Огляд властивостей та технічних параметрів відеокамер

 

Формат матриці

 

 

Розмір матриці описується параметром, називаним формат. Формат — це розмір діагоналі матриці, приблизно дорівнює діаметру мішені відповідного відикона. Він вимірюється в дюймах і приймає значення: 1'', 2/3'',1/2", 1/3", 1/4". Матриці великого формату 1", 2/3'' практично перестали випускатися, тому що камери на їхній основі виходять дуже громіздкими й дорогими. Останні моделі ПЗС - матриць фірми "Sony" мають формат 1/4''. На основі таких матриць деякі фірми випускають надмініатюрні камери.

Удосконалення технологій дозволяє робити зменшення формату без погіршення якості переданого зображення. Кожна нова матриця при меншому форматі має роздільну здатність не гірше, ніж попередня.

 

 

2.2Роздільна здатність

 

 

Важливий параметр ТВ камери - роздільна здатність. Цей параметр визначає можливості камери по відтворенню дрібних деталей зображення: чим вище роздільна здатність, тим більше детальність, інформативність картинки. Роздільна здатність вимірюється в телевізійних лініях (ТВЛ) і залежить не тільки від числа пікселів у матриці, але й від параметрів електронної схеми камери. У більшості випадків роздільна здатність 380-400 ТВЛ цілком достатньо для спостереження. Існують камери, що мають більше високу роздільну здатність - 560-570 ТВЛ. Такі камери дозволяють чітко бачити дрібні деталі зображення (номера машин, особи людей і т.д.). Роздільна здатність кольорових камер трохи гірша, ніж роздільна здатність чорно-білих: 300 - 350 ТВЛ. Існують кольорові камери більше високої роздільної здатності - 460 ТВЛ. У цей час на ринку систем відеоспостереження з'явилися цифрові (DSP - цифрова обробка зображення) кольорові камери високої роздільної здатності (460-480 ТВЛ).Для того щоб визначити роздільну здатність, звичайно використовують спеціальний телевізійної тест - таблицю, у якій зображені групи ліній, відстань між якими відповідає певній роздільній здатності.При цьому роздільна здатність камери визначається по тій ділянці таблиці, де лінії в групі перестають бути помітні роздільно.

Роздільна здатність визначається, як кількість переходів (у видимій частині растра) від чорного до білого або назад, що може бути передано камерою. Тому одиниця виміру дозволу називається телевізійною лінією (ТВЛ). Роздільна здатність по вертикалі у всіх камер стандарту CCIR (крім камер зовсім аж поганої якості) однакова, тому що обмежена телевізійним стандартом - 625 рядків телевізійної розгортки. Основна відмінність камер - в роздільній здатності по горизонталі, і саме вона звичайно вказується в технічних описах. На жаль, існуюче визначення роздільної здатності не зовсім пристосовано для сучасних CCD-камер.

На роздільну здатність камери впливають два фактори: кількість горизонтальних елементів матриці й смуга частот відеосигналу, формованого камерою. Дискретна точкова структура матриці призводить до ефекту "биття" при спостереженні смугастої картинки. Наприклад, якщо в матриці 520 елементів по горизонталі, то, направивши її на тестову таблицю, що містить 260 чорних та 260 білих ліній, ми побачимо чітку картинку з 520 ліній. Однак якщо змістити зображення на половину елементу матриці, то на кожен елемент потрапить половинка чорної й половинка білої лінії. Ця камера може, у принципі, передати 520 ліній (однак дуже відносно). Прийнято вважати, що надійно в такому випадку передається кількість ліній, що не перевищує 3/4 від числа елементів. Тобто камера з 520 елементами має роздільну здатність 390 ТВЛ. На даний час такий підхід практично закріпився в стандартах, однак, нерідко несумлінні виробники в рекламних цілях указують завищене значення своїх камер. Для передачі сигналу 390 ТВЛ необхідна смуга частот 3,75МГц (195 періодів на 52 мкс активної частини рядка телевізійного розгорнення). У цей час створення напівпровідникових підсилювачів не є проблемою, тому смуга пропускання підсилювачів камери звичайно значно (в 1,5-2 рази) перевершує необхідну. Так що роздільна здатність обмежується саме дискретністю структури ПЗС - матриці. Іноді факт застосування гарного електронного підсилювача називають термінами "resolutionenhancement" або "edgeenhancement". Однак треба усвідомлювати, що застосування високоякісного підсилювача не поліпшує властиво роздільну здатність, а тільки поліпшується чіткість передачі границь чорного й білого, та й то не завжди.

