Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

"Цифровая" оптика в CCTV

"Цифровая" оптика в CCTV

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

"Цифровая" оптика в CCTV

Б.Г. Бочаров
Директор ООО "БИК-Информ"

А.В. Поваго-Потемкин
Ведущий специалист ООО "БИК-Информ"

Качество цифрового изображения

Повсеместное внедрение цифровых технологий не могло не затронуть и CCTV. Основная тенденция развития такой системы - перевод всех ее компонентов на цифровую основу.

При записи на цифровой регистратор стандартного телевизионного сигнала, представленного в аналоговом виде, происходит, как минимум, одно аналогово-цифровое преобразование. А если при этом используется цветная камера, то речь уже идет о двух и более преобразованиях "аналог-цифра" и "цифра-аналог". Качество записанного на цифровой регистратор изображения при этом, как правило, определяется методом и степенью сжатия. Объектив в этом случае может иметь средние характеристики. Очевидное направление повышения качества изображения (разрешающей способности) предполагает увеличение количества элементов разложения фотоприемника, то есть использование мегапиксельных ТВ-камер и применение цифровых каналов передачи при записи изображения на цифровой регистратор "пиксель в пиксель". Соответственно существенно возрастают требования к объективу и его разрешающей способности. Разрешение (а следовательно и качество поступающего на вход цифрового регистратора изображения) определяется в первую очередь физическими размерами элементов разложения фотоприемника и характеристиками объектива.

Физические размеры элементов разложения матриц (пикселей) и их количество

Совершенствование технологий в области микроэлектроники определило тенденцию к миниатюризации фотоприемников с одновременным увеличением количества элементов разложения (пикселей), что ведет к росту детализации изображения (мозаика складывается из более мелких частей). Наиболее стремительное развитие в этом направлении наблюдается при разработке и производстве КМОП-структур. Стоимость их при массовом производстве неуклонно снижается, а области применения расширяются. При этом очень важно то, что происходит с физическими размерами матрицы и ее элементами разложения.

Если размер элементов разложения при росте их количества не изменяется, то чувствительность матрицы и требования по разрешающей способности объектива остаются прежними, однако растет физический размер фотоприемника, оптический формат и габарит объектива.

Другой путь увеличения количества элементов разложения матриц предполагает уменьшение размеров пикселя. При этом оптический формат может быть не только сохранен, но и уменьшен. В этом направлении последние несколько лет проходило развитие как ПСЗ, так и КМОП-структур. Уменьшение размеров пикселя приводит к существенному снижению коэффициента его заполнения из-за наличия периферии, предназначенной для обработки и передачи сигнала с каждого пикселя.

Чувствительность фотоприемника при этом падает, а требования к оптическому разрешению объектива существенно возрастают.

Наиболее ярко эта тенденция заметна в области цифровой фотографии, где количество мегапикселей стало для обывателя приоритетным фактором при выборе фото- или видеокамеры. Случается, что производители цифровых фотоаппаратов в маркетинговых целях заменяют матрицу в 3-мегапиксельной камере на 6-мегапиксельную; при этом используется оптика младшей модели - то есть та, что разработана под 3-мегапиксельную матрицу с соответствующим низким разрешением. В чем заключается преимущество для потребителя, можно только гадать.

В качестве примера в таблице 1 приведены характеристики ПЗС (CCD) матриц производства Sony, отражающие указанные тенденции. Одна из них заключается в разработке крупноформатных матриц высокого разрешения (ICX285, ICX282), вторая -бюджетных миниатюрных, ориентированных на массовое производство (ICX498, ICX495, ICX624, ICX629).

Требования к характеристикам объектива

При выборе объектива высокого разрешения следует не только полагаться на заявления его производителя, например такого типа - "megapixel lens -мегапиксельный объектив" или "super hight resolution - сверхвысокое разрешение". Это может означать только то, что такой объектив имеет повышенное разрешение (а насколько повышенное?), и не более того. Вообще, "На сколько мегапикселей этот объектив?" - вопрос некорректный. К примеру, матрицы от Sony ICX229 и ICX267 имеют одинаковые размеры пикселей: следовательно, требования к разрешению объектива у них одинаковые, только первая - матрица с разложением 752x582 (фор¬мат 1 /4), а вторая - 1360x1024 582 (формат 1 /2), то есть мегапиксельная.

Не совсем уместно и заявление производителя: "lens for 3 Mpix - для трехмегапиксельных матриц". Очевидно, подразумевается, что такое разрешение будет иметь место только при условии соответствия декларируемого оптического формата объектива и матрицы.

Обнадеживающую информацию о разрешении объектива несет указание в его технических характеристиках минимального размера пикселя, или количества линий на миллиметр, не только в центре, но и на краю (например, "Resolution (Center, Corner) - 100 lp/mm, 60 lp/mm" - то есть разрешение в центре - 100, на краю - 60 линий на мм).

