Рассеяние и переотражение света в линзах и внутри объектива.

Дополнительное ограничение на возможность наблюдения максимального контраста в одном поле накладывает рассеяние света в линзах и переотражение света от стенок и других внутренних элементов объектива. Ухудшает ситуацию и то, что современные матрицы ПЗС чувствительны в ближнем ИК диапазоне. Поэтому черные и матовые на первый взгляд внутренние поверхности объектива могут оказаться "белыми" в инфракрасной области спектра и усилить вредный эффект. Рассеяние света в линзах и переотражение света внутри объектива проявляются как дополнительная, ровная подсветка, уменьшающая контраст изображения. На первый взгляд, это может показаться полезным, как естественный способ уменьшения контраста. На самом деле рассеяние света приводит к двум отрицательным моментам:

• Возрастает шум в темных участках изображения, так как к шуму считывания выходного устройства добавляется значительно больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, при этом безвозвратно теряются темные детали изображения.

• Происходит заметное "расширение" границ ярких объектов, при этом расширенные границы маскируют и не позволяют наблюдать близлежащие темные объекты.

Рис.5.8. Иллюстрация расширения границ яркого объекта в объективах со значительным светорассеянием.

К сожалению, характеристики светорассеяния также не приводятся в паспортных данных на объективы, поэтому, также необходимо вести статистический учет по этому параметру самостоятельно. Нужно отметить, что светорассеяние в объективах с пластмассовыми линзами заметно больше, чем в стеклянных. Поэтому, для камер, работающих в условиях яркого солнечного света, целесообразно использовать объективы только со стеклянными линзами. Меньшее светорассеяние оказывается и в объективах с линзами, на которых нанесены специальные интерференционные пленки, ослабляющие инфракрасную составляющую спектра. Однако, использование таких объективов не всегда допустимо, так как с ними в 2 -3 раза ухудшается чувствительность черно-белых камер ночью.

Гамма коррекция.

Гамма коррекция является обязательным элементом любой камеры. С помощью этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование логарифмического закона восприятия освещенностей человеческим глазом с линейной зависимостью светосигнальных характеристик камеры и видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в дополнительном усилении слабых уровней сигнала. В камерах используют различные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45. При работе камеры в условиях солнечного света, целесообразно устанавливать меньшее из возможных значений гамма коррекции – 0,45, что позволит несколько расширить диапазон наблюдаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, создает комфортное, "правильное" визуальное соотношение освещенностей, и сдвигает вверх нижний уровень наблюдаемых освещенностей. Но указанное преимущество достигается ценой следующих недостатков:

• В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.

• ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.

Рис.5.9. Амплитудные характеристики узла гамма коррекции в микросхеме CXA1310AQ (SONY), которая применяется во многих черно-белых телевизионных камерах

Поэтому, при включенной гамма коррекции, несмотря на расширение, визуально наблюдаемого диапазона освещенностей, становится большей вероятность пропуска появившегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней освещенностью.

Режим наблюдения против света "Back Light Compensation".

Появившийся в 2000 годы и активно рекламируемый режим "BLC" предназначен для наблюдения объектов в сложных условиях – против света. Схемотехнически он обычно выполняется в виде переключения порогов срабатывания электронного затвора (или опорного уровня в АРД объективе) и системы АРУ так, что они становятся на 10 – 20% выше обычного. В результате, самые яркие объекты (например, светлое окно) "зарезаются в белом", а объекты среднего уровня (лицо человека, стоящего перед окном) усиливаются и становятся хорошо видимыми. Таким образом, режим "Back light compensation" не расширяет динамический диапазон, а сдвигает его с целью лучшего наблюдения более темных объектов, ценой потери ярких объектов. Существуют модификации режима в виде дополнительного переключения "окон", в которых срабатывают схемы автоматического регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант реализации режима BLC с преобразованием верхних уровней сигнала в "негативное изображение" (камеры фирмы JAI).

