Честные способы увеличения чувствительности

Существует только 4 сравнительно честных способа повышения чувствительности камеры:

1. Использование электронных выдержек длиннее 1/50 сек. Т.н. малокадровое телевидение. При этом собранное количество фотонов больше, а шумы повышаются меньше. Недостаток – смаз изображений движущихся объектов и даже потеря быстро движущихся.

2. Объединение при считывании соседних пикселей по 2, по 6, по 10 (Binning). Количество посчитанных фотонов возрастает пропорционально увеличенной площади пикселя, а шумы только в степени ½. Разрешение, разумеется убивается пропорционально количеству объединённых пикселей.

3. Дополнительное электронное усиление в сенсоре. Влечёт за собой усложнение и удорожание камеры.

4. Докоммутационное усиление – очень дорого.

Нечестные способы увеличения чувствительности

1. Использование электронных выдержек длиннее 1/50 сек (Sens Up). Недостаток – смаз изображений движущихся объектов и даже потеря быстро движущихся.

2. Применение очень глубокого АРУ (до 50 дБ) с дополнительным шумоподавлением. Недостаток – потеря высокочастотных составляющих сигнала, т.е. потеря разрешения.

3. Неумеренное расширение диапазона спектральной чувствительности в ИК- область. Недостаток – искажение интегральных контрастов и получение неестественной картины, а также требование применения специальных объективов, ахроматизированных в этом диапазоне.

4. Применение увеличенных значений гамма-коррекции, что только создаёт иллюзию высокой чувствительности, светлые участки изображения такими и остаются, а в тенях неумеренные шумы разрушают картину.

 

11. Средства адаптации камер к условиям внешней освещённости.

 

Режим повышенной чувствительности “Sense-Up”

Как бы хотелось, чтобы камерыпоказывали изображение в тёмное время суток и без подсветки. Но сигнал становится слабым и его не видно в шумах матрицы, входных каскадов и других возможных источников шумов. С шумами бороться очень трудно, а вот с их влиянием можно. Одинаковые сигналы суммируются по амплитуде, которая растет в количество раз.

Шумы, как правило, случайны, не коррелированный. В таких случаях суммирование происходит по мощности, которая пропорциональна квадрату напряжения. Значит, амплитуда шума растет в корень квадратный из количества суммирований раз.

Повышая время накопления сигнала, т.е. перейдя к пониженному количеству кадров с секунду при съёмке (и соответственно при воспроизведении, чтобы не нарушать масштаба времени) в 10 и более раз можно выиграть в отношении сигнал/шум. Значит можно дополнительно усилить сигнал и тем самым при более низкой освещённости получить более контрастный сигнал с достаточным разрешением.

Однако режим повышенной чувствительности не пригоден для наблюдения за быстро движущимися объектами. Их изображения будут смазаны, а при большом количестве суммируемых полей можно вообще не увидеть быстро движущихся объектов.

Улучшение передачи контраста

Факторы влияющие на передачу контраста:

• размывание на сенсоре

• эффекты растекания

• пиковая/средняя настройка объектива

• компенсация засветки фона

• Гамма-коррекция и стабильность черного

• отклик на пересветку

• блики в объективе

• блики на окне кожуха

Компенсация встречной засветки

Функция Back Light Compensation оптимизирует передачу градаций яркости и контраста сюжетно-важной части кадра в ущерб остальной (за счёт дополнительного усиления и сдвига рабочей характеристики). В самом простом варианте анализ проводится для центральной части изображения. В продвинутых камерах имеется возможность выбирать область оптимизации.

Настройка уровня чёрного

Корректор уровня «чёрного» в видеосигнале производит привязку уровня самого тёмного участка изображения в кадре к стандартному уровню «чёрного» в видеосигнале. При этом происходит автоматическая адаптация динамического диапазона видеосигнала на полный размах (от «черного» до «белого»). То есть, происходит как бы отсечка фоновой засветки снизу при этом автоматически возрастает размах собственно видеосигнала. Это значительно повышает контраст воспроизводимых деталей изображения в области уровней «чёрного» и общая картина из «выбеленной» становится «сочной» - контрастной. В телевизионных камерах высокого класса корректируется уход уровня «чёрного» до 30%.

Эквализатор гистограмм

При неравномерном освещении объекта, например на границы света и тени, контрасты размываются на участках большой локальной освещённости, а также значительно снижаются в области тени. Гистограмма уровней видеосигнала неравномерна.

Очевидно, что общий контраст сюжетно важных деталей значительно возрос. Легко просматриваются, ранее невидимые объекты как на свету, так и в тени. Это достигнуто путём исключения неинформативных уровней квантования и повышения коэффициента передачи (усиления) информационных уровней при восстановлении изображения в цифроаналоговом преобразователе на выходе видеокамеры.

Оконтуривание

Оконтуривание это одно из электронных средств повышения визуальной (субъективной) чёткости, заключающееся в уменьшении времени переходов (обострении переходов) от «чёрного» к «белому» и обратно. В конечном итоге, на воспроизводимом изображении это проявляется в подчёркивании контуров объектов и, соответственно, к возрастанию визуальной четкости.

Оконтуривание, “подчеркивание границ”, 2H или 3H “enhancer”, представляет собой электронный способ подчеркивания высоких частот, компенсирующего пониженную глубину модуляции. Многие камеры и мониторы для этого имеют регулировки, называемые настройкой резкости или детальности. Такая регулировка поднимает суммарную ЧКХ системы в той области, где она снижается, восстанавливая контрастность и усиливая на изображении мелкие детали и границы. Если сделать ее слишком сильной, то контуры получатся жестко подчеркнутыми, как на графическом рисунке.

