Состав и функционал современных процессоров

Говоря о современном видеонаблюдении, часто можно услышать фразы «цифровая обработка видеосигнала», «процессор обработки видеосигнала», «цифровые функции видеокамеры»… Все они относятся к чипу, устанавливаемому в современные видеокамеры. Их общее название – Image signal processor (ISP). В данной статье попробуем разобраться с составом и функционалом современных процессоров, значительно помогающих получить с видеокамеры качественное изображение.

Для начала рассмотрим структуру современной аналоговой (не IP) видеокамеры на примере чипа NextChip NVP2170.
 

 

Картинка (световой поток), прошедшая через объектив и сформированная в CCD-матрице с помощью CFA – color filter array (набор оптических фильтров для формирования цветовых компонент видеосигнала), поступает на аналогоцифровой преобразователь (AFE на схеме) и в дальнейшем в цифровом 10-битном виде непосредственно в чип-процессор обработки сигнала. Прошедший обработку в чипе сформированный видеосигнал через усилитель подается потребителю (например, на видеорегистратор). Аналоговый интерфейс чипа включает схему привязки уровня черного, схему коррекции искажений, 10-битный АЦП. Тактовый генератор формирует все необходимые для CCD тактовые импульсы: RG, кадровые и строчные синхроимпульсы, импульсы регулировки чувствительности и импульсы подложки и ее смещения (шина CCD Control Timing Pulse). V-Driver отвечает за формирование горизонтальной развертки и яркость.
Среди прочих интерфейсов чипа отметим управлени



 

 

Структурная схема самого процессора (в качестве примера NextChip NVP2170) представлена на рис. 2
Функционал современных процессоров настолько широк, что достаточно трудно представить себе функцию, которая была бы необходима, но отсутствовала бы в современном чипе. Перечислим основные функциональные возможности:
BLC – Backlight Compensation, или в русской вариации названия «Компенсация встречной засветки». Функция позволяет получить качественное изображение даже при условии, что в камеру направлен яркий источник света или объект находится на фоне ярко освещенного участка. Есть вариант под названием HS BLC (Highlight Suppression Backlight Compensation) (HBLC, HLC-Highlight Compensation) – действие этой функции приводит к инверсии самых ярких участков кадра. В OSD-меню возможно настроить местоположение обрабатываемого участка кадра, уровень обработки, время работы (весь день или только ночь). В некоторых чипах можно настроить 2 сегмента кадра и выбрать цвет, которым заменяются сверхъяркие участки кадра, а также интенсивность инверсии.
Функция WDR (если просто, то динамический диапазон определяется как отношение максимального значения яркости изображения к ее минимальному значению) позволяет организовать качественный просмотр как светлых, так и темных участков кадра. Двойное сканирование кадра с помощью быстрых современных процессоров делит кадр на две составляющие, состоящие из темных и светлых участков кадра. Каждая составляющая обрабатывается отдельно (темная часть становится ярче, светлая остается прежней или немного уменьшается по яркости), потом эти две части совмещаются в кадр. Получается картинка из одинаково качественно обработанных темных и светлых участков. Кроме яркости автоматически подстраивается и контраст изображения.
DNR (Digital Noise Reduction) – система шумоподавления в цветном изображении при низкой освещенности. Названий этой функции много, зависит от производителя чипа или камеры. Нужно отметить, что 2DNR и 3DNR отличаются по способу обработки сигнала и, соответственно, по качеству получаемого результата.
Настройка яркости и контрастности видеосигнала, полная настройка баланса белого как в нескольких автоматических, так и в ручном режимах.
Настройка значения GAMMA. Гамма коррекция видеосигнала для комфортного восприятия видеоряда на мониторе человеческим глазом. Если основным монитором в прошлом был монитор на базе электронно-лучевой трубки (CRT), для которого оптимальным значением GAMMA было 0,45, то сейчас есть возможность настройки этого значения как по применяемому монитору (для LCD это значение 0,55), так и в режиме ручной настройки.
Управление затвором объектива с большим количеством значений в ручном режиме и наличие автоматического режима (SHUTTER в меню).
AGC – автоматическая система усиления видеосигнала до стандартного уровня.
SENS-UP – функция накопления заряда. Позволяет организовать наблюдение при очень низком освещении. Особенно актуальна при периметральном наблюдении. Обычно, указывая минимально возможную освещенность, при которой камера формирует читабельный видеосигнал, учитывают работу именно этой функции в чипе.
Работа режима «день-ночь» в различных вариантах: только цветное/только монохромное/автоматический переход состояний по настройкам в меню уровней освещения/совместная работа с ИК-подсветкой от внешнего датчика.
D-Zoom – цифровой зум, в разных моделях от 4х крат до 16.
PRIVACY – возможность закрытия приватных зон в видеокадре. От 4 до 12 в зависимости от чипа.
MOTION DETECT – настраиваемая по чувствительности и местоположению в кадре функция детекции движения. Обычно камеры не имеют сухого контакта на выходе, и кроме информации на экране пользователь ничего не получает.
CAM TITLE – возможность обозначить камеру цифробуквенным наименованием с выбором места нахождения названия камеры в кадре.
DIS (Digital Image Stabilization) – система цифровой стабилизации изображения. Функция позволяет компенсировать мелкие дрожания камеры.
SmartIR – управление яркостью свечения ИК-диодов. Smart-IR позволяет не засвечивать области изображения при приближении объекта наблюдения к камере. Например, при приближении человека Smart-IR снизит интенсивность подсветки, и его лицо не превратится в светлое пятно.
LANGUAGE – возможность выбора языка меню. Многие производители поставляют в Россию камеры с русскоязычным меню.
Функциональные составляющие чипов могут варьироваться от ценовой ниши и модельных рядов.
Широкие возможности настройки камер с процессором позволяют более точно подготовить камеру для работы в конкретной ситуации. При этом одна и та же модель с разными настройками может прекрасно работать как на периметре, так и на номерах автотранспорта или в качестве обзорной.
Можно с уверенностью сказать, что в настоящий момент идет гонка не только за наращивание разрешающей способности матриц, но и по мощности и функционалу DSP – сигнальных процессоров. Будем надеяться, что функционально наполненные чипы будут постепенно падать в цене и найдут свое применение не только в средней и профессиональной нише камер наблюдения, но и в нижнем ценовом диапазоне. И, соответственно, мощность и функционал применяемых чипов будут увеличиваться.
Наверное, нужно еще отметить следующее: применение процессоров и необходимость настройки камер через меню требует от монтажника более высококлассной подготовки. Как в понимании функционала камер, так и в знании иностранных языков. Поэтому обучение и подготовка монтажников должны производиться чаще и с применением и демонстрацией самых современных технологий. Да и потребителю стоит обратить вниманием на профподготовку монтажной организации.