Режим "BLC" полезен в ряде случаев телевизионного наблюдения, но к сожалению, его нельзя использовать в автоматическом виде, так как камера "не знает", когда оператора интересует объект перед ярко освещенной поверхностью, а когда важным является изображение самой этой поверхности. В настоящее время, появились дистанционно управляемые камеры, в которых режим "BLC" оператор может оперативно включить или выключить.

Цифровая обработка сигнала и камеры "Super dynamic".

Будущее за цифровой обработкой сигнала в камерах. Но есть серьезные препятствия, не позволяющие камерам с цифровой обработкой сигнала стать бесспорными лидерами. В первую очередь это ограничение по стоимости, габаритам и энергопотреблению.

Рис. 5.10. Иллюстрация способа расширения динамического диапазона для камер серии "Super dynamic"

В камеры устанавливают специализированные процессоры DSP и АЦП, позволяющие существенно расширить их возможности.

Например, получение в одном поле двух сигналов, суммарный динамический диапазон которых в 40 раз превышает стандартный, понравилась даже неспециалистам. Однако здесь есть и недостатки.

Динамический диапазон каждого элемента матрицы "Super dynamic" должен быть, как минимум, в 2 раза меньше стандартного. Это обусловлено тем, что сигналы двух полей одновременно хранятся в одной матрице ПЗС формата 1/3 дюйма (рис. 5.10…5.12).

Только путем длительной настройки удается получить динамический диапазон такой же, как у обычных третьдюймовых камер. Камеры на матрицах 1/2 дюйма однозначно превосходили "Super dynamic" по всем параметрам, несмотря на заложенную интересную идею и все хитросплетения цифровых методов обработки.

Рис. 5.11. Топология стандартной и "Super dynamic" матриц ПЗС

в)

Рис. 5.12. Механизм преобразования сигналов в DSP процессоре

Вспоминается старая шутка, которую любили мастера лампового телевидения 60 –х годов: "Гамма коррекция хороша тем, что ее можно выключить". К сожалению, это изречение вполне актуально и для режимов BLC и Super Dynamic.

Установка камеры и выбор угла поля зрения.

Важно не только правильно выбрать телевизионную камеру и объектив, но и наилучшим образом ее установить. Перечислим практические правила, обеспечивающие лучшую защиту от световых перегрузок.

• Угол поля зрения объектива по возможности следует выбирать минимальным.

На камеру нужно установить светозащитный козырек с темной матовой внутренней поверхностью. Его длина должна быть максимальной, такой, чтобы его верхний край был

• чуть-чуть виден на изображении.

• Камеру следует установить как можно выше, так, чтобы она смотрела сверху вниз, и площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.

• При очень узких углах поля зрения (менее 10 угловых градусов) непосредственно на объектив следует надевать светозащитную бленду с матовой темной внутренней поверхностью. Бленда заметно уменьшает рассеяние света в линзах узкоугольных объективов.

• Если в поле зрения камеры есть небо, и в некоторые моменты времени может попадать Солнце, на верхнем краю защитного козырька целесообразно закреплять нейтральный светофильтр с ослаблением 5 –10 раз так, чтобы на изображении он перекрывал небо, или, как минимум, зону возможного прохождения Солнца.

• В камерах на комплектах микросхем фирм SONY, Samsung, Sharp следует прикрывать непрозрачным материалом правый край изображения (место расположения задних холостых элементов CCD).

• Перед установкой на объект камеру с установленным объективом следует проверить на устойчивость при наблюдении прямого Солнца, ярких облаков и нити лампы накаливания, наблюдаемой "в упор". В случае самовозбуждения системы объектив-камера следует увеличить порог срабатывания диафрагмы объектива, что позволит ценой некоторого ухудшения качества изображения гарантировать устойчивость ее работы.

Дистанционное управление телевизионными камерами.

Автоматические регулировки и режимы адаптации, заложенные в камерах, не всегда оптимально работают при наблюдении в условиях световых перегрузок. Поэтому, в настоящее время стали появляться камеры с дистанционно управляемыми параметрами. Наиболее распространены камеры с управлением по протоколу RS-485, широко используемому в компьютерных приложениях. Преимуществами этого варианта дистанционного управления являются:

• Большая дальность управления, превышающая 1 км,

• Низкая стоимость кабеля управления, возможность использования витой пары.

