Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Оценка чувствительности видеокамер: "маленькие хитрости" производителей. Часть 2

Оценка чувствительности видеокамер: "маленькие хитрости" производителей. Часть 2

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

Оценка чувствительности видеокамер: "маленькие хитрости" производителейЧасть 2

Как уже отмечалось в первой части статьи, мы практически повсеместно наблюдаем совершенно нереальные значения заявленной чувствительности или минимальной рабочей освещенности для камер видеонаблюдения. Это обусловлено наличием у видеокамер наблюдения чувствительности в ближнем инфракрасном диапазоне и использованием для тестирования тепловых источников освещения (ламп накаливания). Причем такое положение вещей справедливо как для старой методики с малочувствительными люксметрами и нейтральными фильтрами, так и для современных прямых измерений с использованием высокочувствительных люксметров
Николай Чура
Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

Поставщики и продавцы вносят свою лепту в улучшение "бумажных" параметров видеокамер. Неотключаемая АРУ, ИК-чувствительность в цветном режиме, неопределенный критерий качества изображения при минимальной освещенности и т.п. помогают этому.

Расширение фотоприема в ИК-область как важнейший фактор роста чувствительности

Усилия и успехи разработчиков видеосенсоров существенно увеличили эффективность использования света и снизили шум считывания. Несмотря на уменьшение площади чувствительных элементов при росте разрешения, чувствительность сенсоров если и упала, то незначительно. Фактически это результат оптимизации архитектуры CMOS-матрицы, обратной засветки (BSI), приближение к самой светочувствительной площадке преобразователей аналогового сигнала в цифровой с одновременным ростом уровней квантования до 10 и даже 12 бит. На горизонте уже мелькает квантование в 14 бит. Кроме того, прямой переход на цифровой сигнал позволил увеличить гибкость управления процессом накопления и усиления непосредственно на каждом пикселе. Именно этим отличаются последние разработки CMOS-сенсоров, позволяющие реализовать аппаратный WDR до четырех отдельных полей накопления за кадр.

Вместе с тем практически десятикратное (6–16 раз) снижение площади пикселя CMOS-сенсоров FullHD и тем более 4К при одновременных технологических ухищрениях не могло не сказаться на снижении чувствительности видеосенсоров. Можно считать, что важнейшим фактором ее увеличения, наряду с приведенными выше приемами, явилось расширение спектрального диапазона чувствительности в ближний ИК-диапазон. Для последних технологий CMOS можно наблюдать даже перемещения максимума с центра видимого диапазона (550 нм) в область 800 нм, что наглядно видно на рис. 1. Примечательно, что именно здесь работает основная масса ИК-осветителей (850 нм), особенно встроенного типа. Это можно понять по семейству спектральных характеристик сенсоров различных типов и технологий. На указанном рисунке приведены обобщенные спектральные характеристики чувствительности CCD и CMOS производства SONY для черно-белого режима.


Кстати, увеличение чувствительности за счет все большего использования видения в ближнем ИК-диапазоне излучения вполне терпимо для черно-белого ночного режима. Однако соблазн высокой чувствительности в цветном режиме чреват недопустимыми цветовыми искажениями. Имея механический ИК-фильтр (ICR или IRC), можно получать адекватное дневное цветное изображение и "раскрашенное" изображение при малой освещенности, когда отличная цветопередача может рассматриваться как роскошь.

Пример рекламных достижений производителей

Для иллюстрации усилий производителей, желающих показать положение дел несколько лучше реального, приведем как пример новую технологию с обратной засветкой (BSI) от SONY – STARVIS. Заявлена феноменальная удельная чувствительность 2000 мВ/кв. мкм. Безусловно, цифра красивая. Но вместо типового времени накопления 30 мс указано время в 1 с. А это значит, что в сравнении с другими продуктами, нормируемыми при 30 мс, нужно ориентироваться на удельную чувствительность в 33 раза меньше, то есть 60 мВ/кв. мкм. Конечно, для сенсора CMOS это много, но матрица около 1/3" FullHD с пикселем 2,5х2,5 кв. мкм будет иметь чувствительность около 375 мВ, что не так много по сравнению с типовой матрицей 1/3" CCD Exview HAD II с чувствительностью 2500 мВ. Другими словами, все равно приходится платить чувствительностью за разрешение. И с учетом даже большей чувствительности в ИК-диапазоне здесь нет смысла говорить о люксах.

Дополнительное оборудование для реальной оценки чувствительности

Стремление хотя бы приблизительно оценить реальные параметры различных моделей камер при разных применяемых технологиях сенсоров от разных производителей привело к созданию стенда с различными и контролируемыми условиями освещения.

Стенд представляет собой камеру, полностью изолированную от внешнего освещения. В ней размещены различные источники неизменяемого и регулируемого освещения, обеспечивающего подсветку объектов наблюдения. В таблице приведены параметры используемых осветителей.


