Пролайн – видеонаблюдение, безопасность, системы охраны, системы оповещения, уличные камеры, монтаж видеодомофонов.

Чувствительность видеокамер

Важнейшей характеристикой видеокамеры, характеризующей её способность преобразовывать кванты света в электрический сигнал, является чувствительность, т. е. нижняя граница рабочего диапазона освещённостей. В системах охранного телевидения она определяется в виде параметра, доступного для измерения пользователем. Чувствительность — это минимальная освещённость на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения. Измерение чувствительности телекамеры производится при известных контрасте испытательной таблицы. Цветовой температуре источника света, светосиле объектива и при максимальном усилении включённой автоматической регулировке усиления. Как правило, производители телекамер под чувствительностью понимают минимальную освещённость тест-таблицы, при которой амплитуда полного видеосигнала составляет 1 В.

Иногда для уточнения понятия минимальной освещённости используют так называемую шкалу IRE аббревиатура от названия Institute of Radio Engineers. В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0.7 В принимается за 100 единиц IR E. Полный видеосигнал со стандартной амплитудой 1В содержит 0.3 В синхросигнала и 0,7В сигнала изображения. Различные производители указывают чувствительность телекамер для разных значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком уменьшении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого (usable picture).

 

Чувствительность телекамеры зависит от её светосигнальной характеристики, представляющей собой зависимость выходного сигнала от освещённости сцены — чем больше светосигнальной характеристики, тем больше чувствительность при выбранном пороге (рис. 1).

В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня производители фотоприёмников в качестве параметра, характеризующего чувствительность, часто используют другие показатели. Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение выходного сигнала при заданном уровне освещённости, типе источника, светосиле объектива и уровне шума. Другим широко используемым параметром является крутизна светосигнальной характеристики — выходное напряжение, нормированное на экспозицию В/(лк-с). Размерность этой характеристики отражает действие закона взаимозаместимости освещённости и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС-матрицы, в то время как освещённость (число фотонов в секунду) и время накопления могут быть разными.

Для определения основных параметров телевизионной системы необходимо знание чувствительности телекамер в виде минимально допустимой освещённости матрицы ПЗС, так как в этом случае можно учесть светосилу используемого объектива, расстояние до объекта, его контраст и т. д. Освещённость на объекте Ео и на матрице Ем связаны соотношением

(1)

где ko - коэффициент отражения объекта (тест таблицы в белом); t - коэффициент пропускания света объективом; m - отношение фокусного расстояния объектива к расстоянию до объекта; F - отношение фокусного расстояния f объектива к диаметру D его входного зрачка. Общее ослабление света объективом связано с квадратом его относительного отверстия (апертуры F) и коэффициентом пропускания t. В ряде руководств по прикладному телевидению используют специальное название для отношения - коэффициент передачи, или transmission ratio. На практике освещённости на объекте и на матрице отличаются на порядок.

Фундаментальным фактором, ограничивающим чувствительность, является шум, имеющий по крайней мере два источника: шум квантовой структуры света и собственный шум телекамеры. При идеальной нешумящей телекамере её чувствительность зависит только от фотонного шума - флуктуаций числа фотонов относительно среднего значения. В силу независимости фотонов в потоке света количество фотонов в элементе разложения в конкретном кадре подчинено статистике Пуассона. В результате достижимое отношение сигнала к фотонному шуму пропорционально корню квадратному из числа фотонов, принятых телекамерой от объекта наблюдения (Здесь в первом приближении из рассмотрения исключается зависимость энергии излучения, коэффициентов отражения и квантового выхода от длины волны, которые рассмотрены далее). Сюжет в поле зрения ТВ-камеры характеризуется коэффициентами отражения объекта kо и фона kф; способность фотоприёмника к накоплению определяется площадью элемента разложения 2, квантовым выходом h, усреднённым по длине волны, и временем накопления Тн . Для телекамер, используемых в составе СФЗ, важно также задать пороговое отношение сигнал/шум Yпор, обеспечивающее заданную достоверность принятия решения наблюдателем.