• Возможность подключения к одному кабелю нескольких десятков камер без дополнительных расширителей.

• Возможность управления системой телевизионных камер, как от специального пульта управления, так и от компьютера.

• Единый стандарт протокола управления, обеспечивающий установку в одной системе камеры разных производителей.

В современных камерах с управлением по протоколу RS-485 заложены возможности регулировки большого числа параметров, а также режимы телеметрии, позволяющие дистанционно диагностировать камеру, определять окружающую температуру, напряжение питание на входе камеры и т.д. При наблюдении в условиях солнечного освещения наибольший эффект обеспечат дистанционные регулировки диафрагмы объектива и времени экспозиции, регулировка усиления, переключение режимов гамма коррекции и режимов наблюдения против света.

В компьютеризированных системах появляется новая возможность программного управления параметрами камер в зависимости от времени дня и года. Оно позволит не только улучшить качество наблюдения, но и уменьшить возможные ошибки операторов в наиболее сложных условиях наблюдения. Другой полезной возможностью может стать программная самонастройка и самодиагностика системы с управляемыми камерами, которая может выполняться периодически по заданному алгоритму без требуемой ранее рутинной работы монтажников и операторов.

Режимы против света Super dynamic BLC, адаптивный режим, Super BLC эффективны и в ряде случаев обеспечивают хорошее качество.

Для обеспечения надежного телевизионного наблюдения в условиях солнечного освещения и световых перегрузок следует:

1. Использовать объективы с автоматической диафрагмой, выбирая модели с минимальным значением относительного отверстия не хуже F(360), с малым светорассеянием и бликами.

2. Применять камеры с матрицами ПЗС форматов не менее 1/2 - 1/3 дюйма серии EXWAVEHAD фирмы SONY, имеющие наименьший "смаз" изображения от ярких объектов. Учитывать, что матрицы стандартного разрешения в полтора раза превосходят матрицы высокого разрешения по максимальному наблюдаемому контрасту.

3. При необходимости установки объективов с постоянной диафрагмой, следует выбирать камеры с электронным затвором, реализующие минимальную экспозицию 1/1000000 секунды и имеющие систему автоматического переключения режимов ПЗС "ночь – день". Такие камеры обеспечат минимальные потери информации при наблюдении в условиях световых перегрузок.

4. Использовать светозащитные козырьки или бленды максимально возможной длины с темным матовым внутренним покрытием.

5. Камеры на местности устанавливать как можно выше, чтобы площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.

6. В наиболее сложных условиях наблюдения целесообразно применение камер с дистанционно регулируемыми параметрами, которые позволят операторам быстро и оптимально подстраивать режимы камер к изменяющимся условиям наблюдения.

7. Для расширения визуально наблюдаемого диапазона освещенностей следует выбирать черно-белые видеомониторы больших размеров с максимальной яркостью свечения экрана.

Перечисленные недостатки камер говорят практически о задачах, и делают все более актуальной интеллектуализацию систем управления матрицами.

Определение реальной разрешающей способности.

Проектируя систему наблюдения, обычно принимают в расчет заявленную в паспорте разрешающую способность камеры. Исходя из этого, определяют зоны наблюдения и места установки камер, вычисляют углы поля зрения и выбирают объективы. Затем закупают мультиплексоры, видеомагнитофоны и другие устройства. Монтажники прокладывают кабели, устанавливают камеры и аппаратуру, и, наконец, система включается. С первого взгляда все работает нормально, на мониторах видны изображения помещений и территорий объекта. Но при первом же инциденте выясняется, что лицо нарушителя невозможно различить. Не виден номер въезжающего автомобиля, а иногда невозможно даже различить его марку. В темное время суток дела обстоят еще хуже: изображения деталей размыты, движущиеся объекты смазаны. Система вместо полноценного наблюдения предоставляет функции, близкие к возможностям обычных охранных датчиков. Происходит это из-за того, что при проектировании системы не учитываются реальная разрешающая способность камер и ее зависимость от освещенности, глубина резкости, а также потери разрешающей способности в кабельной сети, мультиплексорах, видеомагнитофонах и других устройствах.

