Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Оптимизация схемотехники ТВ-камер с АРД-объективами для условий высокой освещенности

Оптимизация схемотехники ТВ-камер с АРД-объективами для условий высокой освещенности

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

Оптимизация схемотехники ТВ-камер с АРД-объективами для условий высокой освещенности

И.Д. Кашлаков
Руководитель технического отдела компании "БайтЭрг"

Ю.В. Скуратов
Ведущий специалист технического отдела компании "БайтЭрг"

В ясный солнечный день многие видеокамеры, особенно видеокамеры высокой чувствительности, теряют четкость изображения. В статье дан краткий анализ проблемы и способ ее решения, примененный в видеокамерах МВК

Неоправданные ожидания

Покупая недешевую камеру с ПЗС-матрицей высокой чувствительности, выполненной по технологии Ex-View HAD, потребитель надеется, что она будет хорошо работать как при низкой, так и при высокой освещенности на объекте. Если первое, безусловно, получается, то с работой при высокой освещенности все не так благополучно, даже при использовании объектива с автоматической регулировкой диафрагмы.

Оказалось, что в условиях высокой освещенности у видеокамер с высокочувствительными матрицами снижается разрешающая способность.

Суть проблемы кратко заключается в следующем. В ясный солнечный день освещенность на объекте может достигать 100 000 лк, тогда как для формирования сигнала максимальной амплитуды на черно-белой матрице средней чувствительности требуется менее 1 лк.

Таким образом, чтобы не допустить переполнения ячеек ПЗС-матрицы и искажения контрастности изображения, в условиях солнечного дня необходимо уменьшать энергию регулируемого светового потока более чем в 100 000 раз.

Нормирование экспозиции достигается с помощью

  • изменения времени экспозиции;
  • изменения диафрагмы;
  • использования нейтрального фильтра;
  • сочетания вышеперечисленных способов.

Время экспозиции в ПЗС-матрицах в стандартном режиме может изменяться в пределах от 20 мс до 10 мкс, то есть в 2000 раз. При этом нужно отметить, что в области коротких экспозиций на изображении появляется ореол или вертикальная светлая полоса от ярко светящихся объектов - как следствие неидеальной работы механизма защиты от пересветки Производители объективов с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД) предлагают более широкий диапазон изменения освещенности. В этих объективах изменение отверстия диафрагмы сочетается с использованием нейтрального фильтра. Например, в объективах Computar TG2314FCS-3 и Fujinon YV2.7X2.9LR4D-SA2 эквивалентное значение F-числа меняется в диапазоне от 1,4 до 360 и от 0,95 до 360 соответственно, то есть эти объективы позволяют изменять освещенность ПЗС-матрицы в 60 000 и 140 000 раз соответственно. Столь большой диапазон изменения освещенности, казалось бы, должен обеспечить корректную работу видеокамеры в солнечный день, однако фактически во всех встречавшихся нам объективах при высокой освещенности наблюдается существенное ухудшение четкости изображения.

Для примера в статье приведены фотографии тестовой таблицы, сделанные видеокамерой высокой чувствительности LCL-903Q фирмы WATECcAPfl-o6beicrMBOMYV2.7X2.9LR4D-SA2 фирмы Fuginon при освещенности: 50, 50 000 и 80 000 лк соответственно (фото 1).

Причиной столь существенного ухудшения резкости изображения является уменьшение размеров диафрагмы до недопустимо малых значений, когда становится существенным эффект краевой дифракции Френеля. В результате этого изображение теряет резкость.

Таким образом, ни существующие АРД-объек-тивы, ни электронный затвор, применяемые в отдельности, не обеспечивают нормальный режим работы ПЗС-матрицы во всем диапазоне освещенности.

Устранение конфликтной ситуации

Если в видеокамере для регулирования освещенности ПЗС-матрицы используется только оптико-механический контур (АРД-объектив), то потеря резкости изображения определяется двумя факторами:

  • чувствительность матрицы - чем выше чувствительность, тем ниже значение освещенности, при которой начинаются дифракционные искажения;
  • светосила объектива - чем меньше светосила объектива (больше F-число), тем при более высоком значении освещенности начинаются дифракционные искажения; и схемотехника видеокамеры исправить это положение не в состоянии.