У цей час деякі виробники декларують роздільну здатність своїх кольорових камер 480 і більше ТВЛ. При цьому, як правило, не акцентують увагу на тім, що ця роздільна здатність реалізується лише в тому випадку, якщо сигнал знімається з Y-C (S-Video) або компонентного (RGB) виходу. У цьому випадку сигнали яскравості й кольору передаються двома (Y-C) або трьома (RGB) окремими коаксіальними кабелями від камери до монітора. При цьому монітор, а також все проміжне устаткування (комутатори, мультиплексори, відеомагнітофони й т.д.) також повинні мати входи/виходи типу Y-C (або RGB). У протилежному випадку, єдиний проміжний елемент, що обробляє композитний відеосигнал, обмежить смугу пропускання згаданими 3,8 МГц і зробить всі витрати на дорогі камери марними.

Слід звернути увагу, що параметр "роздільна здатність " має відношення не тільки до ПЗС- матриці в камері, але й до всіх цифрових приладів, як то: мультиплексор, квадратор, цифрові синхронізатори й т.д. Вони також обмежують загальну роздільну здатність систем телеспостереження.

Важливо знати, що роздільна здатність системи в цілому визначається тим компонентом, що має найнижчу роздільна здатність, тобто, якщо камера має розподільну здатність 430 ліній, а монітор — 200, то зображення на екрані буде відтворено з розподільною здатністю лише 200 ліній. Роздільна здатність може змінюватись при різних умовах освітленості. За низької освітленості вона звичайно знижується.

2.3 Чутливість

 

 

Чутливість - ще один важливий параметр ТВ камери. Цей параметр визначає якість роботи камери при низької освітленості. Виробники по-різному трактують це поняття. Найчастіше під чутливістю розуміють мінімальну освітленість на об'єкті (sceneillumination), при якій можна розрізнити перехід від чорного до білого, але іноді мають на увазі мінімальну освітленість на матриці (imageillumination). З теоретичної точки зору вірніше було б указувати освітленість на матриці, тому що в цьому випадку не потрібно обмовляти характеристики використовуваного об'єктива. Але користувачам при підборі камери удобней працювати з освітленістю на об'єкті, що він заздалегідь знає (або може виміряти). Тому звичайно вказують мінімальну освітленість на об'єкті, обмірювану в стандартизованих умовах: коефіцієнт відбиття об'єкта 0.75 і світлосила об'єктива 1.4.

Формула, що зв'язує освітленість на об'єкті й на матриці, наведена нижче:

 

I_imаge=I_scene*R/(n*F²),

 

 

деIimаge- освітленість на ПЗС – матриці;

Iscene - освітленість на об'єкті;

R - коефіцієнт відбиття об'єкта (див. таблицю 1.1);

F - світлосила об'єктиву.