Разрешающая способность телевизионной камеры и число элементов фотоприемника.

Параметр «разрешающая способность» пришел в телевидение из оптики. Первоначально, за предел разрешающей способности, согласно критерию Рэлея, понималось расстояние между двумя точками, при котором центр одного пятна совпадает с серединой первого темного дифракционного кольца второго пятна (рис.5.13). При этом относительная разность освещенностей в двух рядом расположенных точках (глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения) примерно равна 26% от максимальной освещенности.

Рис. 5.13. Разрешающая способность оптической системы. E max, Emin - освещенности светлого и темного дифракционных колец соответственно, D - диаметр входного зрачка, f' - заднее фокусное расстояние, ? - линейный предел разрешения, ? - длина волны света.

С появлением дискретных фотоприемников (матрицы ПЗС) понятие оптической разрешающей способности стало неточным из-за появления эффекта наложения пространственных частот штрихов миры и фоточувствительных элементов матрицы.

a) b)

Рис.5.14. Иллюстрация изменения максимальной разрешающей способности дискретного фотоприемника при сдвиге его относительно изображения миры на ? размера элемента. а) центры штрихов совпадают с центрами элементов изображения, б) центры штрихов сдвинуты на половину размера элемента.

Тем не менее, параметр разрешающая способность используется в рекламных проспектах на камеры. Разрешающая способность зависит от положения штрихов испытательной миры относительно сетки элементов фоточувствительной матрицы.

 Видно (рис. 5.14), что в случае, когда число штрихов миры равно числу элементов фотоприемника по измеряемой координате, может быть два крайних значения разрешающей способности. Если штрихи миры попадут точно по центру элементов матрицы ПЗС, то разрешение на выходе камеры будет максимальным, и будет видно тонкую решетку. Если сместить миру на половину штриха, то максимумы и минимумы изображения штрихов попадут посередине между элементами ПЗС и в каждом элементе будет половинный сигнал (средний между черным и белым) и будет только ровный серый фон.

При числе штрихов горизонтальной миры меньше или больше числа элементов матрицы, также будет наблюдаться ровный серый фон при смещении положения миры, но уже не на всем изображении, а в виде отдельных вертикальных столбиков (муаров).

Рис.5.15. Иллюстрация изображения муаров вертикального клина тест-таблицы, наблюдаемой телевизионной камерой на матрице ПЗС. Внизу - осциллограмма строки в центре горизонтальной миры 450 - 600 телевизионных линий. Муары выражаются в низкочастотной модуляции осциллограммы.

При уменьшении числа штрихов миры, видимость муаров будет уменьшаться, однако, даже при половинном их числе относительно числа элементов ПЗС они будут еще достаточно хорошо видны (рис.5.15).

Если в камере не принять мер к коррекции частотно-контрастной характеристики объектива, то в результате формируемое изображение будет нечетким, что нередко можно наблюдать в дешевых камерах восточной сборки. В камерах более высокого класса устанавливают специальные корректоры четкости, компенсирующие потери в объективе. Корректоры бывают разные. В простом случае (например, камера WAT-902H фирмы WATEC) устанавливают асимметричный корректор, подчеркивающий первую производную сигнала. Лучшие результаты дают симметричные адаптивные корректоры четкости, учитывающие вторую производную сигнала, степень коррекции которых зависит от освещенности изображения (камера VNC-742 фирмы ЭВС).

Для оценки реальной четкости изображения используется параметр «глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения», равный отношению размахов сигналов от мир с числом штрихов, равным максимальному разрешению и с минимальным числом штрихов (крупная деталь изображения). Видно (рис. 5.16), что амплитуда сигнала на частоте 550 линий в камере с симметричным корректором четкости заметно превосходит эти значения в камерах с корректором по первой производной и, тем более, в камере без корректора четкости.