Наблюдается парадоксальная ситуация, когда недорогая видеокамера невысокой чувствительности со стандартным объективом при солнечном свете дает более качественное изображение, чем высокочувствительная видеокамера с матрицей Ex-View HAD и дорогим светосильным объективом, что неоднократно отмечалось потребителями видеокамер.

Совмещение двух механизмов регулирования освещенности могло бы обеспечить нормальный режим работы ПЗС-матрицы практически в любом диапазоне освещенностей. Но одновременное включение обеих функций приводит к неустойчивой и неоднозначной реакции системы на изменение освещенности, поэтому при использовании АРД-объективов рекомендуют выключать электронный затвор.

Для устранения конфликтной ситуации и распределения функций между двумя контурами регулирования светового потока в литературе описывают два способа организации их взаимодействия:

  • рассовмещение порогов независимых измерителей, так что сигнал управления в одном из контуров вырабатывается лишь при исчерпывании динамического диапазона в другом;
  • линейное взаимодействие контуров посредством присвоения им различных порядков астатизма; оптико-механическому контуру присваивается обычно более высокий порядок астатизма.

Несмотря на кажущую простоту этих способов, добиться устойчивой и однозначной реакции системы во всем диапазоне различных ситуаций освещенности оказывается весьма затруднительно.

Кроме того, необходимо ограничивать диапазон изменения диафрагмы объектива, чтобы не попасть в зону размытия изображения, и вместе с тем целесообразно ограничить минимальное время экспозиции, чтобы не допустить появление ореола и светлых полос засветки от ярко светящихся объектов.

Алгоритм совместной работы

Для решения этой проблемы специалистами компании "БайтЭрг" была разработана схемотехника камеры, обеспечивающая совместную работу автодиафрагмы и электронного затвора на основе принципа жесткого задания очередности их действия.

В области невысокой и средней освещенности работает контур управления экспозицией (электронный затвор). Диафрагма объектива при этом максимально открыта, и ее схема управления заблокирована.

Далее, при освещенности выше некоторой заданной величины, длительность экспозиции фиксируется и снимается блокировка со схемы управления оптико-механическим контуром АРД, и освещенностью ПЗС-матрицы начинает управлять диафрагма.

При переходе освещенности от высокой к низкой смена работы контуров происходит в обратной последовательности.

Оптимальное значение освещенности, при которой фиксируется экспозиция и управление освещенностью передается оптико-механическому контуру, зависит от чувствительности матрицы, точнее, от значения освещенности, при которой наступает насыщение ячеек матрицы, светосилы используемого объектива, и от оптико-механических свойств его диафрагмы.

При таком алгоритме диафрагма объектива работает в ограниченном диапазоне и дифракционное ограничение не наступает. Этот алгоритм мы назвали РДО (расширенный диапазон освещенности).

Разработанная схема управления исключает возникновение конфликтной ситуации между двумя контурами автоматического регулирования светового потока, поэтому система работает устойчиво и однозначно во всем диапазоне естественной освещенности без ухудшения резкости изображения.

Фотографии тестовой таблицы (фото 2) сделаны видеокамерой высокой чувствительности МВК-08 АРД (259) с объективом Fujinon, который использовался в предыдущем эксперименте. В камере установлен новый видеомодуль, в котором реализован описанный выше принцип совместного управления - РДО (расширенный диапазон освещенности). Фотографии сделаны при освещенности: 50, 50 000 и 80 000 лк. Наглядно видно сохранение резкости во всем диапазоне освещенности.

Применение разработанной схемы совместной работы автодиафрагмы и электронного затвора позволило компании "БайтЭрг" модернизировать линейку видеокамер высокой чувствительности с АРД-объективом, способных корректно работать при освещенности до 100 000 лк.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #2, 2008
Посещений: 11908


  Автор
Кашлаков И.Д.

Кашлаков И.Д.

Руководитель технического отдела компании "БайтЭрг"

Всего статей:  1


  Автор
Скуратов Ю.В.

Скуратов Ю.В.

Ведущий специалист технического отдела компании "БайтЭрг"

Всего статей:  1

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