Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

ных веществ наиболее широко применяются кристаллы галогени­ да серебра (AgBr, AgCl, AgJ). Галоидное серебро является непос­ редственным приемником световых лучей. Поэтому от особеннос­ тей строения, размеров, количества и пространственного распре­ деления в слое зерен галоидного серебра существенно зависит ка­ чество получаемого изображения.

В момент экспонирования под действием квантов света в мик­ рокристаллах галогенида серебра происходит образование метал­ лического серебра, которое осаждается на центрах светочувстви­ тельности (центрах скрытого изображения), увеличивая их размер. Таким образом, в результате фотографирования в светочувстви­ тельном слое возникает скрытое изображение. Для превращения его в видимое изображение необходима химическая обработка све­ точувствительного слоя, включающая проявление, фиксирование, промывку и сушку.

При проявлении химические вещества проявителя восстанав­ ливают экспонированные микрокристаллы галогенидов серебра до металлического серебра, в результате чего скрытое изображение становится видимым.

Микрокристаллы, не подвергшиеся действию света, остают­ ся в светочувствительном слое. Для удаления из эмульсионного слоя неэкспонированных и, соответственно, не восстановленных в процессе проявления кристаллов галогенида серебра производит­ ся фиксирование, в ходе которого галогенид серебра под действи­ ем соответствующих химических веществ превращается в несве­ точувствительное легко растворимое соединение.

После промывки с целью удаления из светочувствительного слоя продуктов реакции проявления и фиксирования и последую­ щей сушки получается негативное изображение.

В негативном изображении степень почернения его элемента пропорциональна яркости исходного изображения на светочувс­ твительном слое. Для получения позитивного (прямого) изображе­ ния необходимо провести позитивный процесс, включающий фо­ топечать, проявление, фиксирование и сушку. Позитивная фотопе­ чать проводится путем экспонирования фотоматериала через нега­ тив. При проявлении позитивного фотоматериала на нем получает­ ся изображение, обратное по яркости изображению негатива.

471

Так как энергия фотонов снижается с увеличением длины вол­ ны, то для формирования требуемого спектрального диапазона светочувствительного материала в слой вводят добавки-сенсиби­ лизаторы. Черно-белые фотопленки по спектральной чувствитель­ ности делятся на категории, указанные в табл. 16.1.

В настоящее время широко применяется, в особенности из космоса, «многозональная съемка», которая предусматривает од­ новременное (синхронное) фотографирование одного и того же участка земной поверхности или объекта в различных (обычно 4-6) узких (0,04-0,10 мкм) зонах спектра на фотопленки с различ­ ными спектральными характеристиками. Информативность мно­ гозональных снимков зависит от информативности зон спектра, в которых производят съемку. Но в любом случае она выше, чем чер­ но-белых фотографий.

В современных способах цветной фотосъемки используются многослойные фотоматериалы, имеющие на одной подложке три эмульсионные слоя. Каждый из слоев чувствителен к лучам одно­ го из основных цветов: синего, зеленого и красного. При съемке в каждом из трех эмульсионных слоев образуется скрытое изобра­ жение. Фотохимическая обработка цветных материалов сложнее, чем черно-белых, и состоит из следующих операций: проявление, отбеливание, фиксирование, промывка, сушка и ряда промежу­ точных операций, способствующих повышению качества цветно­ го изображения. Отбеливание, отсутствующее при обработке чер-

472

{to белых материалов, предназначено для перевода металлическо- I" • сребра, снижающего яркость красителей слоев, в его комплек- | II К) соль.

Многослойные цветные фотопленки существенно уступают •и |шо-белым по разрешающей способности, что усугубляется такни шачительным влиянием воздушной дымки в атмосфере на кон- ||>.н:т изображения в сине-фиолетовой зоне спектра. Но благодаря пт' гу цветные фотографии имеют высокую информативность.