Рис.5.16. Частотно-контрастная характеристика телевизионной камеры высокого разрешения при выключенном корректоре четкости.

Параметр глубина модуляции (в некоторых источниках называемый «амплитуда частотно-контрастной характеристики на частоте максимального разрешения») не приводится в рекламных проспектах и паспортах на камеры.

Рис.5.17. Изображения (вверху) и осциллограммы строки 550 телевизионных линий (внизу) вертикального клина, полученные с помощью трех различных телевизионных камер высокого разрешения, при установленных в них одинаковых объективах TO412FICS при значении диафрагмы F 8,0. а) - телевизионная камера без корректора четкости CV-300, б) - телевизионная камера с несимметричным корректором четкости WAT-902H, в) - телевизионная камера с адаптивным, симметричным корректором четкости VNC-742.

Реальную разрешающую способность камеры можно оценить, только наблюдая формируемое изображение в процессе ее испытания (рис. 5.17,

рис. 5.18).

a)

b) Рис. 5.18. Иллюстрация уменьшения разрешающей способности при наблюдении телекамерой текста с различными величинами шрифта при отношении сигнал/шум 40 дБ - а) и при отношении сигнал/шум 20 дБ - б).

Потери разрешающей способности и глубины резкости в объективах с автоматической диафрагмой.

Для расширения диапазона рабочих освещенностей телевизионных камер в них устанавливают объективы с АРД (автоматической регулировкой диафрагмы). При использовании таких объективов можно получить диапазон рабочих освещенностей от 0,01 люкс до 100000 люкс и даже шире, то есть, обеспечить работу камеры и днем и ночью. Особенно популярны в настоящее время так называемые «асферические» объективы с минимальным относительным отверстием достигающим 0,75. Однако, с точки зрения разрешающей способности, при использовании АРД объективов возникает ряд неприятных моментов:

Глубина модуляции сигнала на высоких пространственных частотах в АРД объективах зависит от значения диафрагмы и при полностью открытой диафрагме может уменьшаться в 10 и более раз.

Глубина резкости (диапазон расстояний, в пределах которых обеспечивается заданная четкость изображения) еще в большей степени зависит от величины диафрагмы и при полностью открытой диафрагме минимальна.

Светорассеяние в объективе также зависит от значения диафрагмы и становится максимальным при полностью открытой диафрагме.

Следовательно, разрешающая способность и контраст изображения телекамеры с АРД объективом значительно ухудшаются в вечернее, и особенно ночное время, когда диафрагма объектива полностью открыта (рис.5.19).

Фокусировать камеры с АРД объективами нужно обязательно в темное время суток, когда диафрагма объектива полностью открыта (глубина резкости минимальна), и включено соответствующее искусственное освещение.

В камерах с АРД объективами обязательно нужно отключать встроенную систему электронного затвора, иначе диафрагма объектива будет полностью открыта не только ночью, но и днем с вытекающими из этого потерями разрешающей способности и глубины резкости.

Рис. 5.19. Зависимость глубины модуляции сигнала (амплитуды частотно-контрастной характеристики) на горизонтальной мире 550 ТВЛ от относительного отверстия объектива (значения диафрагмы) в телевизионной камере высокого разрешения при установленном объективе TO412FICS фирмы Computar. Значение при F 0,8 получено при установленном асферическом объективе HG0608AFCS-HSP этой же фирмы. - а). Изображения центральной части тест-таблицы, формируемые телевизионной камерой высокого разрешения при установленном объективе с относительными отверстиями F 0,8 - б), F 2,0 - в) и F 8,0 - г).

Ниже приведены данные по влиянию мультиплексоров на потерю разрешающей способности в кабельной сети. При использовании алгоритмов компрессированной записи видеосигнала ( JPEG, Wavelet, MPEG-2, MPEG-4 ) в этих устройствах происходит дополнительная, необратимая потеря не только разрешающей способности, но и ряда малоконтрастных, мелких объектов, которые игнорируются при кодировании изображения, особенно при больших коэффициентах сжатия.