Таблиця 2.1 - Приклади значень коефіцієнтів відбиття різних об'єктів

Об’єкт	Коефіцієнт відбиття (%)
сніг
біла фарба	75-90
скло
автостоянка з автомобілями
цегла
бетон	25-30
трава,дерева
людська особа	15-25

Одиниця виміру чутливості - люкс. Значення мінімальної освітленості на матриці й на об'єкті відрізняються, як правило, більше, ніж в 10 разів. Наприклад, якщо зазначено, що мінімальна освітленість на матриці дорівнює 0,01 люкс, то це значить, що при об'єктиві F1.4 мінімальна освітленість об'єкта - 0,1 люкс, а це - середнє значення для сучасної ТВ камери. Відомі фірми в паспортах і каталогах звичайно ставлять значення освітленості саме на об'єкті. Виробники ж середнього рівня прагнуть виділити свою продукцію за рахунок більшпривабливих характеристик чутливості, при цьому, як правило, “забуваючи” указувати, що виміри проводилися на матриці. Але навіть ці дані не дадуть вам ясної картини про чутливість, ще є багато факторів, що впливають на результати вимірів. Виміри проводяться за допомогою люксметра. Якщо телекамера зберігає необхідні параметри зображення при освітленості об'єкта в 0,1 люкса, можна стверджувати, що її чутливість становить 0,1 люкса. Але при цьому необхідно враховувати наступне: рівень сигналу (величина вихідного сигналу з камери дорівнює 1,0V або ж менше), місце виміру (чи був проведений вимір рівня освітленості безпосередньо на матриці ПЗС, або на об'єкті), чи використався об'єктив (якщо так, який відносний отвір), відбивну здатність тестованогооб'єкту. От чому для проведення подібних вимірів необхідно використати спеціальну кімнату. У порівнянні з людським оком чутливість монохромних ТВ камер істотно зміщена в інфрачервону область. Ця обставина дозволяє за недостатньої освітленості використати спеціальні інфрачервоні прожектори. Інфрачервоне випромінювання невидиме для людського ока, але прекрасно фіксується ТВ камерами на ПЗЗ. Для кольорових ТВ камер характерна значно менша чутливість у порівнянні з монохромними й відсутність чутливості в інфрачервоній області спектра. Чутливість більшості сучасних монохромних відеокамер - біля 0.01 - 1 люкс (при F1.2). Найбільш чутливі камери можуть використовуватися для нічних спостережень без ІЧ - підсвічування. Для ефективної роботи таких камер цілком достатньо місячного світла.

Таблиця 2.2 – Приклади значення освітленості при різних умовах

На вулиці: безхмарний, сонячний день	Більше 100 000 люкс (кут сонця 55°)
сонячний день, з легкими хмарами	70 000 люкс
похмурий день	20 000 люкс
ранок	500 люкс
сутінки	4 люкс
ясна ніч, повний місяць	0.2 люкс
ясна ніч, неповний місяць	0.02 люкс
ніч, місяць у хмарах	0. 007 люкс
ясна, безмісячна ніч	0. 001 люкс
безмісячна ніч із легкими хмарами	0. 0007 люкс
темна, хмарна ніч	0. 00005 люкс
у приміщенні без вікон	100 - 200 люкс
добре освітлені приміщення, офіси	200- 1000 люкс

Відношення сигнал/шум

Із чутливістю тісно пов'язаний параметр "відношення сигнал / шум"

(S/N = signaltonoise). Ця величина вимірюється в децибелах.

S/N =20*log (відеосигнал/шум)

Наприклад, сигнал/шум, рівний 60 дБ, означає, що амплітуда сигналу в 1000 разів більше шуму. При параметрах сигнал/шум 50 дБ і більше на моніторі буде видно чисту картинку без видимих ознак шуму. При 40 дБ іноді помітні мигтючі крапки, а при 30 дБ - "сніг" по всьому екрані, 20 дБ - зображення практично неприйнятно, хоча великі контрастні об'єкти через суцільну "сніжну" завісу розглянути ще можна. У даних, що приводять в описах камер, указуються значення сигнал/шум для оптимальних умов, наприклад, при освітленості на матриці 10 люкс і при виключеному автоматичному регулюванні посилення й гама - корекції. При зменшенні освітленості сигнал стає меншим, а шум, внаслідок дії АРП й гама корекції, більше. Нерідко чутливість камери вказують для "прийнятного сигналу", під яким мається на увазі такий сигнал, при якому відношення сигнал/шум становить 24 дБ. Це емпірично певне граничне значення відносини сигнал / шум, при якому зображення ще можна записувати на відеоплівку й сподіватися при відтворенні щось побачити.