В интересах разведки более распространена фотосъемка на осiioiio спектрозональных аэрофотопленок, имеющих 2-3 эмульси­ онных светочувствительных слоя. В отличие от цветных пленок, и которым предъявляются требования по идентичности в калори­ ях I рическом отношении изображения и оригинала, на спектрозо- и.1 и.ных аэрофотопленках объекты отображаются в условных цве- i.iч, не соответствующих привычному цвету объектов.

Технология съемки и фотохимической обработки спектрозо- м.I иьной пленки не отличается от цветной. Но информативность ик-ктрозональных снимков значительно выше, чем цветных, по ( п дующим причинам:

•используются наиболее информативные с точки зрения возмож­ ностей обнаружения и распознавания объектов зоны спектра;

•юны смещены в область больших значений длин волн, вследс­ твие чего уменьшается отрицательное влияние воздушной дым­ ки на контраст оптического изображения;

•двухслойные спектрозональные аэрофотопленки имеют более нысокую (примерно в 2 раза) разрешающую способность, чем многослойные цветные пленки.

Чувствительность фотоматериалов измеряется в условных

единицах ISO (ранее в ед. ГОСТа), в США и многих других стра­ нах — в единицах ASA, в Германии — в DINax. Перерасчет еди­ ниц светочувствительности, определенных по разным сенситомет­ рическим системам, сложен, так как в каждой системе использу­ ются разные критерии светочувствительности. Система ISO прак­ тически идентична системе ASA. В единицах DIN чувствитель­ ность приблизительно равна увеличенному на 1 десятикратному шачснию десятичного логарифма значений светочувствительнос­ ти в единицах ISO. Например, широко применяемая для бытовой

съемки пленка имеет чувствительность 100, 200 и 400 ед. ISO со­ ответствует чувствительности 21, 24 и 27 ед. DIN соответствен­ но. В зависимости от назначения чувствительность фотоматериа­ лов колеблется в широком диапазоне — от единичных значений до тысяч. Фирма «Кодак» выпускает специальную фотопленку, значе­ ния чувствительности которой достигают 10 тысяч единиц. Такая пленка позволяет проводить фотосъемку при освещенности, оце­ ниваемой человеком как темнота. Однако она требует специаль­ ной обработки за 10-12 часов перед фотосъемкой. Разработана мо­ нохроматическая пленка переменной чувствительности, величина которой зависит от длительности ее проявления.

Разрешающая способность фотографических материа­ лов, так же как объективов, оценивается числом различимых ли­ ний на один мм. Способность фотоматериала раздельно с задан­ ным контрастом воспроизводить мелкие близко расположенные детали изображения определяется его структурными свойствами. Зернистая структура фотографической эмульсии вызывает рассея­ ние света в слое при экспонировании и ограничивает возможность воспроизведения мелких деталей и резкость изображения. Причем чем выше чувствительность фотоматериала, тем больше зернис­ тость эмульсии. Разрешающая способность фотопленок в зависи­ мости от решаемых задач колеблется в широких пределах: от 80100 лин/мм для любительской фотографии до единиц тысяч лин/ мм для специальной фотосъемки малоподвижных и неподвижных объектов (в голографии, 'астрономии, микроэлектронике, полигра­ фии). Например, для получения высококачественных голографи­ ческих изображений разрешающая способность пленок должна со­ ставлять около 5000 лин/мм. Разрешающая способность -аэрофо- топленки представляет собой компромисс между ее чувствитель­ ностью и четкостью изображения — 100-400 лин/мм. Высокая чувствительность аэрофотопленок необходима для уменьшения влияния так называемого «скоростного смаза», вызванного дви­ жением фотоаппарата со скоростью полета самолета относитель­ но объекта съемки. Это явление приводит к размазыванию границ между двумя соседними градациями яркости и снижению в целом четкости изображения. Чем выше чувствительность пленки, тем меньше необходимое время экспонирования (выдержки) и меньше влияние «скоростного смаза».

