СОТ

61

S-видео

Полный цветовой телевизионный сигнал называют композитным ви-

деосигналом, сигналы цветности в ПЦТС передаются в спектре яркостного сигнала (Y). Однако в ряде случаев, когда канал передачи видеоинформа-

ции позволяет это сделать, сигналы цветности, промодулированные на поднесущих частотах в соответствии с используемой системой цветного телевидения, не суммируют с яркостным сигналом, а передают по отдель-

ному проводу (каналу связи). Такой способ передачи цветного телевизи-

онного сигнала называется S-видео. Преимущество S-видео состоит в том,

что в системе полностью устраняется взаимовлияние сигналов яркости и цветности, недостаток заключается в усложнении канала связи.

Следует отметить, что преимущества S-видео будут заметны лишь в случае, если сигналы яркости и цветности передаются отдельно на всем тракте передачи телевизионного сигнала (то есть от источника до прием-

ника, например, от видеокамеры до телевизора). В случае же эфирного

(кабельного) телевидения говорить о преимуществе S-видео перед компо-

зитом бессмысленно, так как эфирный (кабельный) высокочастотный сиг-

нал изначально композитный.

Aналоговый разъем S-Video (Separate Video, рис. 2.18), часто некор-

ректно именуемый как Super-Video, применяется в основном для вывода компьютерного изображения и видеосигнала с видеокамер и игровых ап-

паратов на бытовые телевизоры и другую домашнюю видеотехнику. Су-

щественным преимуществом этого интерфейса является то, что при пере-

даче сигнала используется меньше фильтров и сигнал меньше компресси-

руется, что повышает качество изображения. В современных видеокартах компьютеров могут использоваться несколько вариантов разъема S-Video с

разным количеством контактов. Это позволяет не только иметь как выход,

так и вход видеосигнала на видеокарте, но и даeт возможность использо-

вания при передаче изображения компонентного сигнала, имеющего раз-

деление на цвета (RGB).

62

Рис. 2.18. Разъем и назначение выводов системы S-Video

2.5. Разрешающая способность телевизионных систем

Разрешение — это свойство телевизионного изображения (и системы теленаблюдения в целом) показывать мелкие детали. Чем выше разреше-

ние, тем большее количество деталей будет содержать изображение объек-

та наблюдения. Разрешение телевизионного изображения зависит от боль-

шого количества факторов, основными из которых являются:

количество активных строк развертки;

качество телекамеры;

качество линий передачи;

качество монитора.

Для формирования и отображения изображения в СОТ используются двухмерные устройства (телекамера, например на основе ПЗС-матрицы,

монитор, например жидкокристаллический), поэтому различают разре-

шающие способности системы по вертикали и по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали определяется числом вер-

тикальных элементов, которые можно зафиксировать видеокамерой и вос-

произвести на экране монитора. Разрешение измеряется при помощи спе-

циального тестового изображения (рис. 2.19), помещаемого перед камерой.

На экране стандартного монитора по вертикали осуществляют подсчет

63

черных и белых строк, максимальное количество которых четко различает оператор и называется разрешением ТВ-системы.

Рис. 2.19. Испытательная таблица для определения разрешающей способности телекамер и объективов

Так как на вертикальное разрешение влияет длительность кадровой

(вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается. Кроме того, необходимо учитывать множество факторов, таких как наличие нерабочих зон на экра-

не монитора, конечную толщину электронного луча и т. д. Поэтому, при определении практических границ вертикального разрешения, необходимо количество четко различимых строк умножить на поправочный коэффици-

ент, равный 0,7. В результате стандартное вертикальное разрешение, на-

пример, для распространенной телевизионной системы цветовоспроизве-

дения PAL равняется 400 ТВЛ.

64

Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разре-

шение) определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать видеокамерой и воспроизвести на экране монитора. Не-

смотря на то что разрешения горизонтальное и вертикальное совпадают,

практическое их определение несколько отличается. Соотношение сторон в вещательном телевидении составляет 4 : 3, при этом ширина изображе-

ния больше высоты. Для того чтобы сохранить естественные пропорции изображений, подсчет вертикальных линий осуществляется по ширине, эк-

вивалентной высоте, т. е. 34 от ширины. Горизонтальное разрешение мо-

нохромной аналоговой камеры теоретически ограничено только попереч-

ным сечением электронного луча и характеристиками самой видеокамеры и монитора, но на практике существует много ограничений, одно из кото-

рых — ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи.

Системы цветного телевидения, использующие в качестве устройств отображения видеосигнала ЭЛТ-мониторы, имеют еще одно ограничение:

физический размер цветовой маски и ее шаг. Цветовая маска (апертурная решетка) имеет форму очень мелкой решетки, которая используется для разделения трех электронных лучей (рис. 2.20), соответствующих трем ос-

новным цветам, используемым для формирования цветного изображения

— красному, зеленому и синему. Количество элементов цветного изобра-

жения в решетке определяется размером экрана монитора и качеством из-

готовления ЭЛТ.