Учет этих параметров и формулы (1) позволяет найти выражение для предельной чувствительности, т. е. пороговой освещенности сцены для реальной ситуации обнаружения и опознавания малоконтрастных объектов:

(2)

гд е — потенциально доступное ПЗС количество фотонов на 1 см2 в 1 секунду при равномерном спектре и освещённости в видимом диапазоне 1 лк. При большой разнице в коэффициентах отражения объекта и фона в числитель формулы (2) вместо коэффициента отражения фона kф следует подставлять полусумму коэффициентов отражения объекта и фона.

Управление численными значениями большинства входящих в формулу (2) параметров либо недоступно, либо может осуществляться в небольших пределах. Так, светосила лучших современных асферических объективов (F = 0.8…0.75) в ближайшем будущем вряд ли будет заметно увеличена. Квантовый выход большинства серийных ПЗС приближается к 0.5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК.

Площадь элемента разложения в матрицах ПЗС имеет тенденцию к уменьшению, а параметры микролинз близки к теоретическому пределу. Подстановка типовых значений характеристик наблюдаемых сцен и матриц ПЗС позволяет получить оценку предельной чувствительности телекамеры в реальных условиях: Епор = 0.2лк, что хуже паспортных данных, приводимых в спецификациях. Чувствительность телекамер ограничивается не только фотонным шумом, но и рядом дополнительных факторов.

Во-первых, происходит рассеяние света в объективе (см. рис. 2.). Часть фотонов света, падающих на входной зрачок объектива, рассеивается и создаёт дополнительный фон. Этот фон снижает контраст полезного объекта и вносит дополнительный фотонный шум.

Во-вторых, в ПЗС всегда присутствуют собственные шумы — считывания, темнового сигнала и т. д. Кроме того, чувствительность матриц ПЗС снижается из-за свечения транзисторов выходного устройства. Это явление впервые наблюдалось в охлаждаемой астрономической ПЗС камере и было расценено как уникальное. С тех пор чувствительность матриц ПЗС возросла в 100 раз и этот эффект вносит вклад в снижение чувствительности телекамер на ПЗС аналогично рассеянному в объективе свету.

Постоянный рост чувствительности телекамер сконцентрировал внимание производителей и пользователей на этом параметре, отодвинув на второй план другой важный параметр — отношение сигнал/шум. Однако его роль для практики первостепенна, поскольку именно отношением сигнал/шум определяется вероятность правильного опознавания изображений, потенциальная разрешающая способность и количество градаций яркости, воспроизводимых телевизионной системой.

Понятие «отношение сигнал/шум» основано на измерении отношения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума. Различия в форме записи отношения сигнал/шум связаны с использованием линейной либо логарифмической шкалы. Два способа задания этого параметра связаны соотношением.

 

Здесь под Uс понимается амплитуда сигнала, а под Uш — среднеквадратичное значение шума. Именно отношение сигнала к среднеквадратичному значению шума при номинальной амплитуде видеосигнала (0.7 В или 100 IRE) и приводится в спецификациях на телекамеры. В практике телевизионных измерений осциллографическим методом пиковое значение шума определяется по размаху «шумовой дорожки» на уровне чёрного. Обычно шум считают гауссовским и для перехода к среднеквадратичному значению используют пикфактор, равный 6.

Рассмотрим подробнее составляющие шума ТВ-камеры на ПЗС. Уровень шумов ПЗС принято оценивать среднеквадратичным числом шумовых электронов σ, представляющем собой среднеквадратичное отклонение числа носителей в каждом зарядовом пакете. Шумы ПЗС имеют несколько независимых причин, вследствие чего среднеквадратичное число шумовых электронов ПЗС определяется геометрической суммой составляющих:

Фотонный шум. Как указано ранее, этот шум является следствием дискретной природы света. Среднеквадратичное отклонение (СКО) числа фотонов от среднего значения равно корню квадратному из среднего значения. Для максимальных сигналов СКО фотонного шума в элементе матрицы ПЗС достигает сотен электронов.

