Черно-белые видеокамеры высокого разрешения

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Черно-белые видеокамеры высокого разрешения

М.Ю. Арсентьев
Генеральный директор НТЦ "Подсвет"

В центре внимания данной статьи - оборудование телевизионного наблюдения, а если точнее, главная часть любой системы - телекамеры. В первую очередь речь пойдет о черно-белых телекамерах высокого разрешения (550-600 ТВЛ), являющимися обычно "топовыми" моделями производителей

Общее количество элементов разрешения (пикселей) в ПЗС-матрицах черно-белых камер составляет 7хх по горизонтали и 5хх по вертикали, где цифры, обозначенные знаком "х", могут быть различны. Важно также количество "рабочих" пикселей, то есть непосредственно участвующих в формировании изображения. В статье рассматриваются корпусные камеры классической конструкции с посадочным местом под объектив стандарта C/CS, с самым распространенным форматом ПЗС-матрицы 1/3 дюйма и низковольтным (обычно 1 2 В постоянного тока) питанием. Это обусловлено тем, что модели с питанием ~220 В обычно являются просто модификацией низковольтных камер со встроенным источником питания. Обязательное условие - наличие у телекамеры стандартного НЧ-видео выхода (разъемы типа BNC или RCA). Теперь, когда обозначены принципы отбора рассматриваемых видеокамер, перейдем непосредственно к описанию их основных характеристик.

Разрешение и чувствительность

Главная составная часть телекамеры - ПЗС-ма-трица. Можно проследить любопытную закономерность: при одинаковых ПЗС-матрицах корейские и тайваньские производители заявляют значительно более высокое разрешение (до 600 ТВЛ), чем владельцы всемирно известных брендов (обычно 550-570 ТВЛ). Это, между прочим, относится и к чувствительности телекамер. Поскольку методика измерения важнейших параметров может быть различной и путей "схитрить" существует множество, то потребитель должен понимать, какие возможности есть у данной ПЗС-матрицы, а чего добиться от нее никак нельзя, что бы там ни сообщали производители в своих каталогах. Солидные производители обычно указывают не только F число (апертурное число F прямо пропорционально фокусному расстоянию объектива f и обратно пропорционально диаметру D его входного зрачка, F=f/D) объектива, с которым проводилось измерение чувствительности, но и пороговый уровень сигнала (обычно в IRE) или отношение сигнал/шум. Наибольшей чувствительностью обладают камеры с ПЗС-матрицами, изготовленными по технологии ExView HAD. Это достигается за счет миниатюрных линз, размещенных перед каждой светочувствительной ячейкой (пикселем) и занимающих почти всю площадь рабочей зоны ПЗС, что позволяет не только увеличить чувствительность в 2-5 (но не в десятки!) раз, по сравнению с обычной ПЗС-матрицей, особенно в инфракрасном (ИК) диапазоне, но и помимо прочего делает более эффективной работу таких камер с ИК-осветителями в тех случаях, где нецелесообразно применение видимого освещения. Сравнительные значения относительной чувствительности обычных и ExView HAD ПЗС-матриц приведены на рисунке. Учитывая довольно высокую стоимость ИК-прожекторов, можно уверенно рекомендовать потребителям использовать с ними только камеры с ExView HAD ПЗС, так как их разница в цене по сравнению с обычными камерами того же разрешения значительно меньше, чем разница цен у прожекторов, отличающихся по мощности в 3-5 раз. Стоит отметить еще одну закономерность: если потребитель хочет получить максимальную чувствительность, ему не следует выбирать телекамеру высокого разрешения, поскольку при прочих равных условиях площадь светочувствительной ячейки у ПЗС высокого разрешения меньше и уровень получаемого сигнала соответственно ниже. Например, при проведении тестирования ИК-осветителей для журнала "Системы безопасности" (журнал "Системы безопасности" № 1 за 2005 г.) мы убедились, что обычная 30-долларовая бескорпусная камера стандартного разрешения со штатным объективом (F2,0; f=3,6 мм) имела в действительности совершенно такую же чувствительность, что и "топовая" корпусная модель высокого разрешения и высокой чувствительности того же известного корейского производителя, причем использовалась даже с более светосильным объективом (F1,2). Отметим, что в каталоге эти значения отличались на порядок. Есть еще некоторые методы увеличения чувствительности, например, увеличение коэффициента усиления системы АРУ видеосигнала (положение Hi переключателя AGC). Обратная сторона такого режима - рост шумов, усиливающихся вместе с сигналом. Другим методом увеличения чувствительности является режим накопления энергии сигнала во времени. Этого эффекта достигают путем увеличения времени между кадрами или суммируя сигналы с соседних пиксел, снижая тем самым разрешающую способность. Недостатки этих методов очевидны: они означают или переход к малокадровому телевидению со скоростями порядка 1-2 кадр/с и смазанными изображениями движущихся объектов, или снижение разрешения камеры. Иногда это допустимо, ведь главной задачей охранного телевидения обычно является обнаружение в любых условиях самого факта проникновения в охраняемую зону, а опознавание объекта - задача в ряде случаев второстепенная и не всегда необходимая.