В системах видеонаблюдения доступно любое число ТВЛ в горизон-

тальном разрешении — от 330 до 600 и более. Однако вертикальное раз-

решение ограничивается системой развертки электронного луча. Поэтому общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВЛ.

65

Пластины электростатического сведения лучей

Рис. 2.20. Конструкция ЭЛТ

Для измерения разрешающей способности цветных телевизионных систем используется универсальная испытательная таблица (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Универсальная испытательная таблица

66

Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует эмпирическая зависимость:

где MТВЛ — количество телевизионных линий; F — ширина полосы ви-

деосигнала в МГц.

2.6. Цвет в системах СОТ

Выше отмечалось, что разрешающая способность цветных телевизи-

онных каналов по композитному сигналу уступает телевизионным каналам высокого разрешения чѐрно-белого телевидения. Однако, как показывает практика, цветное изображение, воспроизводимое даже от композитного видеосигнала, при выполнении оператором СОТ операций обнаружения,

опознавания и идентификации более предпочтительно, чем чѐрно-белое.

Вероятность обнаружения прямо пропорционально зависит от вели-

чины отношения сигнал/шум в видеоканале, и, при высоком отношении сигнал/шум для яркостного сигнала чѐрно-белая камера обеспечивает не-

сколько более высокую вероятность обнаружения. Однако при ухудшении параметра сигнал/шум величины вероятностей обнаружения выравнива-

ются, а затем результаты по вероятности для цветного изображения суще-

ственно превосходят показатели, характерные для черно-белых систем.

Исследования показали, что в первом случае снижение вероятности связа-

но с дополнительными шумами в канале цветности, а во втором — повы-

шение вероятности связано с облегченной адаптацией к цели на естествен-

ном фоне, представленном в цвете (трудно обнаружить серую кошку на сером фоне). Особенно это заметно на естественных сценах, не слишком,

как правило, богатых цветовой гаммой. Однако на искусственных объектах

(городские условия, парковые массивы с элементами рекламы, скамейка-

ми, цветниками и пр.), телевизионное изображение от которых насыщено окрашенными крупноразмерными деталями, вероятность обнаружения (по причине облегченной адаптации) оказывается выше даже при снижении

67

разрешения в яркостном канале. Отсюда следует, что цвет в системах ох-

ранного телевидения, работающих в основном на искусственных объектах,

позволяет существенно повысить надежность выполнения задач, решае-

мых с помощью таких технических средств.

Всѐ вышеизложенное отражает проблемы, связанные с психофизиче-

скими основами зрительного восприятия и техническими особенностями кодирования и передачи цветовой информации в телевизионных трактах.

Однако при решении вопроса в пользу цветных телевизионных трактов следует помнить и о физических особенностях получения информации о цвете.

Например, для изготовления как чѐрно-белых, так и цветных наибо-

лее распространенных в настоящее время в СОТ фоточувствительных ПЗС-матриц используются кристаллы одинаковых формата и структуры.

По определению цветная камера работает в спектральном диапазоне, огра-

ниченном кривой видности глаза, иначе не приходится говорить о пра-

вильной цветопередаче изображения. Чувствительность видеокамеры к цвету достигается путѐм нанесения на кристалл ПЗС-матрицы цветодели-

тельных фильтров. Сужение спектральной характеристики цветного сен-

сора и потери световой энергии в оптических фильтрах ухудшают инте-

гральную чувствительность матрицы в 2–2,5 раза при солнечном освеще-

нии, а при освещении объекта простой лампой накаливания — в 5 раз. В

итоге, после разделения цветовых сигналов и формирования сигналов яр-

кости — Y и цветности — C , даже в системах S-Video чувствительность по яркостному сигналу оказывается на порядок хуже, чем у чѐрно-белой телевизионной камеры, использующей ту же кристаллическую структуру в ПЗС-матрице.

В уличных условиях наблюдения, особенно в ночное время, моно-

хромные телевизионные тракты предпочтительнее цветных и по чувстви-

тельности, и по разрешающей способности. Это обстоятельство вызвало появление на рынке телевизионных камер с возможностью автоматическо-

го переключения режимов с цветного на чѐрно-белый при снижении осве-

68

щѐнности ночью. Так, некоторые модели камер могут быть запрограмми-

рованы на переключение в ночной режим автоматически, при снижении освещѐнности ниже определѐнного порога, или оператором вручную с клавиатуры управления камерой. В ночном режиме в оптическом тракте видеокамеры исключается ИК-фильтр (между ПЗС-матрицей и объекти-

вом), нормирующий спектральную характеристику ПЗС-матрицы до спек-

тральной характеристики кривой видности глаза. При этом все цветоде-

лѐнные сигналы на выходе ПЗС-сенсора используются для формирования яркостного сигнала с полным разрешением, соответствующим количеству пикселей в матрице. Поэтому в ночном режиме настоятельно рекомендует-

ся воспроизводить видеосигнал на чѐрно-белом мониторе, у которого выше и разрешающая способность, и динамика воспроизведения малых контрастов.

