CCTV: качественное изображение - реальность или миф

Качество изображения системы видеонаблюдения (технического зрения), в основном, определяется характеристиками элементов, составляющих телевизионный тракт объектив – ТВ-камера – линия передачи. Оптическая система должна быть сбалансирована аналогично звуковой аппаратуре, когда каждый компонент системы соответствует выбранному классу качества. Выбор дорогого высококачественного объектива на ТВ-камеру низкого разрешения так же не оправдан, как и в случае, когда на высококлассную камеру устанавливается плохой объектив, – получаемое ТВ-камерой изображение будет низкого качества.

Различные объекты наблюдения диктуют особые требования к объективам и камерам, подразумевая то, что подойдет для организации системы наблюдения на объекте, не подойдет для решения задач промышленности: контроля производственных процессов, поиска механических процессов, получения многоспектральных изображений, не говоря уже про задачи медицины.
Совершенствование технологий в области микроэлектроники определило тенденцию к миниатюризации фотоприемников с одновременным увеличением количества элементов разложения (пикселей), что ведет к росту детализации изображения. Наиболее стремительное развитие в этом направлении наблюдается при разработке и производстве фоточувствительных КМОП-структур. Стоимость их при массовом производстве неуклонно снижается, а области применения расширяются. При этом очень важно то, что происходит с физическими размерами матрицы и ее элементами разложения.
Если размер элементов разложения при росте их количества не изменяется, то чувствительность матрицы и требования к разрешающей способности объектива остаются прежними, однако растут физический фотоприемник, оптический формат и габарит объектива.
Другой путь увеличения количества элементов разложения матриц предполагает уменьшение размера пикселя. При этом оптический формат может быть не только сохранен, но и уменьшен. В этом направлении последние несколько лет происходило развитие как ПЗС-, так и КМОП-структур. Уменьшение размеров пикселя приводит к существенному снижению коэффициента его заполнения из-за наличия периферии, предназначенной для обработки и передачи сигнала с каждого пикселя, при этом чувствительность фотоприемника падает, а требования к оптическому разрешению объектива существенно возрастают.

Требования к характеристикам объектива
При выборе объектива высокого разрешения следует не только полагаться на заявления его производителя, например такого типа – «megapixellens – мегапиксельный объектив» или «superhightresolution – сверхвысокое разрешение». Это может означать только то, что такой объектив имеет повышенное разрешение, и не более того. Например, не совсем уместно заявление производителя: «lensfor 3 Mpix – для 3-мегапиксельных матриц». Очевидно, подразумевается, что такое разрешение будет иметь место при условии соответствия декларируемого оптического формата объектива и матрицы. Более развернутую информацию о разрешении объектива несет указание в его технических характеристиках минимального размера пикселя, или количества линий на миллиметр, не только в центре, но и на краю (например, Resolution (Center, Corner) – 100 lp/mm, 60 lp/mm – т. е. разрешение в центре – 100, на краю 60 линий на мм).
Существуют различные классы и типы объективов, объединенных по одному или ряду ключевых параметров или характеристик, таких как:
– размер формируемого изображения (оптический формат);
– фокусное расстояние – определяет в зависимости от размера фотоприемника угол обзора;
– светосила – вместе с чувствительностью фотоприемника определяет чувствительность всей системы;
– спектральная характеристика – оказывает влияние на цветопередачу получаемого изображения для цветных камер и на его четкость – для монохромных камер;
– частотно-контрастная характеристика – определяет зависимость контраста формируемого изображения от пространственно частоты;
– разрешающая способность – определяет минимальный размер различимых по контрасту элементов изображения.
Из-за ряда ограничений, свойственных оптике, объектив вносит в формируемое изображение различные искажения (аберрации):
– геометрические (дисторсия) – приводят к искажению формы изображения;
– сферические – приводят к неравномерности четкости по полю изображения (сформированное объективом изображение лежит не в плоскости, а имеет сферическую форму);
– хроматические – связаны с непостоянством коэффициента преломления линз объектива (явление дисперсии).
Кривизна поля изображения – аберрация оптических систем, при которой резкое изображение плоского предмета лежит не на плоскости, а на искривленной поверхности. При проецировании такого изображения на плоскость приемника (ПЗС-матрицы) наблюдается расфокусировка на краю изображения относительно центра. Ее проявление определяется методом поочередной фокусировки по центру и краю изображения при условии минимальной глубины резкости (при максимально закрытой диафрагме). Если положения узла фокусировки при этом различны, то имеет место кривизна изображения. Геометрические искажения (дисторсия) определяются (в процентах) средствами программного обеспечения или вручную по величине отклонения изображения вертикальных и горизонтальных линий от вертикали и горизонтали соответственно краю изображения относительного его размеров.
Для решения возникающих проблем в оптике применяется:
– инфракрасная (ИК) коррекция;
– асферические элементы;
– низкодисперсные материалы для изготовления оптических элементов;
– повышение предельной разрешающей способности.

