В рубрику "В центре внимания. Тесты " | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Предлагаем вашему вниманию результаты сравнительных испытаний объективов мегапиксельного разрешения, а также краткий обзор некоторых тенденций в области получения изображений высокого разрешения в системах видеонаблюдения. Под изображением мегапиксельного разрешения понимается изображение с общим количеством элементов разложения от 1 млн точек (мегапикселя).
Стремление к получению изображения фотографического качества в системах визуального контроля привело к появлению, в том числе и на рынке технических средств безопасности, камер мегапиксельного разрешения, для которых необходима специальная оптика повышенного разрешения. Мегапиксельные камеры позволяют вести обзорное наблюдение с одновременной идентификацией различных объектов -людей, регистрационных номеров автомобилей, кодировки грузов и т.д. Кроме того, с их помощью можно сократить количество камер на объекте. Для идентификации необходимо лишь увеличить масштаб изображения. Они незаменимы для ведения видеонаблюдения за дорожным движением, на контрольно-пропускных пунктах, таможенных терминалах, в местах массового скопления людей и т.д.
Камеры большого оптического формата, с фотоприемниками на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц), несмотря на хорошую чувствительность, имеют высокую стоимость, что ограничивает их применение для большинства задач, решаемых системами видеонаблюдения.
Приемлемой по стоимости альтернативой ПЗС-матрицам являются фотоприемники мегапиксельного разрешения, выполненные по CMOS-технологии, которые пока существенно уступают первым в чувствительности.
На сегодняшний день просматривается одна из тенденций уменьшения формата фотоприемника с одновременным ростом количества элементов разложения.
Все вышесказанное подтверждается конъюнктурой рынка технических средств видеонаблюдения, где львиную долю из представленных мегапиксельных камер составляют IP-камеры со CMOS-матрицами 1,3 Мпкс формата 1/3 и 1/4 дюйма.
Характеристики объективов для мегапиксельных матриц
Основной характеристикой при выборе объектива для мегапиксельных матриц с точки зрения получения изображения наиболее высокой детализации является физический размер элемента разложения (пикселя).
Применительно к дискретной структуре твердотельных матричных фотоприемников получение максимально возможного разрешения изображения возможно при условии, что оптическое разрешение объектива близко к величине, полученной при условии, что каждой линии (штриху) и каждому пробелу между ними соответствует по одному элементу разложения. Таким образом, одной линии на мм или двум телевизионным линиям (ТВЛ) должно соответствовать два пикселя. Тогда оптическое разрешение объектива может быть рассчитано по формуле:
Ор = Кэ.р/2Рм = 1/2Рэ.р,
где Ор - оптическое разрешение,
Кэ.р - количество элементов разложения по соответствующей координате,
Рм - размер матрицы по соответствующей координате,
Рэ.р- размер элемента разложения.
Некоторые значения оптического разрешения объектива в зависимости от размера пикселя приведены в табл. 1.
Другой важнейшей характеристикой фотоприемника, которую следует учитывать при выборе объектива, является физический размер его фоточувствительной области, то есть собственно формат. При неизменном фокусном расстоянии объектива уменьшение формата фотоприемника приводит к уменьшению углов обзора и поля видимости камеры.
Однако мегапиксельные камеры в большинстве случаев, наоборот, используются при больших углах обзора. А уменьшение формата фотоприемника приводит к необходимости уменьшения фокусного расстояния объективов. Поэтому для тестирования нами были выбраны именно наиболее короткофокусные объективы мегапиксельного разрешения.
Мегапиксельное разрешение неотрывно связано с оптическим форматом объектива и заявляется именно для максимального поддерживаемого формата. Например, объектив Fujinon DF6HA имеет следующие заявленные характеристики:
- поддерживаемый оптический формат - 2/3 дюйма, при котором размер формируемого изображения по диагонали равен 11 мм, а по горизонтали и вертикали при отношении сторон 4:3 соответственно 8,8x6,6 мм;
- поддерживаемое разрешение - до 1,5 Мпкс.
При таком разрешении и отношении сторон 4:3 рассчитанный формат разложения фотоприемника будет 1415x1060, а размер элемента разложения - 8,8/1415 = 6,2 мкм, что соответствует оптическому разрешению 1415/2x8,8 = 80лин/мм. Близкие размеры пикселя 6,5x6,25 мкм имеет матрица немегапиксельного разрешения Sony ICX409 (формат 1/3, разложение 752x582).
При выборе камеры для проведения испытаний за основу был взят размер пикселя наиболее часто применяемой в IP-камерах матрицы Micron МТ9М131 (1,3 Мпкс CMOS sensor, 1/3", 1280x1024), равный 3,6 мкм. Для такого размера пикселя расчетное оптическое разрешение составляет 1/2x0,0036=140 лин/мм.