CN8 Arctic (DiGiVi)
Уличная ИК-камера камера CN8 Arctic корейской сборки оснащена процессором цифровой обработки сигнала Nextchip, который тандемом с матрицей Sony последнего поколения обеспечивает видео с разрешением 600 ТВЛ. По функционалу камера является аналогом модели CN3-CH2-VFA16IR DNR и отличается наличием джойстика управления непосредственно на корпусе камерного блока.
Процессор Nextchip обеспечивает управление и настройку через OSD-меню следующего функционала: шумоподавление 3D-DNR, динамический диапазон WDR, компенсация засветки HS BLC, АРУ, баланса белого, Sens-up, ИК-подсветка Smart IR (дальность не менее 30 м), стабилизация изображения DIS и ряд других.
CN8 Arctic DiGiVi с двойным питанием и холодным стартом холодного старта от -50 °С. В схему камеры добавлено дополнительное термореле, которое сначала включает подогрев камеры. По достижении внутри температуры -5 °С подается питание на электронику камеры.

СHVD-ITW650RFA (Infinity)
CHVD-ITW650 RFD – интеллектуальная купольная камера на базе процессора SONY Effio и матрицы SONY 960H, которая формирует сверхчеткое изображение с разрешением 650 ТВЛ в цвете и 700 ТВЛ в черно-белом режиме. Камера отличается расширенным набором функциональных возможностей, среди которых система WDR, 3D-подавление шумов, интеллектуальная система компенсации засветки, маскирование приватных зон и др.
В дополнение к стандартным функциям процессор SONY Effio позволяет автоматически вести мониторинг области обзора, анализируя изображение в режиме реального времени. Имеются детекторы движения с возможностью цифрового увеличения области и оставленных/пропавших объектов. Есть функции распознавания лиц, учета направления движения и подсчет движущихся объектов, контроля изменения сцены.

Антивандальная видеокамера купольного типа TK-C2201WPE (JVC)
Предназначена для наружного наблюдения. При установке опционального обогревателя надежно работает при температуре до -30°С. Высококачественное цветное/черно-белое (механический ИК-фильтр) изображение камера формирует с разрешением 600 ТВЛ при освещенностях до 0,05/0,006 лк. Новейший 14-бит DSP-процессор обеспечивает четырехкратное превосходство над 12-бит в отношении улучшенной глубины и большей реалистичности изображения.
В TK-C2201WPE реализованы технология JVCSuper LoLux™, обеспечивающая корректную цветопередачу при слабой освещенности; функция AreaWhiteBalance, позволяющая применить автоматический баланс белого к отдельным областям кадра; функция BLC для «выравнивания» светлых и темных участков в условиях фоновой засветки; режим шумоподавления 3DNR; выбор типа гамма коррекции переключением режимов LCD1/LCD2/CRT.

