ОБЗОР: Характеристики телекамер и современные технологии

Характеристиками видеокамер, в основном определяющими качество получаемого изображения, можно считать тип и формат матрицы, разрешение, чувствительность или минимальную освещенность на объекте, соотношение сигнал/шум и передаваемый динамический диапазон яркости или освещенности в кадре. Тенденции развития технологий вызваны, с одной стороны, стремлением улучшить основные характеристики камер и расширить условия их применения. С другой стороны, новые технологии и режимы обусловлены необходимостью компенсировать неизбежные потери от перехода на более дешевые матрицы меньших форматов. Зачастую они служат и просто маркетинговыми уловками, позволяющими привлечь покупателя "перспективными новинками".

Н.И. Чура
Технический консультант ООО "Микровидео Группа"

По мере развития техники видеонаблюдения уменьшается формат применяемых ПЗС-ма-триц (CCD). Это обусловлено, прежде всего, стремлением снизить стоимость матрицы, а также камеры в целом за счет последующего неизбежного снижения апертуры требуемого объектива.

Форматы и технологии матриц

По разным оценкам, снижение стоимости матрицы пропорционально третьей или даже четвертой степени кратности уменьшения ее диагонали. Однако уменьшение формата матриц неизбежно ведет к уменьшению их чувствительности за счет уменьшения площади светочувствительной области пикселя. Последовательная разработка технологий HAD, Super HAD, EXview HAD и Super HAD II позволила матрицам формата 1/3" и 1/4" в некотором смысле сравниться и даже улучшить чувствительность, устойчивость к "смазу" и блюмингу по сравнению с матрицами 1/2" и 1/3" прошлых лет. Например, технология HAD (Hole-Accumulation Diode) позволила увеличить чувствительность матрицы ICX055AL (наиболее распространенного формата 1/3") на 3 дБ по сравнению с базовой ICX045BAL. В свою очередь, преимущество по чувствительности для CCD Super HAD (ICX405AL) достигло 7 дБ, а для EXview HAD (ICX255AL) уже 11 дБ (с учетом чувствительности в ИК-диапазо-не). Одновременно на 20 дБ снижается "смаз" и на 3 дБ растет динамический диапазон. Естественно, аналогичные технологии применяются и в матрицах больших форматов, поэтому они остаются предпочтительными для применения в элитных моделях телекамер. Примечательно, что в настоящее время практически все производители матриц в той или иной мере используют технологию, аналогичную Super HAD, применяя при этом другие торговые наименования. Главной особенностью этой технологии является применение микролинзового массива, увеличивающего эффективную площадь пикселей. Для телекамер цветного изображения используются матрицы аналогичных технологий, только для получения цветовой информации на пикселях устанавливаются цветные светофильтры Байера. В CCD в основном используется фильтр CGMY (голубой - зеленый - лиловый - желтый). На рис. 1 представлена схема размещения элементарных фильтров на матрице и принцип цветоделения. Этот фильтр имеет вдвое большее пропускание, но исторически несколько худшую цветопередачу по сравнению с самым ранним RGGB-фильтром. Такой фильтр (рис. 2) в видеонаблюдении чаще всего применяется в CMOS-матрицах (КМОП-матрицах). Четыре светофильтра распределяются поочередно, по два пикселя в каждой строке, и формируют один элемент разрешения цветного изображения. Именно это является одной из главных причин более низкого разрешения цветных видеокамер. Значительно реже в камерах видеонаблюдения применяются матрицы технологии CMOS (КМОП). В основном область их применения - это мегапиксельные камеры и камеры с расширенным динамическим диапазоном (WDR) по методу индивидуальной регулировки экспонирования каждого пикселя (DPS PIXIM). Главным недостатком подобных матриц можно считать значительно меньшую чувствительность в результате применения фильтров RGB, упомянутых выше, и меньшей площади светочувствительной области пикселя из-за наличия в матрице значительно большего количества активных элементов схемы. Сейчас есть сообщения об использовании для видеонаблюдения матриц с лавинным эффектом EM-CCD. Эти устройства имеют существенно более высокую чувствительность и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при крайне малой освещенности, когда на пиксель приходится менее 100 фотонов. При типовых освещенностях эти устройства в сравнении с CCD имеют даже несколько худшие коэффициенты передачи. Подобные системы до настоящего времени применялись в техническом и научном телевидении для регистрации предельно низких световых потоков. Для успешного функционирования EM-CCD, как правило, требуется охлаждение и жесткая стабилизация электрического режима и температуры.

