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

Рис. 9.47. Пример иного расположения элементов RGB, из которых состоит пикселы

В аналоговом телевидении, которым большинство из нас до сих пор пользуется, и, конечно же, в видеонаблюдении пикселы в качестве элементарных деталей присутствуют на обоих концах сложной цепи, в результате которой мы получаем изображение: на входе, т. е. в телекамере, и на выходе, т. е. на мониторе. В телекамерах применяются ПЗС-матрицы, у которых мельчайшие элементы — пикселы — состоят из красной, зеленой и синей компоненты. Эти цветовые компоненты пиксела реагируют на красную, зеленую и синюю часть спектра проецируемого изображения, генерируя электроны пропорционально количеству цвета этой цветовой компоненты пиксела проецируемого туда изображения. В трехматричных ПЗС-телекамерах свет разделяется на три цветовые группы светоделительной призмой, а затем каждая световая группа проецируется на соответствующую ПЗС-матрицу. Это означает, что для каждого первичного цвета имеется отдельная ПЗС-матрица. Трехматричные ПЗС-телекамеры дают качественный видеосигнал с прекрасной цветопередачей и высоким разрешением. К сожалению, трехматричные ПЗС-телекамеры редко используются в видеонаблюдении, так как они очень дороги и, как правило, более громоздки, чем их одноматричные аналоги, которые в основном и используются. В цветных одноматричных ПЗС-телекамерах каждый пиксел состоит из трех первичных цветовых элементов (RGB). Справедливости ради нужно отметить, что существуют ПЗС-матрицы, где в качестве первичных цветов используются не красный, зеленый и синий, а голубой, желтый и пурпурный (как основные цвета в печати). Но такие телекамеры очень редко применяются в видеонаблюдении, и поэтому мы не будем рассматривать их как значительный сегмент видеонаблюдения. В противном случае нам было бы необходимо знать, что голубой, желтый и пурпурный преобразуются в самой телекамере при помощи таблиц в красный, зеленый и синий, так как композитный видеосигнал на выходе все равно должен быть представлен значениями RGB. Как видно на схематичной иллюстрации матрицы ПЗС (одноматричной телекамеры) фильтрация цветов RGB происходит в форме мозаики, поэтому этот фильтр называется мозаичным. Следует отметить, что зеленых светочувствительных элементов в два раза больше, чем синих или красных. Это связано с тем, что большая часть яркостной информации лежит в пределах зеленого спектра и человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Именно эти зеленые ячейки сильно влияют на разрешение телекамеры.

Рис. 9.48. Мозаичный фильтр на ПЗС-матрице

Логично было бы предположить, что разрешение в ТВ-линиях цветной одноматричной ПЗС-телекамеры рассчитывается путем деления количества горизонтальных (трехцветных) пикселов на 3/4 (соотношение сторон), на практике оно считается иначе. Учитывая чересстрочную развертку и мозаичное расположение, реальное разрешение цветной одноматричной ПЗС-телекамеры будет порядка 70–80 % от приведенных ранее расчетов. Таким образом, ПЗС-матрица размером 768x582 пиксела будет иметь разрешение приблизительно 768/4x3x0.8=460 ТВ-линий. А цветные трехматричные ПЗС-телекамеры имеют как минимум на 100 ТВ-линий больше только потому, что используются все трехцветные пикселы и отсутствует мозаичный фильтр.

В качестве необходимого отступления от темы мы напомним нашим читателям, что до изобретения ПЗС-телекамер (когда использовались телекамеры с передающими трубками) в связи с тем, что изображение считывается с мишени трубки в результате сканирования непрерывным электронным лучом, не существовало дискретных и конечных мельчайших элементов изображения (как в случае с ПЗС-матрицами).

Дискретные элементы изображения появились только с изобретением цветного телевидения, когда стали изготовлять телевизоры с электронно-лучевыми трубками, в которых использовалась цветоделительная решетка. Именно она разделяла световой поток на красные, зеленые и синие точки.

Когда речь идет о черно-белых телекамерах, мы говорим о разрешении, а не о пикселах, что напрямую связано с мельчайшим электронным лучом, который может сгенерировать телекамера и отобразить монохромный экран. Если вы помните, черно-белые мониторы имели довольно высокое разрешение только потому, что в них не использовались решетки, или сетки, и, соответственно, не было связанных с этим физических ограничений, которые появились позже с изобретением цветного телевидения. Все зависело только от того, насколько точно электронный луч воспроизводит детали, зафиксированные электронным лучом телекамеры. Возвращаясь снова к технологиям современного видеонаблюдения, подчеркнем, что необходимо четко понимать, что разрешение изображения в основном определяется источником, то есть разрешением ПЗС-телекамеры, что зависит от количества пикселов на ПЗС-матрице.