Так работает простая аналоговая схема оконтуривания по горизонтали.

Однако!

Для оконтуривания по вертикали этого недостаточно. Требуется ЦИФРОВАЯ обработка (дорогие камеры). Каждый кадр оцифровывается, помещается в буфер памяти, над ним производится операции дифференцирования по столбцам и вычисляется скорректированный сигнал, который затем снова преобразуется в аналоговый.

 

12. Оценка разрешающей способности телевизионных камер.

 

Чёткость изображения

Чёткость изображения характеризует способность телевизионной системы воспроизводить мелкие детали изображения и оценивается разрешающей способностью (Resolution). Чем больше этих элементов, тем более мелкие детали изображения можно наблюдать и, соответственно получать больше информации. Высокая частота связана не только с мелкими деталями, но и с резкими переходами на изображении. Такие частоты есть везде, где очень близко друг к другу находятся светлые и темные участки изображения.

Разрешение оценивается визуально оператором по тестовым таблицам в двух направлениях: по горизонтали и по вертикали и определяется максимальным числом воспроизводимых чёрных и белых элементов (линий) изображения в обеих направлениях ( так называемых телевизионных линий, ТВЛ).

Эта единица измерения исторически связана с аналоговым способом формирования видеосигнала, когда по мишени видикона строка за строкой считывалась величина заряда, а затем также строка за строкой сигнал воспроизводился на экране монитора.

Но если для видикона предельное значение разрешения передающей камеры определялось точностью фокусировки электронного луча, то для современных камер на твёрдотельных сенсорах (ПЗС или КМОП) определяется размером пикселя.

Разрешение ЖК или плазменного монитора для цифровых систем уже не является столь важным и для оценки качества достаточно учитывать лишь возможности камеры.

Глубина модуляции

• Для оценки реальной четкости изображения кроме визуального способа может использоваться параметр "глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения", равный отношению размахов сигналов от мир с числом штрихов, равным максимальному разрешению и с минимальным числом штрихов (крупная деталь изображения). Видно что амплитуда сигнала на частоте 550 линий в камере с симметричным апертурным корректором заметно превосходит эти значения в камерах с корректором по первой производной и, тем более, в камере без корректора.

Разрешение по вертикали

Разрешающая способность по вертикали – максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование. Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре. Так, для стандартов CCIR и PAL это 625 строк или линий (точно 575), а для EIA или NTSC – 525 строк или линий.

Точное значение количества строк отличается от общего количества строк в кадре за счет того, что строки, «находящиеся» в кадровом гасящем импульсе, не передают изображение, а значит, и не должны учитываться в разрешающей способности по вертикали. Но это теоретическое разрешение.

В случае чересстрочного разложения изображения очень большое значение имеет точность расположения чётных строк в промежутках между нечётными (т.н. interlacing).

Усредняя по всем возможным факторам Келл предложил ввести поправочный коэффициент kell factor = 0,7

Исходя из вышесказанного, практическое разрешение по вертикали для CCIR и EIA равно 403 и 333 линиям соответственно.

Горизонтальное разрешение

Разрешающая способность по горизонтали – это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование. Она зависит от верхней границы полосы частот сигнала и от размера апертуры (диаметра) сканирующего луча для видикона или количества пикселей в строке твёрдотельного сенсора. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, чем выше частота этих элементов, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.

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 ¾. В результате чего и появился коэффициент 0,75, а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «TVL».

Это решение имеет и теоретическое обоснование. Надо учитывать, что при дискретной структуре расположения элементов, величина сигнала зависит от фазы пространственного положения, т.е насколько точно элементы высокочастотной структуры – стандартной миры – совпадают с пикселями строки.

Горизонтальное разрешение TVL

• разрешение - количество линий на ширине равной высоте картинки (отношение = 3: 4)

• максимальное количество линий (по горизонтали) которое можно различить равно количеству ячеек в строке

• предельное разрешение:
количество ячеек в строке x отношение сторон

пример: 752 pixels x 0.75= 564 ТВЛ

Это теоретический предел для сенсора

 

13. Телевизионные камеры специального назначения SWIP, ENCCD, камеры с докоммутационным усилением.

 

Однако есть и другие пути повышения, и очень резкого повышения, характеристик камер. Их можно разделить на два направления:

• Экстраординарное усиление видеосигнала в сенсоре (EMCCD) или на входе (докоммутационное усиление).

• Переход в среднюю инфракрасную область спектра (SWIR), где могут работать более чувствительные сенсоры и более высокие контрасты целей или в ещё более далёкую длинноволновую область (тепловидение).

ПЗС с электронным умножением (EMCCD)

Идея заключается в создании условий для дополнительного усиления сигнала в самом сенсоре перед считыванием.

Накопленный заряд передаётся по параллельным регистрам на линейный регистр, как и прежде, но в данном случае перед считыванием заряда на выходном узле производится его смещение через дополнительный регистр, так называемый умножающий регистр, в котором происходит усиление этого заряда. Таким образом, происходит усиление сигнала до уровня, превышающего шум считывания на усилителе, вследствие чего ПЗС с электронным умножением (EMCCD) может обеспечивать в 50-100 раз более высокую чувствительность, чем обычные ПЗС. Дополнительное ограничение шумов достигается охлаждением сенсора до -30°С с помощью эффекта Пельтье TEC (Thermoelectric Cooler).

Благодаря своим рекордным характеристикам такие камеры применяются там, где не допускается малокадровый режим.