Освещенность измерена в плоскости телевизионной таблицы в темной камере. В качестве объектов наблюдения используются телевизионная таблица, 3-элементная мира и кукла с цветными фрагментами, имеющими одинаковый цвет, но различные отражательные характеристики для видимого (белого) и ИК-излучения. На рис. 2 приведены различия в цветопередаче изображения куклы при освещении источником с ИК-составляющей, полученные видеокамерами с ИК- и без ИК-чувствительности. Как правило, это натуральный и синтетический материал.


Такие фрагменты позволяют по телевизионному изображению однозначно определить наличие в видеокамере ИК-чувствительности при освещении, содержащем ИК-составляющую (тепловой источник). Шерстяной черный пояс куклы сохраняет свой цвет, а черные на глаз синтетические валенки заметно голубеют. Разрешение изображений незначительно ввиду малого углового размера куклы на изображении и использования квадратированного кадра с разрешением каждой картинки в 352х288 пкс.

На рис. 3 приведен вид внутреннего устройства темной камеры стенда:

  • две зеркальные лампы (1) с регулировкой накала автотрансформатором;
  • четыре люминесцентные лампы (2) постоянного свечения;
  • телевизионная таблица (3);
  • кукла (4) с цветными фрагментами;
  • регулируемый источник встречного света (5), работающий совместно, но в противофазе, с лампами (1) и позволяющий оценить работу WDR;
  • двухлопастная мельница для оценки стабильности частоты кадров и накопления (DSS или Sense-Up).

Функция накопления, или медленный затвор, широко применяется в видеокамерах наблюдения и при недостаточной чувствительности зачастую включена по умолчанию.

Регулируемый источник освещения, полностью лишенного ИК-излучения, выполнен на светодиодной лампе белого свечения (4500 К) с изменяемым питающим током и кассетой для установки двух 30-кратных нейтральных фильтров. Освещенность измеряется без фильтров, затем устанавливаются один или два фильтра и освещенность оценивается по значению питающего тока. На рис. 4 показана конструкция этого осветителя.


Осветитель "исключительно видимого света" (7) и ИК-прожектор (8) установлены на верхней перегородке камеры и направлены в ее потолок для создания рассеянного освещения. Это показано на рис. 5.


Результаты одновременного тестирования до четырех видеокамер записываются на видеорегистраторы. При оценке чувствительности видеосигнал, сформированный изображением миры, измеряется осциллографом. К сожалению, эта операция была доступна только для аналоговых камер с композитным видеовыходом.

Еще раз о результатах

Именно на этом стенде были получены весьма отрезвляющие результаты по требуемой освещенности в люксах полностью без ИК-составляющей для получения хотя бы какого-то изображения. Причем, разумеется, видеокамеры работают с АРУ, которая в современных моделях практически не отключается.


На рис. 6 представлены два изображения при освещенности около 1 и 0,1 лк "чисто видимым светом" без ИК-составляющей. Видно, что изображение оставляет желать лучшего. Наличие же ИК-чувствительности ухудшает цветопередачу. Вероятно, поэтому на телевидении и в кинопроизводстве такой "слепящий" свет, что дает высокое качество изображения и цветопередачи.

Проблемы перехода с SD-формата на HD

В наши дни довольно часто возникают проблемы при модернизации систем наблюдения с переходом на HD- и FullHD-форматы, особенно когда пользователь ориентируется на заявленное значение чувствительности или минимальной освещенности. Более того, даже если чувствительность была достигнута за счет ИК-области, из заявленных характеристик совершенно неясно, как соотносятся видимый и ИК-диапазоны.

Ведь потребителю чаще всего неизвестна применяемая матрица. А если известен тип, но это не SONY, с поиском спектральной характеристики чувствительности могут возникнуть серьезные проблемы.

Так, например, сравнительно недавно мой давнишний коллега и широко известный в наших узких кругах специалист по ИК-подсветке Андрей Степунин решил поменять известную черно-белую камеру, стоящую у него в видеоглазке. Хотелось современного цветного и широкоформатного (16:9) изображения. Я советовал ему найти камеру как минимум с сенсорами технологии STARVIS (Exmor R), для которой характерна увеличенная чувствительность, особенно в ИК-области. В результате STARVIS не нашли, но была куплена другая камера с аналоговым выходом 1080p, функцией "день/ночь" и заявленной чувствительностью 0,001 лк.

Конечно, продавец обещал чудесный результат. Казалось бы, используемый в ней CMOS-сенсор IMX322 Exmor c типовой чувствительностью 500 мВ почти эквивалентен CCD Super HAD. В результате было получено практически полностью черное изображение из темноватого коридора перед дверью. Примечательно, что имеющаяся ИК-подсветка абсолютно так же не решала вопрос. Как ни странно, механическое удаление с матрицы наружного фильтра не улучшило положение. В конечном итоге все кончилось возвратом старой камеры, поскольку лучше иметь черно-белое изображение 4:3, чем никакого.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2019
Посещений: 234


  Автор
Чура Н.И.

Чура Н.И.

Технический консультант ООО "Система СБ" и ООО "Микровидео /Группа".

Всего статей:  57

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