LSR700P (LG)
Цветная уличная видеокамера «день-ночь» высокого разрешения с встроенным вариофокальным объективом, ИК-подсветкой 70 м, механическим ИК-фильтром (ICR) и расширенным динамическим диапазоном (WDR).
ПЗС матрица ¼. Разрешение – 540 ТВЛ цвет/ 570 ТВЛ ч/б режим. Встроенный цифровой DSP-процессор XDI. Варифокальный объектив 6–50 мм с автодиафрагмой. Минимальная освещенность – 0 лк. Встроенная ИК-подсветка – 45 светодиодов. Динамическое шумоподавление, компенсация задней засветки. OSD-меню. Встроенные цифровые эффекты. 4 области маскирования приватных зон. Питание – 12 В пост. тока, потребляемая мощность – 8,4 Вт. Габаритные размеры – 96 х 170 мм. Рабочая температура от -40 °С до 50 °С. Степень защиты корпуса IP66.

Всепогодная ИК-видеокамера камера JTW 6600TDN-V212IR (Jetek Pro)
Создана на базе новейшего DSP-процессора последнего поколения NextChip NVP 2170 наряду с высоким разрешением 600 ТВЛ, дополнительными особенностями, главная цель которых – достичь четкого изображения при любых условиях и освещенности.
Функция Smart-IR позволяет эффективно компенсировать сильную засветку наблюдаемого объекта от источника инфракрасного света. Чувствительность камеры, оснащенной функцией накопления заряда на матрице (DSS), составляет до 0,00002 лк.
D-WDR – электронное расширение динамического диапазона позволяет получать контрастное изображение вне зависимости от интенсивности освещенности и засветки HSBLC – компенсация яркого встречного света. 3D-DNR технология фильтрации шумов изображения дает четкую картинку при низкой освещенности и позволяет экономить до 70% объема жесткого диска видеорегистратора.

Всепогодная видеокамера CNB-XHB-21CS (CNB Technology)
Видеокамера сверхвысокого разрешения со встроенной ИК-подсветкой и вариофокальным объективом CNB-XHB-21CS создана на базе процессора Blue-I.
Система WDR процессора Blue-I обеспечивает чистую, сбалансированную картинку благодаря съемке в двух режимах чувствительности. Высокое разрешение 580 ТВЛ и автоматическая подстройка, а также коррекция граней цветовых переходов дает более живую, естественную картинку. Система шумоподавления 3D-DNR процессора Blue-I формирует наиболее оптимальное качество изображения при низком освещении, применяя усредненную фильтрацию шумов. А система Global Motion автоматически устраняет муар на движущихся объектах.
Функция затмения Eclipse, работая в совокупности с аналоговым усилением сигнала при низком уровне освещения, затемняет яркие источники света и принудительно повышает чувствительность видеокамеры. Стабилизация изображения позволяет полностью исключить дрожание изображения и получить идеально четкую картинку при любых вибрациях камеры.

Противотуманные телевизионные камеры «ЭВС»
Камеры имеют режим автоматического регулирования контраста изображения до 15 дБ и позволяют существенно улучшить изображение при наблюдении в сложных погодных условиях (туман, дымка, снегопад и т.д.). Контрастирование необходимо не только при сложных погодных условиях, но и для повышения эффективности обнаружения малоконтрастных объектов, особенно при использовании длиннофокусных объективов, или микроскопов с большим увеличением, где уровень контраста из-за оптических ограничений может быть снижен в несколько раз. Схема контрастирования автоматически обнаруживает снижение контраста изображения и при необходимости автоматически увеличивает его в указанных условиях до 20 раз.
 
SCO-2370 (Samsung)
В камере SCO-2370 используется чип-сет (процессор) W5 (также может обозначаться как W-5,
WV). Данный чип-сет состоит из 2 микросхем (DSP, AFE). Поддержка горизонтального разрешения в 600 ТВ-линий (цвет), 700 ТВ-линий (ч/б). Разрядность АЦП 10 бит. До 32 зон маскирования. Увеличение чувствительности (интеграция кадров). Детекция движения, режим «день/ночь». Поддержка AFD (детектор автофокуса). Технология «2D+3D» подавления шумов (SSNRIII). Электронный трансфокатор х256. Дистанционное управление по коаксиальному кабелю или RS-485.
Рабочая температура от -50°C до +50°C при питании 24В перем. тока.
1/4" ПЗС-матрица Super HAD II. 37-кратный оптический трансфокатор (3,5 - 129,5 мм), 16-кратный цифровой. Экранное меню на 15 языках, включая русский. Компенсация фоновой засветки. Расширенный динамический диапазон SSDR. Цифровая стабилизация изображения. Увеличение чувствительности (интеграция кадров) от 2 до 512 раз.

Источник: Журнал ТЗ № 3 2011