2. Устройство и принципы работы элементов видеонаблюдения
2.1 Методы расчёта параметров видеокамер
Наиболее важным элементом любой современной камеры, который формирует изображение, является ПЗС матрица (ПЗС - прибор с зарядовой связью, в англоязычной литературе CCD - charge coupled device). Она представляет собой прямоугольную светочувствительную полупроводниковую пластину с отношением сторон 3:4, преобразующую падающий на нее свет в электрические заряды, которые используются для получения выходного видеосигнала с помощью специальной электронной схемы, которая обрабатывает, усиливает и формирует видеосигнал. ПЗС матрица состоит из большого числа светочувствительных ячеек, с помощью которых можно разложить сфокусированное на ней изображение в виде определенного числа зарядов, соответствующих каждой ячейке. Элементы разложения изображения называют пикселями (от англ. pixel - picture current). Чем больше число пикселей, тем менее заметна дискретность результирующего изображения. Количество пикселей указывается в паспорте на видеокамеру, эта характеристика является одной из наиболее важных. Чаще всего используются ПЗС матрицы с количеством пикселей 512 x 576 (для видеокамер стандартного разрешения) и 768 x 576 (для видеокамер высокого разрешения).
Основные характеристики:
Тип матрицы
Формат ПЗС матрицы
Автодиафрагма
Относительное отверстие
Фокусное расстояние
Разрешение
Чувствительность
Отношение сигнал/шум
Тип матрицы. Светочувствительные матрицы (сенсоры) бывают двух основных типов ― CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП).
- CCD (Charge-Coupled Device) матрица ― это светочувствительная матрица, изготовленная по технологии «приборов с зарядовой связью».
- CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) матрица ― это светочувствительная матрица, изготовленная по технологии комплементарной металл-оксид-полупроводник структуры (КМОП).
Матрицы CMOS гораздо более дешевые по сравнению с CCD-матрицами. На основе технологии CMOS можно делать сенсоры с большим количеством мегапикселей, и стоить они будут недорого (по сравнению с CCD).
Так как CMOS-матрицы дешевле CCD, производители IP-камер очень часто вместо стандартных CCD-матриц для видеонаблюдения используются более дешевые CMOS-сенсоры, особенно этим «славятся» производители, для которых IP-видеокамеры являются побочным продуктом. Хотя CMOS-сенсоры имеют более низкую чувствительность и не слишком хорошую цветопередачу, их использование позволяет сильно удешевить устройство, поскольку эти сенсоры представляют собой «все в одной микросхеме» с цифровым выходом данных. Так что единственный плюс такого решения ― это его цена, на что обычно и смотрят в первую очередь неопытные покупатели. Однако, пока IP-камеры с CMOS-матрицами не могут обеспечить такой чувствительности, как IP-камеры с CCD матрицами, хотя прогресс в качестве изображения заметен.
Формат ПЗС матрицы. Знание формата камеры наблюдения позволяет правильно выбрать для нее объектив. Формат - это округленное значение диаметра передающей трубки, которая дает такое же изображение, как и данная ПЗС матрица (в дюймах). Существуют форматы 1" (12.8 x 9.6) мм, 2/3" (8.8 x 6.6) мм, 1/2" (6.4 x 4.8) мм, 1/3" (4.8 x 3.6) мм, и 1/4" (3.6 x 2.7) мм. Наиболее часто в камеры наблюдения устанавливают матрицы формата 1/3". Чем больше размер матрицы по диагонали, при неизменном количестве пикселей, тем меньше их взаимное влияние, меньше уровень шумов и выше качество получаемого видеосигнала. В последнее время реже используется матрицы форматов 1" и 2/3" по причине дороговизны самих матриц и оптики, которая должна иметь соответственно большие размеры линз и оправ. Знание формата ПЗС матрицы необходимо для выбора подходящего объектива: диаметр окружности, в которой отображается сфокусированное объективом изображение, по сути является диагональю ПЗС матрицы. Так как ПЗС матрица имеет форму прямоугольника, то на нее приходится только часть проецируемого кругового изображения; если формат ПЗС матрицы и формат объектива совпадают, то прямоугольник матрицы точно вписывается в окружность.
Автодиафрагма. В течение суток освещенность на контролируемом объекте, как правило, претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический электронный затвор или объектив с автодиафрагмой.
Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность матрицы на постоянном уровне, изменяя величину относительного отверстия. Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного наблюдения рекомендуется использовать объективы с автоматической диафрагмой.
Относительное отверстие. Определяет световой поток, который, пройдя через объектив, достигает поверхности ПЗС-матрицы. Относительное отверстие численно равно отношению эффективного диаметра объектива к его фокусному расстоянию.
Чем меньше значение достижимого относительно отверстия, тем лучше, поскольку при этом система видеокамера-объектив оказывается более чувствительной. Например, объектив с F1.4 лучше объектива с F2.0, поскольку первый позволяет получить лучшее изображение в условиях малой освещённости.
Фокусное расстояние. Угол обзора камеры ― параметр, который определяется фокусным расстоянием (f) объектива и его форматом. Часто этот параметр указывается в градусах. Широкому углу обзора, соответствуют маленькие фокусные расстояния (2,8-5,0 mm). Для наблюдения за удаленными объектами применяют объективы с большим фокусным расстоянием (28,0 – 75,0 mm и более). При выборе объектива надо помнить, что формат объектива должен быть равен формату камеры или превосходить его.
f = h*L/H,
где f – необходимое фокусное расстояние (мм);
h – размер ПЗС-матрицы по вертикали (мм);
L – максимальная дальность наблюдения (м) ;
H – размер поля зрения по высоте на максимальной дальности наблюдения (м).
Имея объектив с широким углом обзора, то можно получить хороший панорамный обзор, но вдаль вы будете видеть хуже, мельче, уже не сможете рассмотреть там какие-то мелкие детали. А при использовании длиннофокусных объективов конечно сужается поле зрения, но вы будете лучше видеть вдаль (эффект бинокля).
Разрешение. Важный параметр видеокамеры — разрешение. Этот параметр определяет возможности камеры по воспроизведению мелких деталей изображения: чем выше разрешение, тем больше детальность, информативность картинки. Разрешение камеры в пикселях — это размер изображения, выдаваемый камерой по горизонтали и вертикали. Качество изображения, выдаваемого камерой, разборчивость мелких деталей, цветопередача и много другое — никак не связаны с физическим разрешением матрицы в пикселях, две камеры с одинаковым разрешением могут выдавать абсолютно разную по качеству картинку. Поэтому, для сравнения объективных параметров качества матрицы используют разрешение в телевизионных линиях ТВЛ, то есть количество линий, которое можно разглядеть на изображении. Этот параметр зависит не только от числа пикселей в матрице, но и от параметров электронной схемы камеры, от качества изготовления матрицы и от качества объектива. В большинстве случаев разрешения 380-400 ТВЛ вполне достаточно для наблюдения. Существуют камеры, имеющие более высокое разрешение — 520-540 ТВЛ. Такие камеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера машин, лица людей и многое другое). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых.
Чувствительность. Этот параметр определяет качество работы камеры при низкой освещенности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте, при которой можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают минимальную освещенность на матрице. Чувствительность (люкс) ― минимальный уровень освещенности (в люксах), при котором видеокамера дает распознаваемый видеосигнал. Чем параметр меньше, тем меньше света необходимо камере для то го чтобы выдать картинку. Для обычных черно-белых видеокамер она составляет 0,4~0,01 люкс для высокочувствительных до 0,00015 люкс, для цветных 0,2~3 люкс. Значения приведены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Ориентировочная освещенность объектов
Стоит упомянуть, что чувствительность черно-белых видеокамер затрагивает не только спектр видимого света, но инфракрасную область, что позволяет применять ИК-подсветки в условиях низкой освещенности.
Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице:
Iimаge=Iscene*R/(n*F2),
где Iimаge - освещенность на ПЗС - матрице; Iscene - освещенность на объекте; R - коэффициент отражения объекта;
F - светосила объектива.
Для цветных ТВ камер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с монохромными и отсутствие чувствительности в инфракрасной области спектра. Чувствительность большинства современных монохромных ТВ камер - порядка 0.01 - 1 люкс Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК - подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света.
Отношение сигнал/шум. С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал / шум" (S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.
S/N =20*log (видеосигнал/шум)
Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что амплитуда сигнала в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при 30 дБ - "снег" по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо.
Часто чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ это предельное значение отношения сигнал / шум, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.