Существуют различные классы и типы объективов, объединенных по одному или ряду ключевых параметров или характеристик, таких как:

  • размер формируемого изображения (оптический формат);
  • фокусное расстояние - определяет, в зависимости от размера фотоприемника, угол обзора;
  • светосила - вместе с чувствительностью фотоприемника определяет чувствительность всей системы;
  • спектральная характеристика - оказывает влияние на цветопередачу получаемого изображения для цветных камер и на его четкость - для монохромных камер;
  • частотно-контрастная характеристика - бражения от пространственной частоты;
  • разрешающая способность - определяет минимальный размер различимых по контрасту элементов изображения.

Из-за ряда ограничений, свойственных оптике, объектив вносит в формируемое изображение различные искажения (аберрации):

  • геометрические (дисторсия) - приводят к искажению формы изображения;
  • сферические - приводят к неравномерности четкости по полю изображения (сформированное объективом изображение лежит не на плоскости, а имеет сферическую форму);
  • хроматические - связаны с непостоянством коэффициента преломления линз объектива (явление дисперсии).

Новые технологии

Возрастающие требования к оптике, ориентированной на системы видеонаблюдения, а также жесткая конкуренция в этом сегменте рынка заставляют производителей осваивать новые технологии. Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие направления:

  • инфракрасная (ИК) коррекция;
  • применение асферических элементов;
  • разработка низкодисперсионных материалов для изготовления оптических элементов;
  • повышение предельной разрешающей способности.

ИК-коррекция

Почти у каждого производителя в линейке появились объективы с так называемой инфракрасной коррекцией, имеющие в своем обозначении индекс "IR". Суть ее заключается в том, что коэффициент преломления и прозрачность материала линз остается постоянным в широком диапазоне частот светового потока.

Объектив с такой коррекцией позволяет, в отличие от обычного, вести наблюдение как в видимой части спектра, так и в ближней инфракрасной области без дополнительной фокусировки. Эти объективы ориентированы на монохромные ТВ-камеры или камеры "день/ночь" для работы как в светлое, так и в темное время суток, с применением инфракрасной подсветки.

Асферика

Все больше в этом секторе оптики появляется объективов, имеющих в своем составе асферические (отличные от сферических) элементы, которые чаще всего обозначаются индексом "AS" (Aspherical). К достоинствам таких объективов можно отнести:

  • минимальные геометрические искажения (дисторсия);
  • высокую четкость по всему полю изображения;
  • увеличенную светосилу;
  • меньший габаритный размер.

Низкодисперсионная оптика

Спектральная зависимость коэффициента преломления материала линз наиболее заметно проявляется в длиннофокусной оптике с малыми углами обзора и приводит к хроматическим аберрациям (искажениям), проявляющимся на изображении в виде цветных окантовок на контрастных границах. Четкость изображения при этом заметно падает, а фокусировка затруднена. Объективы с применением элементов, изготовленных из низкодисперсионного стекла, обычно обозначаются индексом "ED" (Extra Low dispersion).

Объективы высокого разрешения

Разрешение в оптике оценивается с помощью штриховых тестовых мир, представляющих собой мишень, как правило, на основе стеклянной пластины с нанесенными на ней штрихами. Количество таких штрихов, приходящихся на единицу длины, при условии их визуального распознавания и является мерой оценки оптического разрешения. Если при проецировании такой миры на фотоприемник на получаемом изображении визуально можно различить штрихи, значит объектив разрешает данную пространственную частоту. Что касается дискретной структуры твердотельных матричных фотоприемников, то для получения максимально возможного разрешения изображения расчетное значение оптического разрешения объектива должно быть не менее величины, полученной при условии, когда одной линии (штриху) и пробелу между ними соответствует по одному элементу разложения, то есть одному штриху соответствует два пикселя. Путем несложных расчетов можно получить значения необходимого разрешения объектива применительно к физическому размеру элемента разложения матрицы. Для примера некоторые из этих значений приведены в таблице 2.

Отметим, что разрешение объективов, предназначенных для общих задач систем охранного видеонаблюдения, составляет около 30-60 линий на мм, а у лучших образцов оно доходит до 70-80 линий на мм.

  • для машинного зрения;
  • для цветных мегапиксельных ТВ-камер со встроенным инфракрасным отсекающим фильтром;
  • для монохромных мегапиксельных ТВ-камер;
  • панорамные;

Остановимся на некоторых их особенностях

.

Объективы для машинного зрения

Объективы для машинного зрения или промыщленного назначения выделены в отдельный класс, основными особенностями которого являются относительно большой оптический формат - от 1 /2 до 1 дюйма и высокое геометрическое подобие формируемого изображения - дисторсия менее 1 % и высокое разрешение.

Камеры промышленного назначения незаменимы в микроскопии, контроле автоматизированных технологических процессов в производстве и при выполнении других задач. С целью получения изображения, его передачи и последующего отображения с максимально возможным качеством такие камеры оснащаются высокоскоростными цифровыми выходами (интерфейсами), наиболее широкое распространение из которых получили интерфейсы IEEE 1394 и Camera Link. Последний из них специально разработан для решения этой задачи; стоимость такого оборудования очень высока.