Автоматическая диафрагма и электронный затвор

Выход управления автоматической диафрагмой объектива давно является непременным атрибутом современной корпусной телекамеры наблюдения. Практически все представленные камеры имеют возможность работы как с объективами VD (Video Drive), управляющимися видеосигналом, так и DD (Direct Drive), управляющимися сформированным в камере напряжением. В последнем варианте для настройки системы в камере присутствуют один или два регулятора, задающие порог срабатывания автодиафрагмы в каждом конкретном случае. В профессиональных телекамерах высокого уровня важно наличие переключателя значений электронного затвора (Electronic Shutter, ES). Если помимо автоматического режима, камера может работать также с электронным затвором, зафиксированном в значении, например, 1:1000 или 1:10 000 секунды, ее можно использовать в системах распознавания быстродвижущихся объектов (таких, как автомобильные номера).

Гамма-коррекция

Для работы с цифровыми системами видеозаписи немаловажна возможность изменения на телекамере коэффициента гамма-коррекции. Обычно он имеет значение 0,45. Само преобразование служит для более естественного, комфортного восприятия человеком соотношения освещенностей на экране (согласно логарифмическому, а не линейному закону). Однако это может быть помехой, например, при оцифровке сигнала или при наблюдении объектов с малой контрастностью и со средней освещенностью.

Синхронизация

Из-за повсеместной тенденции к совместимости оборудования различных производителей, а также из-за стремления к простоте и быстроте монтажа (с минимумом подсоединяемых к камере разъемов) сейчас относительно редко используется внешняя синхронизация камер. Она позволяет синхронизировать работу всего комплекса CCTV от камеры до монитора, включая блоки обработки и записи. Тем самым снижается вероятность сбоев и "срывов" изображения из-за асинхронности, а также увеличивается в ряде случаев количество кадров в секунду при воспроизведении и записи изображений за счет отсутствия задержек в работе устройств обработки сигнала при ожидании синхроимпульсов внутреннего генератора каждой камеры.

Зеркальное изображение

Для некоторых случаев, например при использовании телекамеры в качестве зеркала заднего вида в автомобиле, может пригодиться функция "зеркальное изображение". Правда, надо признать, что большинство автомобильных мониторов сами умеют "переворачивать картинку".

Back light compensation

Для уверенной работы камеры часто задействуется функция компенсации встречной засветки BLC. Нехитрое "зарезание в белом", то есть сознательная потеря части засвеченного изображения ради "вытягивания" темных участков, у аналогового механизма BLC не идет, конечно, ни в какое сравнение с возможностями современных встроенных в камеру процессоров цифровой обработки сигнала DSP. Наиболее "продвинутые" процессоры могут, например, "зачернить" самые яркие участки или вообще обрабатывать сигнал с каждого пикселя или с каждой группы пикселей отдельно. Это дает возможность, например, различать автомобильные номера в темное время суток при включенных фарах.

Цифровая обработка сигнала

Многие DSP телекамер используют цифровые технологии снижения шума (Digital Noise Reduction, DNR). Это позволяет теперь получать изображение приемлемого уровня в тех случаях, когда раньше, без использования DSP, нельзя было разобрать что-то на фоне шума (например, при предельно низких уровнях освещенности). Возможности процессоров DSP напрямую зависят от их разрядности, которая обычно составляет от 8 до 1 6 бит. Малое количество разрядов приводит, в частности, к характерному "квадратно-гнездовому" шуму на изображении. Не следует, однако, забывать, что любой процесс аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования (а именно это происходит на входе и выходе любого DSP) неизбежно и необратимо снижает разрешающую способность всей системы наблюдения. Поэтому наиболее перспективным нам кажется отказ от дополнительного цифроаналогового преобразования и передача сигнала от камеры в цифровом виде, что реализовано, например, в сетевых камерах.