CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии - Владо Дамьяновски

Цветные телекамеры с одной ПЗС-матрицей (используемые в системах видеонаблюдения) имеют меньшую разрешающую способность, чем черно-белые, из-за деления на три цветовых компонента при том, что размеры этих ПЗС-матриц такие же, как у черно-белых телекамер. Трехматричные цветные телекамеры, используемые в телевещании, могут иметь гораздо более высокое разрешение. Появились телекамеры высокой четкости, где три 1 — дюймовые матрицы дают горизонтальное разрешение, близкое к 1000 ТВЛ.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал телекамеры, особенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизировать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус телекамеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процессами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами. Прим. ред.).

Источниками шума внутри телекамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэтому «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от температуры. Вот почему, указывая отношение сигнал/шум, производитель должен также указать и температуру, при которой проводились измерения.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изображение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Сильно зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от телекамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ).

Децибелы — это относительные единицы. Отношение выражается не в виде абсолютной величины, а в форме логарифма. Причина проста: логарифмы позволяют переводить большие отношения чисел к двух-трехзначным числам, но что более важно, преобразование сигнала (при вычислении затухания или усиления системы) сводится к простому сложению или умножению. Другая причина использования децибел (т. е. логарифма) — это более естественное понимание уровня звука и изображения. В частности, ухо человека воспринимает звук, а глаз воспринимает свет, подчиняясь логарифмическому закону.

Если вычисляется отношение любых двух величин, выраженных в одинаковых единицах, то в результате получаются дБ. Если же считается отношение к какому-то уровню, например, уровень напряжения относительно 1 мВ, то единицы называются дБмВ. Если мощность выражена относительно 1 мкВт, то единица называется дБмкВт.

Общая формула для отношений напряжения и силы тока имеет вид:

S/N = 20lg(Uc/Uш) (41)

Где Uc — напряжение сигнала, Uш — напряжение шума. Значения тока используются, если нужно показать отношение токов.

Если целью сравнения является отношение мощностей, то формула принимает несколько иной вид:

S/N = 10lg(P1/P2) (42)

Мы не будем вдаваться в объяснения по поводу различий (10 и 20), но запомните, что это вытекает из соотношения между напряжением, силой тока и мощностью.

В видеонаблюдении мы используем децибелы, в основном, для вычисления соотношения напряжений, то есть мы будем использовать только первую формулу.

В таблице приведены некоторые значения отношений напряжений (тока) и мощности в дБ. Обратите внимание на разницу между этими двумя величинами. В то время, как разница по напряжению в 3 дБ означает, что значение одного напряжения на 41 % больше сравниваемого значения, то для мощности 3 дБ означают двойное увеличение мощности (100 %-увеличение).

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры измеряется не так, как это делается в телевещании или при передаче сигнала. В сигнале телевещания отношение сигнал/шум — это отношение сигнала к шуму, накопленному при передаче сигнала от передатчика к приемнику. Оно определяется как отношение (в дБ) амплитуды сигнала, соответствующего шкале градаций яркости, к среднеквадратическому значению напряжения наложенного случайного шума, измеренного в полосе частот от 10 кГц до 5 МГц. Есть специальные приборы, спроектированные для непосредственного измерения этой величины при использовании сигнала испытательной строки (VITS).

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры определяется как отношение сигнала к шуму, производимому матрицей и электроникой телекамеры. Чтобы получить реальное отношение сигнал/шум телекамеры, все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) должны быть отключены, включая гамма-коррекцию, АРУ, электронный затвор и схему компенсации встречной засветки. Температура должна быть на уровне комнатной. Самый простой метод измерения шума в сигнале телекамеры — это использование специального измерителя шума. Это устройство оценивает шум в полосе от 100 кГц до 5 МГц и выводит отношение сигнал/шум прямо в децибелах. Для ПЗС-телекамер в видеонаблюдении отношение сигнал/шум более 48 дБ считается хорошим.

Следует помнить, что изменение отношения сигнал/шум на 3 дБ означает примерно 30-процентное уменьшение шума, так как уровень видеосигнала не меняется. И при сравнении телекамеры, у которой сигнал/шум равен 48 дБ, с телекамерой, у которой, например, эта величина равна 51 дБ, последняя даст значительно лучшее изображение, что будет особенно заметно при низких уровнях освещенности. Говоря об отношении сигнал/шум, мы всегда полагаем, что АРУ отключена.

Если не допускать значительного нагрева телекамеры, то шум будет меньше.

Для сравнения приведем такую величину: ПЗС-телекамеры в телевещании имеют отношение сигнал/шум более 56 дБ, что чрезвычайно хорошо для аналогового видеосигнала.

Эффективное охлаждение телекамеры значительно уменьшает шумы. Снижение температуры для любой электроники означает уменьшение шумов. В астрономии и других сферах применения существуют специальные телекамеры с охлаждением, которые разработаны таким образом, что ПЗС-матрица охлаждается очень эффективно. Нередко можно встретить охлаждение до -50 °C и ниже.

Для специфических сфер применения используются телекамеры, у которых блок с ПЗС-матрицей имеет возможность подключения охладителя. Некоторые модели, наподобие той, которая изображена на иллюстрации, используют охлаждающие элементы Пельтье, для того чтобы постоянно поддерживать температуру ПЗС-матрицы на уровне 5 °C, что снижает шум до 1/8 от величины шума при комнатной температуре. Поэтому необходимо отметить, что если в системе видеонаблюдения не используются качественные телекамеры, то их перегрев может очень сильно повлиять на качество изображения.

Рис. 5.43. Телекамера с охлаждающим элементом Пельтье, который поддерживает рабочую температуру ПЗС-матрицы около 5 °C и снижает шумы на 85 %.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы

Динамический диапазон нечасто упоминается в технических характеристиках телекамер систем видеонаблюдения. Однако, это очень важная деталь, характеризующая эффективность камеры.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы определяется как максимальный сигнал накопления (насыщенная экспозиция), деленный на общее среднеквадратическое значение шума эквивалентной экспозиции. Динамический диапазон аналогичен отношению сигнал/шум, но относится только к динамике ПЗС-матрицы при обработке темных и ярких объектов в пределах одной сцены.

Отношение сигнал/шум относится к полному сигналу, включая электронные схемы телекамеры, и выражается в дБ, а динамический диапазон — это отношение, не логарифм. Это число показывает световой диапазон, обрабатываемый ПЗС-матрицей, только этот диапазон выражается не в фотометрических единицах, а в значениях сформированного электрического сигнала. Он начинается с очень низких уровней света, равных среднеквадратическому значению шума ПЗС-матрицы и доходит до уровня насыщенности. Поскольку это отношение двух значений напряжения, то величина безразмерная, обычно порядка нескольких тысяч. Типичные значения лежат между 1000 и 100000. Внешний свет может легко превысить уровень насыщения ПЗС-матрицы, так как динамический диапазон вариаций света в уличных условиях гораздо шире, чем может обработать ПЗС-матрица. Например, в ясный солнечный день ПЗС-матрица быстро достигает насыщения, особенно если телекамера не имеет АРУ, автодиафрагму или электронный затвор. Автодиафрагма оптически блокирует избыточный свет и снижает его до верхнего уровня ПЗС-матрицы, в то время как электронный затвор делает то же, электронным образом снижая время экспозиции матрицы (которое в нормальных условиях составляет 1/50 с для сигнала CCIR/PAL и 1/60 с для EIA/NTSC).