ИК-коррекция
Суть ее заключается в том, что коэффициент преломления и прозрачность материала линз остается постоянным в широком диапазоне частот светового потока. Объектив с такой коррекцией позволяет, в отличие от обычного (до 850 (910) нм), вести наблюдение как в видимой части спектра, так и в ближней инфракрасной области без дополнительной фокусировки. Эти объективы ориентированы на монохромные ТВ-камеры или камеры «день-ночь» для работы в светлое (ночное) время суток с применением инфракрасной подсветки.

Асферика
Все больше появляется объективов, имеющих в своем составе асферические (отличные от сферических) элементы, которые чаще всего обозначаются индексом AS (Aspherical). К достоинствам таких объективов можно отнести:
– минимальные геометрические искажения (дисторсия);
– высокую четкость по всему полю изображения;
– увеличенную светосилу;
– меньший габаритный размер.


Низкодисперсная оптика
Спектральная зависимость коэффициента преломления материала линз наиболее заметно проявляется в длиннофокусной оптике с малыми углами обзора и приводит к хроматическим аберрациям (искажениям), проявляющимся на изображении в виде цветных окантовок на контрастных границах. Четкость изображения при этом заметно падает, а фокусировка затруднена. Объективы с применением элементов, изготовленных из низкодисперсионногостекла, обычно обозначаются индексом ED (ExtraLowdispersion).

Объективы высокого разрешения
Разрешение в оптике оценивается с помощью штриховых тестовых мир, представляющих собой мишень, как правило, на основе стеклянной пластины с нанесенными на нее штрихами. Количество таких штрихов, приходящихся на единицу длины, при условии их визуального распознавания и является мерой оценки оптического разрешения. Если при проецировании такой меры на фотоприемник на получаемом изображении визуально можно различить штрихи, значит, объектив разрешает данную пространственную частоту. Что касается дискретной структуры твердотельных матричных фотоприемников, то для получения максимально возможного разрешения изображения расчетное значение оптического разрешения объектива должно быть не менее величины, полученной при условии, когда одной линии (штриху) и пробелу между ними соответствует по одному элементу разложения, т. е. одному штриху соответствуют два пикселя. Отметим, что разрешение объективов, предназначенных для общих задач систем охранного видеонаблюдения для систем PAL, составляет около 30–60 линий на мм, а у лучших образцов оно доходит до 70–80 линий на мм, для мегапиксельных объективов – 200–300 линий на мм.
В зависимости от назначения объективы высокого разрешения можно разделить на несколько групп:
– машинного зрения;
– для цветных мегапиксельных ТВ-камер со встроенным инфракрасным отсекающим фильтром;
– для монохромных мегапиксельных ТВ-камер;
– панорамные;
– общего применения, ориентированные на использование в системах видеонаблюдения (например, IP-камеры и проч.).

Объективы для машинного зрения
Объективы для промышленного зрения или промышленного назначения выделены в отдельный класс, основными особенностями которого являются относительно большой формат – от ½ до 1 дюйма и высокое геометрическое подобие формируемого изображения – дисторсия менее 1% и высокое разрешение.
Камеры промышленного назначения незаменимы в микроскопии, контроле автоматизированных технологических процессов в производстве и при применении других задач. С целью получения изображения, его передачи и последующего отображения с максимально возможным качеством такие камеры оснащаются высокоскоростными цифровыми выходами (интерфейсами).

Объективы для цветных мегапиксельных ТВ-камер
В отличие от ТВ-камер цветного изображения на основе ПЗС-матриц на большинстве цветных КМОП-камерах отсутствует отсекающий инфракрасный фильтр, предназначенный для подавления инфракрасной области цветового потока, который искажает цветопередачу. Для таких камер чаще всего выпускаются специальные объективы со встроенным отсекающим инфракрасным фильтром.

Объективы для монохромных мегапиксельных ТВ-камер
Для некоторых применений (например, при наблюдении с инфракрасной подсветкой) помимо высокого разрешения необходима инфракрасная коррекция объектива.