Фирма изготовитель	Тип мультиплексора	Число выборок АЦП в строке	Разрешающая способность на магнитофонном выходе (ТВЛ)	Режекторный фильтр (в диапазоне 350 - 450 ТВЛ)	Способ записи сигнала
BAXALL	ZMXS/16MD	720	500	Не отключается	Полями
ROBOT	MV16i	640	320	Не отключается	Полями
Dedicated Micros	Sprite DX16	1024	530	Выключен	Полями
GYYR	DSP16x	750	550	отключается	Полями
HITRON	HBX16C	640	320	Не отключается	Полями
KALATEL	CALIBUR CBR16MDx	750	550	отключается	Полями
ATV (Цветной)	DPX16	720	540	Не отключается	Кадрами

Разрешающую способность телевизионных ПЗС камер принято определять числом элементов фотоприемника по соответствующим координатам, умноженным на коэффициент 0,75.

Реальная разрешающая способность камеры в телевизионной системе меньше расчетной по следующим причинам:

Из-за потери разрешающей способности в объективах. Особенно заметна потеря четкости в «асферических» АРД объективах при полностью открытой диафрагме, когда глубина модуляции сигнала на частоте разрешения и глубина резкости уменьшаются в 10 и более раз. Максимальные потери возникают на краях изображения. Потери четкости возникают также из-за дрожания воздушных потоков перед камерой и от естественного загрязнения стекол объективов.

Из-за маскирующего влияния шума в темное время суток, а также из-за изменение фокусировки объектива при использовании искусственного освещения со спектральной характеристикой, отличающейся от естественного.

Из-за завала высоких частот видеосигнала в соединительных кабелях.

Из-за потери разрешающей способности в других блоках системы, в первую очередь в мультиплексорах, цифровых регистраторах.

Суммарное ухудшение разрешающей способности может уменьшаться по сравнению с расчетным до 2-х раз днем до 3 - 5 раз и более, ночью.

При построении систем наблюдения необходимо учитывать возможные потери разрешающей способности камер. Для повышения надежности системы желательно установить дополнительные камеры в наиболее сложных местах наблюдения, а также в обеспечении более интенсивного. Более равномерно распределять искусственное освещение в ночное время.

Описание стенда: Выполняется на стенде многоэлементных фотоприемников (СМЭФ). В работе задействовано два рабочих места. Первое рабочее место включает в себя цветную аналоговую камеру, подключенную к плате цифрового осциллографа семейства BORDO. Второе - черно-белую камеру, традиционно используемую в охранных системах. Камера подключена к видеорегистратору. Руководство пользователя программного обеспечения серии BDx имеется на компьютере стенда. Для выполнения работы достаточно использовать только функции захвата кадра. Использование цифрового осциллографа требует детального изучения руководства по эксплуатации блока осциллографического цифрового BORDO. Работу следует начинать с исследования сигналов с цветной камеры.

Лабораторное задание: Ознакомиться с материалами и приборами к лабораторной работе.

1. Изучить руководство пользователя цифровым запоминающим осциллографом BORDO.

2. Включить цветную телекамеру. Зафиксировать цифровым осциллографом, по крайней мере, три файла сигналов с различным значением времени развертки. Для фиксации использовать режим экспорта в текстовый файл. Для преобразования в .dat рекомендуется использовать программу Bred_3. Устраните текстовую шапку файла и замените разделители (запятые на точку). Полученные файлы введите в MftCad. По ним измерить: длительность строки; длительность поля; длительность гасящего импульса; длительность импульса синхронизации; уровни сигналов синхронизации; частоту цуга цветовой синхронизации.

3. Для темного участка кадра и предельно светлого определить: уровень шума и средний уровень сигнала по строке.

4. На втором рабочем месте направьте черно-белую камеру на тестовое изображение – штриховую миру. Зафиксируйте изображение.

5. Построить частотно-контрастные характеристики камеры.