СОТ

81

фильтров в два раза больше, чем красных или синих, что объясняется осо-

бенностями восприятия цвета человеческим глазом, который более чувст-

вителен к зеленому цвету. Порядок расположения таков, что красные и си-

ние фильтры расположены между зелеными (рис. 2.32) [12].

Рис. 2.32. Массив фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern)

В телевизионных камерах, работающих на основе модели Байера,

совмещение сигналов трех цветовых каналов в ПЦТС производится в уст-

ройстве формирования изображения после преобразования сигнала из ана-

логового вида в цифровой. Первичные цвета каждого фильтра (пиксела)

математически интерполируются с учетом цвета соседних фильтров: для того чтобы получить истинный цвет элемента изображения, необходимо знать не только интенсивность света, прошедшего через светофильтр дан-

ного пиксела, но и значения интенсивности света, прошедшего через све-

тофильтры окружающих элементов.

Цветовая RGB-модель Байера позволяет получить практически лю-

бой оттенок видимого спектра. Максимальное количество различных цве-

товых оттенков определяется «глубиной» цвета, которая, в свою очередь,

определяется количеством битов, используемых для кодирования каждого цвета. В модели RGB с глубиной цвета 24 бита для каждого цвета отводит-

ся по 8 бит. С помощью 8 битов можно задать 256 различных цветовых от-

тенков соответственно красного, зеленого и синего цветов. Каждому от-

тенку присваивается значение от 0 до 255. К примеру, красный цвет может

82

принимать 256 градаций: от чисто красного (255) до черного (0). Макси-

мальное значение кода соответствует чистому цвету, а код каждого цвета принято располагать в следующем порядке: красный, зеленый и синий.

Например, код чистого красного цвета записывается в виде (255,0,0), код зеленого цвета — (0,255,0), а код синего цвета — (0,0,255). Желтый цвет можно получить смешением красного и зеленого, и его код записывается в виде (255,255,0). Всего RGB-модель с глубиной 24 бита способна воспро-

извести 2563 = 16777216 оттенков цвета.

Кроме модели RGB широкое применение нашли также модели YUV

и YCrCb, которые похожи друг на друга и основаны на разделении сигна-

лов яркости и цветности. В этих моделях сигнал Y — это традиционно сигнал яркости, который определяется смешением красного, зеленого и синего цветов. Сигналы U и V Cr,Cb являются цветоразностными. Так,

сигнал U близок к разности между синими и желтыми компонентами цветного изображения, а сигнал V близок к разности между красными и зелеными компонентами цветного изображения.

Основное достоинство модели YUV (YCrCb) заключается в том, что этот метод кодирования хотя и более сложен, чем RGB, однако требует меньшей полосы пропускания для передачи полного сигнала. Дело в том,

что чувствительность человеческого глаза к яркостному Y-компоненту и цветоразностным компонентам неодинакова, поэтому вполне допустимым представляется выполнение этого преобразования с прореживанием (ин-

терливингом) цветоразностных компонентов, когда для группы из четырех соседних пикселов (2 2) вычисляются Y-компоненты, а цветоразностные компоненты используются общие (так называемая схема 4 :1:1). Нетрудно подсчитать, что схема 4 :1:1 позволяет сократить объем выходного потока видеоинформации вдвое (вместо двенадцати байтов для четырех соседних пикселов достаточно шести). При кодировании по схеме YUV 4 : 2 : 2 сиг-

нал яркости передается для каждой точки, а цветоразностные сигналы U и

83

V — только для каждой второй точки в строке, что позволяет без заметной потери разрешения сузить канал передачи видеосигнала.

Формирование изображения с помощью КМОП-сенсора

Альтернативным типом фоточувствительной матрицы является так называемый КМОП-сенсор (КМОП — комплиментарный металл-оксид-

полупроводник).

Внутренняя архитектура КМОП-сенсоров может быть различной. В

качестве непосредственно фоточувствительного элемента могут выступать фотодиоды или фототранзисторы. Независимо от типа фоточувствительно-

го элемента неизменным остается принцип разделения дырок и электро-

нов, получаемых в процессе фотогенерации. Наиболее простой тип фото-

диода представляет собой контакт полупроводников n- и p-типов

(рис. 2.33). На границе контакта полупроводников формируется обеднен-

ная область, в которой отсутствуют носители заряда — слой без дырок и электронов. Область формируется в результате диффузии основных носи-

телей зарядов во взаимно противоположных направлениях: в результате процесса рекомбинации в обедненной области дырки и электроны взаимно уничтожаются.