Разрешение видеокамеры

Одним из основных параметров качества видеокамеры, характеризующим ее способность передавать минимальные детали изображения, является разрешение. Если разрешение камеры не ограничивается разрешением ее объектива, то оно определяется только количеством чувствительных элементов матрицы по горизонтали и ни при каких обстоятельствах не может быть равным ему и тем более его превышать. Традиционно разрешение измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ), каждая из которых является суммой черной и белой полос измерительной миры или таблицы. По принципу действия для адекватной передачи одной ТВЛ требуется два элемента изображения. В результате экспериментов было установлено эмпирическое соотношение, названное коэффициентом (или фактором) Келла. Этот коэффициент определяет приемлемое соотношение между числом пикселей и разрешением в телевизионных линиях. Так, для черно-белой матрицы он составляет около 0,76, а для цветной - только около 0,64 (в результате необходимости наличия двух пикселей в каждой из двух соседних строк для создания одного элемента разрешения). В последние годы участились случаи существенного завышения заявляемого разрешения. Особенно в этом "преуспевают" производители из Китая, Тайваня и Ю. Кореи. Не отстают и дистрибьюторы: любопытно видеть разные характеристики на одну и ту же модель у продавцов разных стран. Так, типовое значение для черно-белого варианта матрицы стандартного разрешения - 500x582 пикселей CCIR, 380 ТВЛ и высокого разрешения - 752х582 пикселей CCIR, 570 ТВЛ. Пять лет назад компании Baxall, Pelco, JVC, Sanyo, Panasonic и др. не стеснялись заявлять такое разрешение для камер стоимостью 400-600 долларов, понимая, что другого просто не бывает. Сейчас не только бюджетные производители, но и мировые гиганты, чтобы не проиграть в конкурентной гонке параметров, не могут написать ничего, кроме 420 и 600 ТВЛ. Еще больший простор для манипуляции с цифрами - для цветных камер и камер "день/ночь" с цифровой обработкой. Здесь даже в цвете 550-560 ТВЛ - уже не предел. Встречаются и значения в 700-750 ТВЛ. Видимо, для обоснования реальности таких "достижений" приводится полное значение числа пикселей по горизонтали матрицы, и иногда из другого стандарта. Вместе с тем глупо спорить, что использование процессоров цифровой обработки (DSP) улучшает качество изображения.

Увеличение чувствительности накоплением по площади

Как уже упоминалось выше, чувствительность телекамеры определяется, прежде всего, чувствительностью матрицы. В результате общей тенденции уменьшения формата матриц и все большего применения систем цветного изображения довольно остро стоит вопрос о применении различных технологий увеличения чувствительности. О разработке новых типов матриц (Super HAD, Ex-view HAD и Super HAD II) уже говорилось выше. Кроме них, в камерах видеонаблюдения стали применяться известные методы накопления сигнала по времени и площади.

Накопление по площади, то есть увеличение площади светочувствительной области за счет суммирования сигналов соседних пикселей (Binning), широко известно и давно использовалось в специальных телекамерах некоторых компаний. В 2008 г. появилось сообщение о разработке Sony аналогичной технологии для видеонаблюдения с суммированием до 4 элементов, названной "световой воронкой". При этом, естественно, уменьшается разрешение изображения, но при малой освещенности оно и так не может соответствовать паспортным данным в силу неизбежного снижения отношения сигнал/шум. Поскольку один цветной пиксель представляет собой 4 пикселя составляющих цветов, по два из каждой строки, на самом деле суммируется по 16 первичных элементов.