474

С начала 90-х годов на основе достижений микроэлектроники развивается принципиально новое направление — цифровое фо­ тографирование. Цифровой фотоаппарат представляет собой ма­ логабаритную камеру на ПЗС-матрице, электрические сигналы с выхода которой записываются не на магнитную ленту, как в ви­ деокамере, а преобразуются в цифровой вид и запоминаются по­ лупроводниковой памятью фотоаппарата в виде специальных карт (CompastFlash, SmartMedia Card, MultiMedia).

Цифровой электронный фотоаппарат, обладая возможностями классического электромеханического фотоаппарата, предоставляет пользователю дополнительные функции, которые существенно по­ вышают оперативность фотографии. К ним относятся: возможность съемки в непрерывном режиме с частотой 5-15 кадров/с, запись тек­ стовых и звуковых комментариев, даты и времени фотосъемки, про­ смотр изображений в процессе и после съемки на поворачивающем­ ся экране (LCD-панели размером 4-5 см), отображение текущих па­ раметров съемки (числа отснятых кадров, объем свободной памяти, текущий режим компрессии) и др. Предусмотрены различные ре­ жимы просмотра кадров и стирание не понравившихся, печатание выбранных на фотопринтере. Цифровой фотоаппарат может иметь стандартный интерфейс для просмотра изображения на экране те­ левизора, записи на видеомагнитофон или печати на принтере.

Цифровой фотоаппарат также сопрягается с ПЭВМ. Отснятое изображение может отображаться на экране монитора, редактиро­ ваться с помощью графических редакторов, выводиться на печать, передаваться по сети.

Разрешение изображения цифрового фотоаппарата опреде­ ляется разрешением его светоэлектрического преобразователя и составляет миллионы пикселей. Но с увеличением разрешения уменьшается при ограниченном объеме памяти количество кадров фотосъемки. Компромисс между разрешением и количеством кад­ ров достигается введением возможности изменения оператором по­ казателей разрешения запоминаемого кадра. С дополнительной па­ мятью количество отснятых кадров может быть очень большим — сотни и в будущем тысячи.

Разрешение цифровых фотоаппаратов приближается к разре­ шению фотоаппаратов широкого применения, но уступает разре­ шению специальных фотопленок. Легко рассчитать, что кадр фото­

пленки стандартного размера 24 х 36 мм и разрешением 100 лин/мм содержит более 8,5 млн пикселей. Но для фотопленки с разреше­ нием 500 лин/мм количество пикселей кадра возрастает до чрез­ вычайно большой величины — более 200 млн. Однако отсутствие у цифровых фотоаппаратов необходимости в химической обработ­ ке светочувствительных материалов, большая оперативность про­ смотра изображений в ходе фотосъемки и гибкость редактирова­ ния изображений на ПЭВМ делают их привлекательными не толь­ ко для бытовой фотосъемки, но и для разведки. Учитывая перспек­ тивы миниатюризации радиоэлектронных элементов, прежде все­ го «памяти», и повышения разрешения ПЗС, у цифровых фотоап­ паратов большое будущее.

Основными техническими характеристиками фотоаппаратов, влияющими на их возможности по скрытому фотографированию, являются:

•диапазон длин волн, формирующих видимое изображение;

•чувствительность;

•разрешающая способность;

•масса и размеры;

•бесшумность в работе.

Если диапазон длин волн определяется спектральной характе­ ристикой светочувствительного элемента, то разрешение фотопри­ емника зависит как от разрешения светочувствительного элемента R-ф, так и разрешения объектива Ro. Из-за многочисленных погреш­ ностей (аберраций) линзы обеспечить высокое разрешение объек­ тива сложнее, чем светочувствительного элемента. Разрешающая способность типовых объективов любительских фотоаппаратов составляет около 50 лин/мм. Объективы профессиональных фо­ тоаппаратов с более высоким разрешением представляют собой сложные оптические системы, стоимость которых выше, чем сто­ имость остальной части фотоаппарата. Разрешающая способность пары «объектив-фотопленка» R определяется по простой форму-

Информация о движущихся объектах добывается путем кино- и видеосъемки с помощью киноаппаратов и видеокамер. При ки­ носъемке изображение фиксируется на светочувствительной кино­ пленке, при видеозаписи — на магнитной пленке или в полупро­ водниковой памяти.