Інший спосіб визначення "прийнятного" сигналу – шкала IRE (InstituteofRаdioEngineers). Повний відеосигнал (0,7 вольта без синхросуміші) приймається за 100 одиниць IRE. "Прийнятним" уважається сигнал близько 30 IRE. Деякі виробники, наприклад BURLE, “прийнятним” указують сигнал 25 IRE, інші - 50 IRE (рівень сигналу - 6дБ). Вибір "прийнятного" рівня визначається відношенням "сигнал/шум". Підсилити електронний сигнал неважко, але й шум підсилиться теж. Найбільшою чутливістю серед ПЗС - матриць масового застосування володіють Hyper-CAD матриці Sony, що мають мікролінзу на кожному світлочутливому осередку. Саме вони застосовуються в більшості ТВ камер високої якості. Розкид параметрів камер, що приводять, побудованих на їхній основі, означає різний підхід виробників до визначення поняття "прийнятний сигнал".Додаткова проблема пов'язана з тим, що одиниця виміру "люкс" визначена для монохромного випромінювання з довжиною хвилі 550 нм. Тому важлива характеристика - спектральна залежність чутливості відеокамери. У більшості випадків чутливість монохромних камер істотно (у порівнянні з людським оком) зміщена в інфрачервоний діапазон. У деяких модифікацій чутливість у ближній інфрачервоній області навіть вище, ніж у видимій. Ці камери призначені для роботи з інфрачервоними прожекторами. Спектральна чутливість кольорових камер практично збігається з людським оком. Протягом доби освітленість на контрольованому об'єкті, як правило, зазнає істотних змін. Для підтримки на постійному рівні кількості світла на матриці використають вбудований у камеру автоматичний електронний затвор (electronicshutter) або об'єктив з автодіафрагмою (autoiris). Об'єктиви з автоматичною діафрагмою підтримують освітленість матриці на постійному рівні, змінюючи величину відносного отвору. Діафрагма об'єктива, подібно до зіниці людського ока, при високій освітленості звужується, пропускаючи менше світла, а за низької освітленості розширюється. Це дозволяє одержати сигнал від відеокамери з гарною контрастністю, без засвідчування або затемнення. У системах зовнішнього спостереження рекомендується використовувати об'єктиви з автоматичною діафрагмою, тому що в цьому випадку вдається одержати необхідний ефект при рівнях освітленості більше 80000 лк.

2.5Автоматичний електронний затвор

 

Автоматичний електронний затвор, функціональний аналог витримки фотоапарата, забезпечує компенсацію зміни рівня освітленості й постійну середню яскравість зображення. Це досягається за рахунок зміни часу нагромадження фотозаряду, як наслідок, амплітуди відеосигналу. Швидкість перемикання затвору (час нагромадження) може досягати до 1/100000 секунди. Вартість об'єктивів без діафрагми значно нижче вартості об'єктивів з автодіафрагмою, і застосування телекамер з електронним затвором дозволяє заощаджувати в деяких випадках значні суми, тому що із цими камерами можна використати об'єктиви з ручною діафрагмою. Високочутливі камери разом з об'єктивами без діафрагми рекомендується використати тільки усередині приміщень, тому що діапазону перекриття електронного затвору недостатньо, щоб відпрацювати зміну освітленості "на вулиці". Використання електронного затвору також поліпшує спостереження за об'єктами, що швидко рухаються.

Застосування об'єктивів з авто діафрагмою переважає в наступних випадках:

- коли відеокамера працює в умовах сильно мінливої освітленості;

- коли потрібна максимальна глибина різкості, що досягається при максимально закритій діафрагмі об'єктиву;

- коли необхідно більш чітко передати границі яскравих об'єктів.