Рис. 2.33. Структура КМОП фотоэлемента

84

На границах обедненной области оказываются некомпенсированны-

ми заряды ионов примеси, причем в n-области они имеют положительный заряд, а в p-области — отрицательный. Эти заряды, распределенные по границе обедненной области, образуют электрическое поле, так называе-

мый потенциальный барьер, выполняющий функцию пространственного разделения дырок и электронов, образующихся в процессе фотогенерации.

Наличие такого локального поля является принципиально важным факто-

ром в любом полупроводниковом фоточувствительном сенсоре. Предпо-

ложим, что фотодиод освещается потоком оптической энергии, причем свет падает на n-полупроводник, а p-n-переход перпендикулярен лучам света (рис. 2.33). Фотоэлектроны и фотодырки будут диффундировать вглубь кристалла, и некоторая их доля, не успевшая рекомбинировать,

достигнет поверхности p-n-перехода. Для электронов существующее элек-

трическое поле является непреодолимым препятствием — потенциальным барьером, поэтому электроны не смогут преодолеть p-n-переход. Дырки,

напротив, ускоряются электрическим полем и проникают в p-область. В

результате пространственного разделения дырок и электронов n-область заряжается отрицательно (избыток фотоэлектронов), а p-область — поло-

жительно (избыток фотодырок). В результате образования избыточных за-

рядов во внешней цепи фотодиода может протекать электрический ток.

Основное отличие КМОП-матриц от ПЗС-структур заключается не в способе формирования и накопления заряда, а в способе его дальнейшего переноса. Технология КМОП позволяет осуществлять большее количество операций непосредственно на кристалле, на котором расположена фото-

чувствительная матрица. Кроме высвобождения электронов и их передачи,

КМОП-матрицы могут также обрабатывать изображения, выделять конту-

ры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования и т. д. Имеется принципиальная возможность создавать совмещенные с микропроцессором программируемые КМОП-матрицы,

предоставляя потребителю гибкое многофункциональное устройство.

86

6.Приведите классификацию СОТ по типу сигналов в среде передачи.

7.Перечислите наиболее важные числовые тактические характеристики СОТ.

8.Назовите обязательные и необязательные элементы СОТ.

9.Изобразите структурную схему аналоговой системы охранного телеви-

дения.

10.Изобразите структурную схему цифровой СОТ.

11.Изобразите структурную схему системы охранного телевидения на базе

IP-камер.

12.Перечислите уровни интеграции электронных систем безопасности.

13.Охарактеризуйте модульную архитектуру многоуровневой структуры СОТ.

14.Что такое оптический диапазон электромагнитных волн? Его место на шкале электромагнитных волн?

15.Приведите основные характеристики и источники света.

16.Поясните построение проекции объекта наблюдения идеальной пло-

ской линзой.

17.Объясните принцип формирования чересстрочного видеосигнала.

18.Как формируются сигнал яркости и цветоразностные сигналы в систе-

мах цветного телевидения?

19.Охарактеризуйте частотный спектр полного цветного телевизионного сигнала.

20.Приведите характеристики систем цветного телевидения.

21.Что такое разрешающая способность телевизионных систем?

22.Как формируется изображение с помощью ПЗС-матрицы?

23.Как работает ПЗС-матрица с покадровым переносом?

24.Как работает ПЗС-матрица с межстрочным переносом?

25.Как работает ПЗС-матрица с кадрово-строчным переносом?

26.Поясните, как формируется изображение с помощью КМОП-сенсора?

87

Глава II. КОМПОНЕНТЫ СОТ

3. Передающие телекамеры

3.1. Характеристики телевизионной камеры

Согласно ГОСТ 21879, телевизионная камера (ТВК) — телевизион-

ный датчик, предназначенный для телевизионного анализа передаваемой сцены при помощи оптоэлектронного преобразования [13].

Телевизионный датчик – устройство, вырабатывающее полный ви-

деосигнал или полный цветовой сигнал или сигналы основных цветов [13].

Все современные телевизионные камеры строятся на основе свето-

чувствительных матриц. Свет, падающий на матрицу, вызывает накопле-

ние в каждой еѐ ячейке электрического заряда, пропорционального осве-

щенности этой ячейки; этот электрический заряд периодически считывает-

ся со всех ячеек матрицы и преобразуется в видеосигнал, который и выво-

дится на монитор. Поверхность матрицы состоит из множества светочув-

ствительных ячеек. Чем больше число пикселей, тем более качественное изображение формирует видеокамера.