Нам не удастся отобразить на мониторе больше деталей (даже если сам монитор способен на это), чем зафиксировала ПЗС-матрица телекамеры. И, хотя всегда возможно точно определить количество пикселов на ПЗС-матрице, мы по-прежнему пользуемся ТВ-линиями при оценке качества деталей изображения, получаемого от телекамеры. Разрешение в ТВ-линиях измеряется с помощью тестовых таблиц, и в реальности вам вряд ли удастся идеально точно расположить таблицу перед телекамерой, поэтому ТВ-линии показывают несколько меньше деталей, чем получится в результате вышеприведенного попиксельного расчета. Когда видеосигнал отображается на экране монитора, самый маленький элемент изображения определяется либо пикселом ПЗС-телекамеры, либо пикселом монитора. Если у нас монитор с низким разрешением, например, маленький ЭЛТ-монитор с диагональю 23 см и с разрешением 330 ТВ-линий, а наша телекамера способна различать до 480 ТВ-линий, то мы увидим только то, на что способен монитор, то есть 330 ТВ-линий. А если у нас телевизионный монитор, который способен показывать около 700 ТВ-линий, то при той же самой телекамере мы увидим только 480 ТВ-линий.

Чтобы получить полное представление об измерении разрешения, необходимо сказать еще несколько слов о разрешающей способности объектива, которая измеряется в линиях на миллиметр. Есть оптические испытательные таблицы, которые измеряют эту функцию как разрешающую способность объектива в сравнении с контрастом. Это функция передачи модуляции (ФПМ). Тут все немного усложняется, так как ФПМ учитывает только черные линии на белом фоне (в отличие от учета черных и белых линий при измерении разрешения в ТВ-линиях, как мы это делаем в видеонаблюдении).

Рис. 9.49. Разрешение объектива, выраженное в парах линий на миллиметр

Разрешение в точках на дюйм (DPI)

Термин «точки на дюйм» (DPI) широко употребляется в настоящее время. Но под словом «точка» зачастую подразумеваются разные вещи, что и породило путаницу и неправильное толкование (нечто похожее происходит, когда в видеонаблюдении определяют разрешение в линиях и ТВ-линиях). В печати мы выражаем разрешение в точках на дюйм. С учетом того, что дюйм равен 2.54 мм, можно пересчитать в точки на миллиметр, но такие единицы измерения не будут стандартными. Поэтому, когда мы говорим о 300 точках на дюйм, на практике это означает, что на миллиметр приходится более 10 точек. Естественно, это очень маленький размер, и человеческий глаз не в состоянии различить две мельчайшие цветные точки, когда они расположены очень близко при печати с разрешением 300 точек на дюйм. Теоретически для сравнения возможно перевести телевизионное разрешение, которое используется в видеонаблюдении, в точки на дюйм.

Но есть одно большое «но»… В печати смешивание цветов реализуется совершенно иначе, чем при аддитивном смешивании, когда используются основные цвета RGB. В данном случае мы имеем дело с субтрактивным смешиванием, при котором в качестве основных используются голубой, пурпурный и желтый. Для дополнительных темных тонов добавляется черный, хотя теоретически цветов CMY достаточно для отображения всей палитры цветов. Все вы знаете, что такая печать называется CMYK. Таким образом, при печати цветных журналов и книг в основном используется 4 цвета красок. Для получения результирующего цвета в печати мельчайших элементов изображения все элементарные цветовые точки располагаются очень близко друг к другу (схожим образом происходит смешение на телевизионном экране). Основное отличие от телевидения заключается в том, что цветовые точки не располагаются в линию одна за другой (как это в настоящее время происходит на люминофоре большинства электронно-лучевых трубок и на экране жидкокристаллических мониторов). При печати четыре цветовые точки расположены под разными углами: 45 градусов для черного, 75 градусов для пурпурного, 90 градусов для желтого и 105 градусов для голубого. Для печати качественных журналов и брошюр в полиграфии требуется разрешение 300 точек на дюйм. Таким образом, когда мы читаем при нормальном расстоянии для чтения (обычно 50 см), человеческий глаз не различает цветные пикселы, и мы видим уже результат цветового смешения.