Об'єктиви для відеокамер

 

 

Фокусна відстань об'єктива вказується в міліметрах і за інших рівних умов визначає кут огляду. Більш широкий кут забезпечується меншою фокусною відстанню. І, навпаки, чим фокусна відстань більше, тим менше кут огляду об'єктива. Нормальний же кут огляду ТВ камери еквівалентний, куту зору людини, при цьому об'єктив має фокусну відстань, пропорційну розміру діагоналі матриці ПЗС. Виходячи з вищевказаного, об'єктиви прийнято поділяти на нормальні, короткофокусні (ширококутні), довгофокусні (телеоб'єктиви). Об'єктиви, фокусна відстань яких може змінюватися більше ніж в 6 разів, називаються ZOOM-об'єктивами (об'єктивами із трансфокатором). Даний клас об'єктивів застосовується при необхідності детального перегляду об'єкта, віддаленого від камери. Наприклад, при використанні ZOOM-об'єктива з десятикратним збільшенням, об'єкт, що перебуває на відстані 100 м, буде спостерігатися як об'єкт, ніби розташований на відстані 10 м. Найбільш часто використовують ZOOM-об'єктиви, обладнані електроприводами для керування діафрагмою, фокусуванням і збільшенням (motorizedzoom). Керування камерою, обладнаної даним об'єктивом, оператор може здійснювати з віддаленого поста. Зазвичай, об'єктив має два значення відносного отвору (1:F) або апертури. Максимальне значення F та мінімальне значення F; якщо повністю відкрита діафрагма, то -F мінімальна, якщо діафрагмаповністю закрита – то значення F максимальне. Значення F впливає на вихідне зображення. Мале F означає, що об'єктив пропускає більше світла, відповідно, камера краще працює в темний час доби. Об'єктив з F необхідний, при високому рівні освітленості або відбиття. Такий об'єктив буде перешкоджати “осліпленню” камери, забезпечуючи постійний рівень сигналу. Всі об'єктиви з автодіафрагмою використовують фільтр нейтральної щільності для збільшення максимального F. Апертура (F) впливає так само й на глибину різкості. Глибина чіткості показує, яка частина поля зору перебуває у фокусі. Більша глибина чіткості означає, що більша частина поля зору перебуває у фокусі (при закритій діафрагмі можливе досягнення нескінченної глибини чіткості). Мала ж глибина чіткості дозволяє спостерігати у фокусі лише невеликий фрагмент поля зору. На глибину чіткості впливають певні фактори. Так, об'єктиви із широким кутом огляду забезпечують, як правило, більшу глибину чіткості. Високе значення F свідчить також про більшу глибину чіткості. Найменша глибина чіткості можлива вночі, коли діафрагма повністю відкрита (тому об'єктив, сфальцьований у денний час, уночі може виявитися розфокусованим).

В умовах змінної освітленості рекомендується використати об'єктиви з автодіафрагмою. Об'єктиви з ручною діафрагмою в основному використовуюься для приміщень, де рівень освітленості постійний. З появою камер з електронним затвором, з'явилася можливість використання об'єктивів з ручною діафрагмою в умовах змінної освітленості. Однак необхідно враховувати, що при повністю відкритій діафрагмі в умовах поганої освітленості, значення F стає критичним, глибина чіткостізовсім незначна, що утруднює досягнення необхідного фокусування в денний час. Камера може підтримувати постійний рівень відеосигналу, але не може впливати на глибину чіткості. При повністю закритій діафрагмі глибина чіткості збільшується, однак це приводить до зниження чутливості камери.

Об'єктив з автодіафрагмою служить для досягнення необхідної якості зображення. Відео-керування це електронна схема відеодетектора, що перетворить відеосигнал у сигнал керування двигуном діафрагми. Об'єктиви з безпосереднім керуванням містять підсилювач постійного струму й електродвигун діафрагми, сигнал керування надходить із камери. Вирішальним фактором у виборі типу об'єктива є тип виходу керування на камері. Сучасні камери мають у більшості випадків обидва типи виходу.

 

Рисунок 2.1 - Структурна схемаWев-камери