476

Под киносъемкой понимают процесс фиксации серии последо­ вательных изображений (кадров) объекта наблюдения через задан­ ные промежутки времени, определяемые частотой кадров в секун­ ду. Каждый кадр кинофильма содержит изображение объекта в мо­ мент съемки. Число кадров колеблется от единиц кадров в минуту и даже часов для съемки медленно текущих процессов до сотен ты­ сяч в секунду — для сверхскоростной специальной съемки, напри­ мер для наблюдения электрического разряда или полета пули.

Устройство кинокамеры близко к устройству фотоаппарата с той принципиальной разницей, что в процессе киносъемки плен­ ка скачкообразно продвигается с помощью грейферного механизма перед кинообъективом на один кадр. Закрытие объектива на вре­ мя продвижения кинопленки осуществляется заслонкой (обтюра­ тором), вращение которой перед объективом синхронизировано с работой грейфера. Киносъемка движущихся людей производится на 8- и 16-мм пленку с частотой 16-32 кадра в секунду.

16.1.4. Средства телевизионного наблюдения

Дистанционное наблюдение движущихся объектов осущест­ вляется с помощью средств телевизионного наблюдения. Схема комплекса средств телевизионного наблюдения показана на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема комплекса средств телевизионного наблюдения

При телевизионном наблюдении изображение объективом проецируется на светочувствительный слой фотокатода вакуум­ ной передающей трубки или мишени твердотельного преобразо­ вателя. Фотокатод содержит вещества, из атомов которого кван-

477

ты световой энергии выбивают электроны, количество которых пропорционально энергии света (яркости элемента изображения). На фотокатоде образуется изображение Q(x,y,t) в виде электричес­ ких зарядов, эквивалентное оптическому B(x,y,t) изображению, где Q и В — значения соответственно величины зарядов и яркости в точках с координатами х и у в момент времени t.

В вакуумных телевизионных передающих трубках произво­ дится считывание величины заряда с помощью электронного луча трубки, отклоняемого по горизонтали и вертикали магнитными полями. Эти поля создаются отклоняющими катушками, надевае­ мыми на горловину телевизионной трубки.

За время развития телевидения разработано много типов пе­ редающих телевизионных трубок, отличающихся чувствительнос­ тью фотокатода и разрешающейся способностью. Появление до­ статочно простых ТВ-трубок типа «видикон» позволило создать компактные телекамеры. Миниатюрные видиконы с диаметром до 15 мм обеспечивают четкость 400-600 линий. На основе видикона разработаны различные варианты телевизионных передающих трубок: плюмбикон, кремникон, суперортикон, изокон и др., обес­ печивающие качественное светоэлектрическое преобразование в широком диапазоне длин волн и освещенности.

В начале 70-х годов был открыт и реализован новый принцип построения безвакуумных твердотельных преобразователей «светэлектрический сигнал», т. н. приборов с зарядовой связью (ПЗС).

В основу таких приборов положены свойства структуры металл- окисел-полупроводник, называемой МОП-структурой (рис. 16.3).

СВ Е Т

Рис. 16.3. Схема фрагмента ПЗС

478

Фотокатод или мишень ПЗС представляет линейку или матри- н v из ячеек с МОП-структурами, образованную горизонтальными и нсртикальными токопроводящими прозрачными электродами. |' 11мсры каждой ячейки соответствуют размерам элемента изобра- •ния. Разрешающая способность ПЗС определяется количеством

юск, размещающихся в поле изображения.