Шум темнового сигнала. Если объектив телекамеры закрыть непрозрачной крышкой, то в осциллограмме выходного сигнала наряду с сигналом синхронизации будет присутствовать темновой сигнал. Основной причиной темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия, при которой темновой ток экспоненциально уменьшается при снижении температуры. Количество термогенерированных электронов Nt также подчиняется статистике Пуассона, и их среднеквадратичное отклонение (СКО) от среднего значения равно

В телекамерах для СФЗ ПЗС-матрицы принудительно не охлаждаются, вследствие чего среднеквадратичным значением шума темнового сигнала (до 20 электронов (е)) пренебречь нельзя.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется, она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса является функцией количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (*). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то СКО шума переноса можно вычислить по формуле . Например, для неэффективности переноса 10-5, 500 переносов (центр матрицы ПЗС) и числа электронов в пакете 25 тысяч (максимальный сигнал) СКО шума переноса составит 16 е.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания присутствует в изображении при отсутствии света на входе телекамеры и не зависит от шума темнового сигнала. Типичное значение СКО шума считывания составляет 20 е и теоретически может быть снижено на порядок. Ограничением здесь является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд элемента в условиях большой освещённости. Для устранения этого противоречия можно разместить в матрице ПЗС два выходных устройства: одно для малых, а другое для больших зарядов, и переключать их в зависимости от условий наблюдения. Поэтому можно ожидать в дальнейшем появление новых ПЗС с уменьшенным шумом выходного устройства.

Шум сброса (kTC-шум). Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд, для чего используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры Т, ёмкости узла считывания С и его СКО с учётом заряда электрона q и постоянной Больцмана k вычисляется по формуле . Для типичного значения ёмкости С, равной 0.1 пф, при комнатной температуре СКО шума сброса составляет около 130 е. Этот шум полностью подавляется двойной коррелированной выборкой (ДКВ), которая эффективно устраняет и низкочастотные помехи, вносимые цепями питания.

Рассмотренные компоненты шума являются первой причиной ограничения потенциально достижимого отношения сигнал/шум. С другой стороны, оно ограничено ёмкостью элемента ПЗС, которая в типовых матрицах со строчным переносом составляет примерно 50 000 электронов. Поэтому в ТВ-камерах, серийно выпускаемых для СФЗ, максимальное отношение сигнал/шум при большой освещённости не превышает 50 дБ.

Отношение сигнал/шум является объективной характеристикой изображения, связанной с субъективной оценкой его качества. Экспертная оценка субъективного ухудшения качества при увеличении уровня шума по пятибалльной шкале, рекомендованной Международным консультативным комитетом по радиотехнике (МККР), приведена в табл. 1.

Качество телевизионного изображения зависит от числа m воспроизводимых градаций (пороговых перепадов яркости, различаемых глазом), которое ограничивается только шумом. В первом приближении при уровне шума, не зависящем от интенсивности сигнала, число градаций определяется пороговым отношением сигнал/шум (входящим также в формулу (2)):

Uш, мВ при Us=100 IRE
Y, дБ
Y, раз
Качество
Ухудшение
14.0
50
316
Отличное
Не заметно
17.5
40
100
Хорошее
Заметно, но не мешает
23.0
30
32
Удовлетворительное
Немного мешает
35.0
20
10
Неудовлетворительное
Мешает
70.0
10
3
Непригодное
Сильно мешает

Отношение сигнал/шум измеряют либо непосредственно, либо определяют его взвешенное значение, учитывающее различную чувствительность зрения к деталям различного размера. В соответствии с рекомендацией 567 МККР при оценке отношения сигнал/шум в черно-белых телекамерах взвешивание осуществляется с помощью фильтра нижних частот, имеющего постоянную времени 0.33 мкс. В цветных телекамерах взвешивающий фильтр имеет дополнительный подъём частотной характеристики на частоте 4.5 МГц. В силу уменьшения мощности шума на выходе фильтра взвешенное отношение сигнал/шум всегда больше, чем невзвешенное.

Вверх
Москва и Московская обл.
Корзина 0 Пока пусто
Заказать звонок