В общем случае современная телевизионная камера состоит из:

телевизионного модуля (платы);

оптического блока;

корпуса;

дополнительных устройств.

В состав телевизионного модуля входят: ПЗС (КМОП)-матрица, уст-

ройство формирования видеосигнала (устройство аналоговой обработки),

видеоусилитель (усиление видеосигнала до необходимого уровня 1,0 В и его предварительная обработка), цифровой процессор сигнала, система ав-

томатической регулировки уровня сигнала (поддержка видеосигнала на постоянном уровне).

88

выходные

Рис. 3.1. Структурная схема современной телевизионной платы Основными параметрами телевизионных камер являются:

цветность;

разрешение;

оптический стандарт матрицы;

чувствительность (пороговая чувствительность);

отношение сигнал/шум;

динамический диапазон;

время экспозиции;

синхронизация;

компенсация заднего света (компенсация засветки);

наличие гамма-коррекции;

напряжение питания.

Разрешение — параметр, характеризующий детальность изображе-

ния. Измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ), причем подразумевается разрешающая способность по горизонтали, так как разрешение по верти-

кали у видеокамер одного стандарта одинаково и ограничено на одном уровне (400 ТВЛ для стандарта CCIR/PAL). Черно-белые камеры стан-

дартного разрешения имеют разрешение 380–420 ТВЛ, повышенного раз-

решения 560–600, цветные камеры 280–350 ТВЛ, высокого разрешения до

460–560 ТВЛ.

89

Число строк в матрице должно соответствовать числу рисующих строк телевизионного стандарта (576 для CCIR), а количество элементов в строке может варьироваться, в пределе это 768, что соответствует полосе видеосигнала около 6 МГц. В большинстве случаев, например для недоро-

гих систем наблюдения, важнее не высокая разрешающая способность, а

стоимость камеры, поэтому наиболее распространенные матрицы содер-

жат около 500 элементов в строке. В камерах, используемых в дешевых системах наблюдения, например видеоглазках, допустимо двух- и даже че-

тырехкратное снижение числа строк в кадре.

Рис. 3.2. Пример изображения, сделанного с помощью телевизионных камер с разным разрешением

Кроме числа элементов, важной характеристикой является оптиче-

ский стандарт матрицы, измеряемый в долях дюйма:

1", 2/ 3", 1/ 2", 1/ 3", 1/ 4", 1/ 5",1/ 6". Исторически сложилось так, что разме-

ры матриц для фото- и видеотехники определяются в виде условной дли-

ны, приведенной к диагонали доисторического видикона. Естественно, чем больше физические размеры матрицы (при том же количестве пикселей),

тем выше качество изображения (за счет большего размера каждого свето-

90

чувствительного элемента). Как следствие, камеры с большой матрицей обладают большим динамическим диапазоном, устойчивостью к шумам и большим углом обзора при прочих равных условиях. Но за качество, кото-

рое обеспечивает крупная матрица, приходится платить: увеличение раз-

меров матрицы в разы увеличивает цену камеры, а также требует более до-

рогого объектива.

Каждая фирма-изготовитель матрицы (рис. 3.3,а) дополняет ее ком-

плектом специализированных микросхем, обеспечивающим при мини-

мальных габаритах и энергопотреблении управление матрицей и формиро-

вание видеосигнала. Обычно в комплекте три микросхемы (рис. 3.3,б). Для формирования последовательностей импульсов, используемых при считы-

вании информации с матрицы, служит синхрогенератор. Вторая микросхе-

ма — аналоговый процессор, обеспечивающий оптимальное выделение полезного сигнала, смешивание его с синхроимпульсами и передачу в ли-

нию связи. Для согласования логических уровней сигналов синхрогенера-

тора с уровнями сигналов управления матрицей служит третья микросхе-

ма — многовходовый двухили трехуровневый преобразователь. Совре-

менные методы миниатюризации позволяют разместить весь комплект микросхем с элементами обвязки на плате площадью 1,5 1,5 см.

а) б)

Рис. 3.3. ПЗС-матрица: а – непосредственно матрица; б – матрица с комплектом специализированных микросхем

Чувствительность — еще один важный параметр телевизионных камер. Этот параметр определяет качество работы камеры в условиях низ-

кой освещенности. Производители по-разному трактуют это понятие. Ча-

ще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от