Выбор тест-камеры
При испытаниях объективов необходимо выполнить условие: "Разрешение фотоприемника (матрицы камеры), который используется в качестве измерительного инструмента, должно быть выше оптического разрешения объектива". Формат матрицы должен соответствовать оптическому формату объектива, чтобы иметь возможность оценить разрешение и вносимые геометрические искажения по всему полю формируемого объективом изображения. Большинство из представленных объективов имеют формат 1/2 дюйма, поэтому он и был выбран.
В результате была выбрана тест-камера с цветной матрицей OV3620 формата 1/2 производства OmniVision (разложение 2048x1536, размер элемента 3,18 мкм). Очевидно, что физическое разрешение такой камеры составляет 1536 ТВЛ, а необходимое оптическое разрешение объектива соответственно 1536/2x4,8=160 лин/мм.
Испытания проведены в три этапа
Первый - ознакомление с заявленными характеристиками, визуальный осмотр и оценка качества изготовления объективов. Результаты сведены в табл. 2.
Второй этап - проверка соответствия фокусного расстояния и светосилы объективов заявленным величинам, а также оценка хроматических аберраций. Испытания на этом этапе произведены по методике, применявшейся в тестах, ранее опубликованных на страницах журнала, с помощью монохромной ТВ-камеры формата 1/3 дюйма высокого разрешения (752x582) и специально разработанного программного обеспечения. Результаты испытаний сведены в табл. 3.
Третий этап - оценка оптического разрешения в центре и по краю, то есть по полю формируемого изображения и геометрических искажений Фрагменты полученных изображений со штриховыми мирами и соответствующие им графики частотно-контрастной характеристики в центре и на краю приведены в табл. 4. Разрешение оценивается по величине контраста на заданной пространственной частоте. Чем выше контраст на этой частоте, тем выше четкость изображения и разрешение объектива.
Методы оценки оптического разрешения объективов
Для оценки оптического разрешения объективов в качестве тест-объекта выбрана испытательная таблица CCTV Labs с добавлением в ее состав штриховых мир с пространственной частотой до 1200 ТВЛ, располагающихся по диагонали таблицы. Эти миры позволяют оценить разрешение по всему полю изображения и построить графики зависимости контраста от пространственной частоты в точках их расположения. Изображения, полученные с испытуемыми объективами, приведены в табл. 4. По полученным изображениям можно визуально оценить величину геометрических искажений и равномерность освещенности по полю.
Для оценки разрешения был выбран верхний диапазон пространственных частот от 600 до 1200 ТВЛ, что с учетом размеров пикселя примененной матрицы, соответствует оптическому разрешению от 62,5 до 125 лин/мм. Изображения штриховых мир в центре и в правом верхнем углу испытательной таблицы, а также соответствующие им графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) в диапазоне пространственных частот от 600 до 1200 ТВЛ приведены в табл. 4.
Качество формируемого изображения можно оценить визуально по фрагментам денежной купюры, которая была установлена в центре испытательной таблицы при размере поля зрения (испытательной таблицы) 382 х 285 мм. Купюра содержит очень мелкие элементы для защиты от подделки и может быть использована как тестобъект. Эти фрагменты в увеличенном масштабе приведены в табл. 4.
Dee представленные на испытания объективы производства известных японских компаний. Высокое качество изготовления всех изделий является тому подтверждением. Примечательно, что только объектив Fujinon DF6HA-1B имеет в своем комплекте сопроводительную документацию. Объяснением этому может быть назначение таких объективов, то есть их узкая профессиональная направленность - с такими объективами имеют дело подготовленные специалисты, имеющие в своем распоряжении всю необходимую информацию о них.
Результаты испытаний
Выводы
Несколько слов в заключение
Приведенные испытания являются первой попыткой создания методики для оценки характеристик и потребительских качеств объективов высокого разрешения.
К сожалению, все представленные на тестирование объективы разработаны для систем технического зрения. По нашему мнению, в системах видеонаблюдения, где все большее применение находят мегапиксельные IP-камеры формата 1/4 и 1/3 дюйма, будут востребованы вариофокальные объективы высокого разрешения формата 1/3 дюйма с так называемой ИК (IR)-коррекцией. Многие производители оптики уже заполняют эту нишу. Например, у компании TAMRON уже существует серия мегапиксельных вариофокальных объективов с ручной и автоматической регулировкой диафрагмы. Надеемся, что читатели в самое ближайшее время будут иметь возможность ознакомиться на страницах журнала с результатами испытаний именно этих объективов.
Авторы выражают надежду на то, что результаты и выводы испытаний окажутся полезными для специалистов в области видеонаблюдения, которые заинтересованы в повышении качества изображения мегапиксельных камер и готовы выслушать конструктивные замечания по предложенной методике и предложения по ее совершенствованию и доработке.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2008
Посещений: 15692
В рубрику "В центре внимания. Тесты " | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