Увеличение чувствительности накоплением по времени

Значительно более широко применяется метод накопления по времени, при котором многократно увеличивается время экспонирования кадра. В описании камеры он обычно обозначен как режим электронного повышения чувствительности Sens-up или режим накопления DSS. Чувствительность при этом растет пропорционально увеличению времени накопления. На фото 1 представлено четыре изображения статичного объекта, сделанных камерой с разным временем накопления. Но при этом, естественно, увеличивается временной интервал обновления кадра и падает реальная частота их смены. Это чревато "размазыванием" изображения движущихся объектов, уменьшением их яркости до прямого пропадания из кадра, особенно при малых угловых размерах объекта. Типовые значения максимального увеличения чувствительности в 160 или 256 раз, а также близкие к ним, малоприменимы. Как правило, для обеспечения безопасности интересны именно подвижные объекты, а за 6-10 с обстановка может измениться кардинально. В реальных условиях практически не представляется возможным получить выигрыш более чем в 8-10 раз, а все остальное можно отнести к области "рекламы и маркетинга". На фото 2 представлены изображения автомобиля, движущегося на небольшой скорости, снятые камерами "день/ночь" без накопления и с накоплением (до х32), а также камерой цветного изображения с максимальным накоплением х32.

Чувствительность в режиме "день/ночь"

К технологиям увеличения чувствительности можно отнести режим телекамеры "день/ночь", поскольку камеры цветного изображения по принципу действия имеют почти на порядок меньшую чувствительность. При этом предполагается, что в ночном режиме не просто пропадает цвет в изображении, но увеличивается интегральная чувствительность камеры, а спектральная область чувствительности расширяется в область ИК.

Подобными характеристиками в некотором смысле обладают видеокамеры с подвижным ИК-фильтром (IR Cut Filter). В настоящее время эта технология становится все более распространенной. Существенно упростился и уменьшился в размерах механизм замены фильтров. На фото 3 представлен традиционный механизм с электродвигателем, червячной передачей и классическими оптическими фильтрами толщиной 2-3 мм, а на фото 4 - современный механизм, совмещенный с автодиафрагмой объектива. Здесь используются тонкопленочные фильтры без компенсирующей пластины и магнитоэлектрические поворотные приводы со спусковым механизмом. Пурпурный отсвет от фильтра дает интерференционное покрытие, сверху виден нейтральный фильтр лепестка автодиафрагмы. Все это существенно снижает стоимость данного устройства. Правда, одновременно возникают некоторые сомнения в оптическом качестве элементов и в управлении. Причем это применительно и к автодиафрагме, и к диапазону, и к характеристике ее регулирования.

В полной мере воспользоваться всеми преимуществами цветного и черно-белого режимов возможно только в двухмодульных телекамерах или камерах со сменными матрицами. Только в этом случае можно оптимально использовать достоинства высокого разрешения цветного изображения при нормальной освещенности и максимальную чувствительность в видимом и ИК-спектре при стандартном разрешении в ночных условиях. Кроме того, есть возможность применять даже матрицы разных форматов. В каком-то смысле часть этого режима имитируется в камерах с пространственным накоплением.