Объективы для цветных мегапиксельных ТВ-камер

В отличие от ТВ-камер цветного изображения на основе ПЗС-матриц, на большинстве цветных КМОП-камерах отсутствует отсекающий инфракрасный фильтр (IR cut filter), предназначенный для подавления инфракрасной области светового потока, искажающего цветопередачу. Для таких камер чаще всего выпускаются специальные объективы со встроенным отсекающим инфракрасным светофильтром.

Объективы для монохромных мегапиксельных ТВ-камер

Для некоторых применений (например, при наблюдении с инфракрасной подсветкой), помимо высокого разрешения, необходима инфракрасная (IR) коррекция объектива.

. Объективы для панорамных мегапиксельных ТВ-камер

Отдельно следует упомянуть и класс объективов высокого разрешения типа "Рыбий глаз", которые нашли применение в панорамных бескинематических мегапиксельных камерах видеонаблюдения с большими углами обзора.

Такие камеры дают возможность контролировать большие площади с высокой детализацией изображения, позволяющей производить идентификацию, и нашли свое применение в местах скопления большого количества людей (аэропорты, вокзалы, стадионы, концертные площадки, гипермаркеты и др.).

Подобного рода системы позволяют программным способом создавать несколько виртуальных камер с функцией цифрового масштабирования, "опрашивать" любой фрагмент матрицы с выводом его на экран монитора; они также способны выполнять функции поворотной камеры с оптическим трансфокатором. Отсутствие механических узлов перемещения значительно увеличивает надежность такой камеры.

Для решения общих задач видеонаблюдения требования к характеристикам объективов высокого разрешения (например, геометрическим искажениям) не столь высоки, а оптический формат таких объективов, как правило, не превышает 1/2 дюйма.

Особенности применения мегапиксельных матриц

Изменение в номенклатуре объективов для CCTV неразрывно связано с развитием твердотельных матричных фотоприемников, выполненных на основе различных технологий. Наибольшее распространение в CCTV получили приборы с зарядовой связью ПЗС (CCD) и сенсоры на основе КМОП-структур (CMOS).

При одинаковом физическом размере дискретного элемента разложения (пикселя) ПЗС и КМОП-матриц чувствительность первой в несколько раз превышает чувствительность второй. Это связано с различием коэффициентов заполнения элементов разложения матричной структуры ПЗС- и КМОП-фотоприемников (отношение площади светочувствительной области к площа¬ди элемента разложения, которое для ПЗС составляет 50-80%, а для КМОП - 20-40%); наличием и формой микролинз, которые наносят над каждым элементом; различием квантовой эффективности светочувствительной области данных структур. В этой связи светосила оптики, ориентированной на КМОП-матрицы, должна быть более высокой, чем для ПЗС, чтобы получить аналогичную чувствительность модуля "объектив-камера". Поэтому для наблюдения в условиях низкой освещенности приходится применять камеры на ПЗС-матрицах.

Низкая чувствительность мегапиксельных фотоприемников требует дополнительных технических мероприятий, позволяющих получать изображение наблюдаемого объекта в условиях низкой освещенности. К таким мероприятия можно отнести дополнительное освещение объекта с помощью осветителей видимого диапазона или инфракрасных прожекторов. При наблюдении быстродвижущихся объектов (например, автомобилей или железнодорожного транспорта) время накопления (экспозиции) камеры должно быть минимальным, следствием чего также является снижение ее чувствительности. Другая проблема - необходимость в высокоскоростных каналах связи для передачи полученного изображения и его хранении на электронных носителях. В сложившейся ситуации один из вариантов применения мегапиксельных камер в системах видеонаблюдения - их использование совместно с обычными ТВ-камерами для фоторегистрации контролируемой зоны с заданной периодичностью при срабатывании датчика или по команде оператора. Со временем будут найдены приемлемые по стоимости технические решения, позволяющие в режиме реального времени вести видеонаблюдение с помощью мегапиксельных камер, однако на данный момент их применение в системах видеонаблюдения не нашло широкого распространения.

В ожидании перемен

Подводя итог, следует сказать, что повышение количества элементов разложения фотоприемников при сохранении существующих форматов матриц ТВ-камер, направленное на улучшение качества изображения, - вполне закономерный результат технологического прогресса. Для полноценного использования всех возможностей, которые они предоставляют, необходима соответствующая оптика высокого и сверхвысокого разрешения. Такие объективы уже присутствуют на рынке, однако стоимость их достаточно высока, а выбор не столь велик, как хотелось бы. В ближайшем будущем следует ожидать заполнения этого сегмента рынка, характеризующегося высокой степенью конкуренции. Следует обратить внимание и на то, что наряду с традиционным видеонаблюдением, для которого уже существует соответствующая оптика, появилось новое направление - фоторегистрация, которая потребовала и подобающей цифровой оптики. Современное CCTV - это цифровая фото/видеорегистрация наблюдаемых объектов.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2007
Посещений: 16229


  Автор
 

Бочаров Б.Г.

Директор ООО "БИК - Информ"

Всего статей:  1


  Автор
 

Поваго-Потемкин А.Б.

Ведущий специалист ООО "БИК - Информ"

Всего статей:  1

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