2.7. Устройства формирования изображения

Формирование изображения с помощью видикона

До появления полупроводниковых светочувствительных ПЗС-

матриц в качестве устройств формирования видеосигнала использовались различные аналоговые передающие трубки, например ортиконы, плюмби-

коны, видиконы, секоны. Все они представляли собой электронно-лучевые приборы, в которых фоточувствительная мишень служила для построчного считывания изображения.

Наиболее распространенной передающей трубкой был видикон, уст-

ройство которого приведено на рис. 2.22. Мишень, нанесенная на внутрен-

нюю поверхность колбы видикона, состоит из тонкого прозрачного слоя металла, называемого сигнальной пластиной, и слоем фотопроводника,

удельное сопротивление которого в темноте равно 108 Ом/см2. Электрон-

ный луч, формируемый электронным прожектором и системой анодов,

сканирует по мишени под воздействием отклоняющей системы, которая надевается поверх трубки. Система анодов видикона устроена так, что в области мишени электроны затормаживаются, создавая на внутренней по-

69

верхности фотопроводника потенциал, близкий к потенциалу катода.

Вследствие этого на элементарной емкости, соответствующей элементу изображения, между противоположными поверхностями фотопроводника устанавливается разность потенциалов, равная напряжению питания сиг-

нальной пластины относительно катода.

Свет, проецируемый на слой фотопроводника трубки, выбивает в нем фотоэлектроны и формирует «резистивный рельеф», соответствующий световой проекции объекта наблюдения. В течение времени формирования кадра каждая элементарная емкость разряжается через сопротивление уча-

стка фотопроводящего слоя, зависящее от освещенности данного элемента растра. На стороне мишени, обращенной к лучу, образуется потенциаль-

ный рельеф. Токи, протекающие через сигнальную пластину при сканиро-

вании электронным лучом по мишени, несут информацию о ее освещенно-

сти и создают на нагрузочном резисторе напряжение видеосигнала.

Отклоняющие системы передающих трубок были устроены так, что элек-

тромагнитный луч сканировал прямоугольный фрагмент мишени с соот-

ношением сторон 4 : 3, в результате формировался кадр изображения соот-

ветствующего размера.

Мишень покрытая Отклоняющая система люминофором фоточувствительная область

Стеклянная

трубка

Электронный луч

Объектив проецирует круглое по форме изображение, но электронный луч сканирует только прямоугольник с соотношением сторон 4:3

Рис. 2.22. Принцип работы передающей трубки

70

Формирование изображения с помощью ПЗС-матрицы

ПЗС — это приборы с зарядовой связью, которые первоначально предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств после-

довательного доступа. Основной принцип работы ПЗС заключается в со-

хранении информации в потенциальных ямах в виде электрических заря-

дов, передаче этих зарядов в выходной каскад и формировании напряже-

ния пропорционального зарядам. Однако выяснилось, что ПЗС чувстви-

тельны к свету и эффективнее использовать их в качестве растровых фото-

приемников. Вместо входных «зарядовых пакетов информации» в ПЗС-

матрицах имеет место фотоэлектронная генерация электронов пропорцио-

нально количеству света, падающего на каждый элемент области форми-

рования изображения. Концепция передачи информации к выходному кас-

каду ПЗС транспортными регистрами остается прежней: заряды сдвигают-

ся вертикально или горизонтально так же, как сдвиговые регистры в циф-

ровых схемах сдвигают двоичные данные.

Свет можно рассматривать как поток элементарных частиц — фото-

нов. Фотоны, попадая на поверхность некоторых полупроводниковых ма-

териалов, способны приводить к образованию свободных носителей заря-

дов — электронов и дырок. Следует напомнить, что дыркой в полупровод-

никах принято называть вакантное место для электрона, образующееся в результате разрыва ковалентных связей между атомами полупроводнико-

вого вещества. Процесс генерации электронно-дырочных пар под воздей-

ствием света возможен только в том случае, когда энергии фотона доста-

точно, чтобы «оторвать» электрон от «родного» ядра и перевести его в зо-

ну проводимости. Энергия фотона напрямую связана с длиной волны па-

дающего света, то есть зависит от цвета излучения. В диапазоне видимого излучения энергии фотонов оказывается достаточно для того, чтобы поро-

ждать генерацию электронно-дырочных пар в таких полупроводниковых материалах, как, например, кремний.