Цифровое подавление шумов

Наряду с использованием в телекамерах цифровых процессоров обработки изображения (DSP) довольно часто стал применяться режим подавления шумов (DNR) и его варианты. Примечательно, что включение этого режима по заявленным параметрам не приводит к увеличению чувствительности или динамического диапазона. Это подтверждается отсутствием таких данных даже у серьезных европейских, американских и японских производителей. Потребность в подобной технологии была обусловлена несколькими факторами. Это, прежде всего, массовый переход на цифровую видеозапись и массовое же использование камер цветного изображения с матрицами малых форматов. Причем традиционная глубокая автоматическая регулировка усиления (АРУ/AGC) компенсирует недостаточную чувствительность в ночных условиях, увеличивая сигнал вместе с шумом. Это приводит к непрерывному срабатыванию детектора активности (движения) по шумам и резкому увеличению размера кадра, а в некоторых случаях - к зависанию цифровой системы записи от вычислительной перегрузки. Отчасти эти проблемы снижаются в режиме "день/ночь", но не снимаются полностью. На фото 5 представлены кадры от телекамеры с выключенной и включенной функцией DNR. Судя по получаемому изображению, система подавления шума изменяет время накопления для крупных и мелких деталей изображения (спектральных частот). Иными словами, крупные детали воспроизводятся с нормальным темпом смены кадров, а мелкие экспонируются реже. Промежуточные кадры передаются как бы в меньшей полосе, что эквивалентно меньшему разрешению. Изображение телекамеры содержит шум, но его картина меняется значительно реже и становится бледнее. Шумовая картина делается более стационарной и меньше раздражает глаз. В результате детектор движения системы записи срабатывает реже и не так стремительно увеличивает объем архива. Помимо этого, по всей видимости, увеличивается усиление для нижних частот, и картинка становится ярче, но лишается мелких динамичных деталей. В связи с этим практически невозможно проиллюстрировать работу системы понижения шума с помощью неподвижных изображений. К сожалению, примеры "изумительных" изображений, приводимые в каталогах, несколько приукрашивают действительность.

Увеличение динамического диапазона

Динамический диапазон телекамеры обеспечивает передачу в изображении ярких и темных фрагментов. К сожалению, этот диапазон невысок и уступает не только глазу, но и фотографии, а также кинематографу. Переход на малые матрицы снижает его еще больше. Для передачи изображения объектов в реальных условиях освещения традиционно применялось изменение линейности передаточной характеристики (гамма-коррекция) и режим компенсации заднего света (BLC). В этом случае приходилось жертвовать не очень важной частью изображения, которая уходила в темное или светлое. В настоящее время все более широко применяются различные технологии расширения динамического диапазона (WDR), позволяющие совместить в одном кадре и светлые, и темные фрагменты. Это стало возможным только при применении цифровой обработки изображений. Наиболее перспективным вариантом можно считать технологию DPS PIXIM, использующую индивидуальную подстройку времени экспозиции каждого пикселя. Данная технология реализуема только на матрицах большой интеграции CMOS и обеспечивает динамический диапазон до 100— 120 дБ. Весьма эффективными технологиями, реализуемыми на CCD с помощью современных цифровых процессоров, являются технологии WDR или Super Dinamic III. В них производится двойное экспонирование кадра при большом и малом времени накопления с последующим адаптивным суммированием изображений. Эти технологии обеспечивают динамический диапазон до 80-100 дБ. На фото 6 для сравнения приведены кадры большого контраста с типовыми технологиями видеокамер CCD и WDR PIXIM.

Вспомогательные функции

Цифровая обработка изображения в телекамере позволяет реализовать большое количество дополнительных функций, которые напрямую не связаны с качеством получаемого изображения, но иногда могут быть полезны. Приведем перечень только некоторых возможностей:

  • титры с номером и наименованием камеры, изменяемое положение и цвет надписи;
  • зоны маскирования для предотвращения нарушения "тайны частной жизни" (цвет маски может изменяться);
  • детектор движения (активности) с регулировкой чувствительности и зон анализа, индикация в поле кадра и наличие сигнала тревоги;
  • зеркальное отображение и изменение положения кадра;
  • фиксация ("заморозка") кадра;
  • получение изображения в дополнительных цветах (негатив);
  • цифровое увеличение (Digital Zoom). Обычно все управление функциями видеокамеры производится через экранное меню.

Итак, можно сделать вывод, что современные технологии даже при непрерывном снижении цены камер позволяют расширять их возможности и улучшать характеристики. Вместе с тем наметилась тенденция в моделях среднего ценового диапазона преувеличивать технические параметры, не уточнять числовые значения характеристик, эксплуатировать слова в превосходной степени, что более характерно для бытовой техники, а не для профессионального оборудования индустрии безопасности.      

Источник: Журнал "Системы безопасности" #5, 2009