Считывание зарядов, образующихся в каждой ячейке ПЗС под ■йствием света точек изображения, производится путем последо- I гсльного перекачивания зарядов с ячейки на ячейку под действи- 1 управляющих сигналов, подаваемых на электроды. В результате ого на выходе ПЗС образуется последовательность электричесIX сигналов, амплитуда которых соответствует величине заряда 1 1 ячейках мишени на ПЗС

Типовая телевизионная передающая камера содержит элек- ' роппую плату с элементами электронной схемы, плату со светоисктрическим преобразователем и объектив. В малогабаритной ■.tMcpe для скрытого наблюдения объектив и светоэлектрический 11 рсобразователь укрепляются на единой электронной плате.

Электронная схема электронной платы телевизионной камеры кыполняет следующие функции:

•генерация сигналов управления светоэлектрическим прсобраювателем с целью считывания с него сигналов, эквивалентных яркости объектов изображения;

•усиление сигналов изображения с выхода светоэлектрического преобразователя;

•формирование сигналов (импульсов) синхронизации по стро­ кам и кадрам изображения на экране монитора;

•формирование полного цветового сигнала, содержащего сиг­ налы изображения, строчные и кадровые синхронизующие им­

пульсы.

Светочувствительные матрицы современных телевизионных кпмер выполняются на приборах с зарядовой связью (ПЗС), кото­ рые по сравнению с вакуумными телевизионными передающими срубками имеют несоизмеримо малые размеры и энергопотреб­ ление. Размер светочувствительной области матрицы называетon оптическим форматом. Для систем видеонаблюдения приме­ няют форматы: 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 и 1 дюйм. Следует отметить, что

479

размер диагонали матрицы меньше величины, равной произведе­ нию формата на эквивалент дюйма (2,54 мм). Например, размер матрицы 1/2" составляет 6,4 х 4,8 мм с диагональю 7,8 мм вмес­ то 0,5 х 25,4 = 12,7 мм. Различие обусловлено тем, что размер ПЗС-матрицы определенного формата соответствует размеру поля изображения электронной передающей трубки диаметром, равно­ му этому формату.

Чем больше формат матрицы, тем более высокое разрешение камеры можно обеспечить. Матрицы оптического формата 1/2, 2/3 и 1 дюйм применяют в камерах среднего и высокого класса, а 1/3 и 1/4 — в малогабаритных камерах и для скрытого наблюдения. На основе матриц формата 1/4 дюйма размером 3,4 х 2,4 мм компани­ ей Watec (Япония) созданы сверхминиатюрные камеры WAT-660 (29 х 29 х 16 мм) и WAT-704R (цилиндрической формы диаметром 18 мм).

Для получения цветного изображения светочувствительный элемент ПЗС матрицы состоит из 3-4 светочувствительных ячеек, перед которыми установлены светофильтры красного, синего и зе­ леного цветов. В варианте 4 ячеек две из них чувствительны к зеле­ ным лучам (перед ними установлены светофильтры зеленого све­ та). Такой вариант приближает спектральную характеристику ПЗС матрицы к спектральной характеристике глаза, наиболее чувстви­ тельного к зеленому цвету. Из-за технологических и схемно-техни- ческих проблем и меньшей освещенности каждой ячейки элемен­ та матрицы разрешение и чувствительность цветных камер хуже черно-белых. Для обеспечения высокого разрешения цветных ка­ мер световой поток от объектива с помощью призм направляют на 3 ПЗС-матрицы с соответствующими светофильтрами, что сущес­ твенно усложняет конструкцию камеры. Камеры с ПЗС-матрицами называются также CCD-камерами.

Объектив телевизионной камеры может быть сменным и встроенным, с постоянным и переменным фокусным расстояния­ ми. Основные характеристики объектива: фокусное расстояние f и светосила. Фокусное расстояние объектива определяет угол зре­ ния телевизионной камеры. Объективы с малым фокусным рассто­ янием (около 2,8 мм) обеспечивают просмотр пространств боль­ шой площади, но получаемые изображения имеют мелкий масш­

480