут иметь следующие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. Чем больше физический размер матрицы, тем больше света приходится на каждый пиксель, что положительно влияет на чувствительность камеры.

• Процессор обработки видеосигнала присутствует во всех аналоговых CCTV камерах. Это важнейший модуль, который производит первичную обработку видеосигнала: корректирует яркость, цветность, контрастность изображения, а также выполняет более сложные операции. Вот некоторые популярные функции, выполняемые процессором обработки видеосигнала:

AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемую картинку при низкой освещенности. Обычно диапазон регулировки ограничивается 10-кратным усилением, так как большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала. AWB (Automatic White Balance), или AWC (Automatic White Compensation) , автоматическая регулировка баланса белого цвета для нормализации цветопередачи. BLC (Back Light Compensation) / SBLC (SuperBLC) – компенсация фоновой засветки, которая позволяет выровнять освещенность объекта в условиях яркого заднего фона. DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) – цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон для получения качественной картинки в условиях, когда одна часть кадра темная, а вторая – очень яркая.

• Светочувствительность (Лк) на сегодняшний день является одним из самых важных параметров при выборе камеры. При выборе камеры, прежде всего, нужно, конечно, обращать внимание на чувствительность,
  заявленную в спецификации. Уровень минимально необходимой освещенности измеряется в люксах. 1 люкс означает, что камера будет что-то показывать в сумерках, однако ночью без хорошей искусственной подсветки она ничего не “увидит”. Приемлемые показатели для камеры, которая будет устанавливаться на улицу – это 0.01 лк и ниже. В таблице приведены некоторые ориентиры для сравнения:

Однако количество «люксов» довольно непросто измерить, поэтому не всегда указанная в спецификации чувствительность, отражает реальные возможности камеры. Для того чтобы составить впечатление о чувствительности камеры нужно обратить внимание на размер матрицы, а также – на ее тип. Чем больше размер, тем лучше; CCD лучше, чем CMOS; ACS КМОП лучше, чем APS КМОП. Но самый надежный и рекомендуемый способ – это, конечно, провести тестирование, записав несколько тестовых роликов движущихся объектов в условиях недостаточной освещенности.

Важно понимать, что в условиях недостаточной освещенности разрешающая способность камеры существенно ухудшается. Помимо этого появляется эффект «смазывания» движущихся объектов из-за увеличенной выдержки. Обычно, когда уровень освещенности снижается до заявленной чувствительности камеры, качество картинки падает до неприемлемого уровня.

• Фокусное расстояние или «угол обзора» (F=) – это расстояние от главной точки объектива до точки фокусировки лучей. Для нас важно понимать, что фокусное расстояние определяет угол захвата сцены. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол и больше видимое приближение. Вариофокальный объектив , или объектив с переменным фокусным расстоянием, имеет возможность менять фокусное расстояние и, соответственно, углы. Существует ряд платных и бесплатных программ, которые помогут перевести миллиметры фокусного расстояния в углы.

• Разрешающая способность телекамеры (ТВЛ). Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разре­шающей способности системы видеонаблюдения (телекамера-линия связи-устройство записи-мони- тор), то основной частью системы будет устройство ввода (то есть в большинстве случаев разрешаю­щая способность системы будет во многом определяться разрешающей способностью телекамеры). Существует разрешающая способность по вертикали и разрешающая способность по горизонтали. Эти параметры измеряются по испытательной таблице.

Разрешающая способность по вертикали - это максимальное число горизонтальных линий, которое способна передать телекамера. Это число ограничено стандартом CCIR/PAL до 625 горизонтальных строк и стандартом EIA/NTSC до 525 строк. Реальное вертикальное разрешение (в обоих случаях) далеко от этих значений.

Разрешающая способность по горизонтали - это максимальное число вертикальных линий, кото­рые способна передать телекамера (В тех случаях, когда в документации указана только разрешающая способность, то это надо пони­мать, как разрешающая способ­ность погоризонтали). Горизонтальное разрешение ПЗС-телекамер обычно равно 75% горизонтальных пикселов ПЗС-матрицы. Как объяснялось выше, это результат соотноше­ния сторон 4:3. В частности, подсчитывая вертикальные ли­нии в целях определения гори­зонтального разрешения, мы считаем только горизонтальную ширину, эквивалентную высоте монитора по вертикали. Идея в основе сего - получить линии равной толщины, как по верти­кали, так и по горизонтали. Итак, если мы подсчитаем общее количество вертикальных линий по ширине монитора, то их надо умножить на 3/4 или 0.75. Поскольку это необычный расчет, то мы обычно называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями (TBЛ) , а не просто линиями. Максимальная разрешающая способность в аналоговых камерах составляет 600ТВЛ.

Практический опыт показывает, что человеческий глаз с трудом различает разницу в разрешающей способности, если она составляет менее 50 линий. Это не означает, что разрешающая способность не является важным фактором в определении качества телекамеры, просто небольшая разница в разрешении едва заметна, особенно если она меньше 10% общего числа пикселов.

Цветные телекамеры с одной ПЗС-матрицей (используемые в системах видеонаблюдения) имеют меньшую разрешающую способность, чем черно-белые, из-за деления на три цветовых компонен­та при том, что размеры этих ПЗС-матриц такие же, как у черно-белых телекамер. Трехматричные цветные телекамеры, используемые в телевещании, могут иметь гораздо более высокое разреше­ние. Появились телекамеры высокой четкости, где три 1-дюймовые матрицы дают горизонтальное разрешение, близкое к 1000 ТВЛ.

Отношение сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал телекамеры, осо­бенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизиро­вать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус телекамеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процес­сами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами. Прим. ред.). Источниками шума внутри телекамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэто­му «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от температуры.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изобра­жение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Силь­но зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от телекамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры определяется как отношение сигнала к шуму, производимому матрицей и электроникой телекамеры. Чтобы получить реальное отноше­ние сигнал/шум телекамеры, все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) долж­ны быть отключены, включая гамма-коррек­цию, АРУ, электронный затвор и схему компен­сации встречной засветки. Температура долж­на быть на уровне комнатной.

Для ПЗС-телекамер в видеонаблюдении отноше­ние сигнал/шум более 48 дБ считается хорошим. Следует помнить, что изменение отношения сигнал/шум на 3 дБ означает примерно 30-процентное уменьшение шума, так как уровень видеосигнала не меняется. И при сравнении телекамеры, у кото­рой сигнал/шум равен 48 дБ, с телекамерой, у которой, например, эта величина равна 51 дБ, послед­няя даст значительно лучшее изображение, что будет особенно заметно при низких уровнях освещен­ности. Говоря об отношении сигнал/шум, мы всегда полагаем, что АРУ отключена. Если не допускать значительного нагрева телекамеры, то шум будет меньше.

Для сравнения приведем такую величину: ПЗС-телекамеры в телевещании имеют отношение сигнал/шум более 56 дБ, что чрезвычайно хорошо для аналогового видеосигнала.