Объективы для панорамных мегапиксельных ТВ-камер
Отдельно следует упомянуть и класс объективов высокого разрешения типа «рыбий глаз», которые нашли свое применение в панорамных бескинематических мегапиксельных камерах видеонаблюдения с большими углами обзора.
Такие камеры дают возможность контролировать большие площади с высокой детализацией изображения, позволяющей производить идентификацию. Они нашли свое применение в местах скопления большого количества людей (аэропорты, вокзалы, стадионы, концертные площадки, гипермаркеты и др.).
Подобного рода системы позволяют программным способом создавать несколько виртуальных камер с функцией цифрового масштабирования, «опрашивать» любой фрагмент матрицы с выводом его на экран монитора. Они также способны выполнять функции поворотной камеры с оптическим трансфокатором. Отсутствие механических узлов перемещения значительно увеличивает надежность такой камеры.
Для решения общих задач видеонаблюдения требования к характеристикам объективов высокого разрешения (например, геометрическим искажениям) не столь высоки, а оптический формат таких объективов, как правило, не превышает ½ дюйма.

Особенности применения мегапиксельных матриц
Изменение в номенклатуре объективов для CCTV неразрывно связано с развитием твердотельных матричных фотоприемников, выполненных на основе различных технологий. Наибольшее распространение CCTV получили приборы с зарядовой связью ПЗС и сенсоры на основе КМОП-структур.
При одинаковом физическом размере дискретного размера разложения (пикселя) ПЗС и КМОП-матриц чувствительность первой в несколько раз превышает чувствительность второй. Это связано с различием коэффициентов заполнения элементов разложения матричной структуры ПЗС- и КМОП-фотоприемников (отношение площади светочувствительной области к площади элемента разложения, которое для ПЗС составляет 50–80%, а для КМОП – 20–40%); наличием и формой микролинз, которые наносят над каждым элементом; различие квантовой эффективности светочувствительной области данных структур. В этой связи светосила оптики, ориентированной на КМОП-матрицы, должна быть более высокой, чем для ПЗС, чтобы получить аналогичную чувствительность модуля объектив – камера. Низкая чувствительность мегапиксельных фотоприемников требует дополнительных технических мероприятий, позволяющих получать изображение наблюдаемого объекта с помощью осветителей видимого диапазона или инфракрасных прожекторов. Другая проблема – необходимость в высокоскоростных каналах связи для передачи полученного изображения и его хранении на электронных носителях. В сложившейся ситуации один из вариантов применения мегапиксельных камер в системах видеонаблюдения – их использование совместно с обычными ТВ-камерами для фоторегистрации контролируемой зоны с заданной периодичностью при срабатывании датчика или по команде оператора.
На рынке CCTV представлено множество ТВ-камер, которые можно условно классифицировать по следующим признакам:
1. По способу обработки сигнала ТВ-камеры делятся на:
– аналоговые (PAL). Основу аналоговых ТВ-камер составляют три микросхемы: ПЗС-матрица, синхрогенератор и аналоговый видеотракт. Такие камеры уже выходят из обихода;
– цифровые (DSP);
Цифровые ТВ-камеры (DSP) включают в себя также АЦП, цифровой процессор обработки видеосигнала и управления режимами матрицы и ЦАП.
Современные технологии позволяют совместить на одном кристалле все эти устройства, обеспечивая на выходе телекамеры стандартный аналоговый видеосигнал.
2. По разрешающей способности ТВ-камеры делятся на:
– стандартного разрешения. В камерах стандартного разрешения используются матрицы с числом элементов 500 х 582;
– высокого разрешения. Камеры с высоким разрешением строятся на матрицах с числом элементов 752 х 582;
– стандарт разрешения 960H, в камерах с этим разрешением используются матрицы с числом элементов 976 х 582.
3. По размеру фотоприемника (оптический формат)
Оптический формат – диаметр изображения в фокальной плоскости объектива с гарантированным качеством, выраженный в дюймах. Этому диаметру соответствует несколько меньшая длина диагонали матрицы ПЗС.
Размер фотоприемника определяет чувствительность телекамеры и тип используемой оптики. При равном числе элементов разложения чувствительность ТВ-камеры пропорциональна площади фотоприемника, однако увеличение площади влечет за собой удорожание матрицы и объектива.
4. По способу передачи сигнала ТВ-камеры делятся на:
– аналоговые. В аналоговых камерах используются стандарты разложения PAL, SECAM, NTSC, подразумевающие передачу развертки сигнала по проводу с позитивной или негативной полярностью;
– цифровые:
– SDI (Serial Data Interface) – цифровой интерфейс.
Стандарты SDI-интерфейса


SDI подразумевает передачу сигнала без компрессии;
– IP (Internet Protocol) – межсетевой протокол.
Передача данных по IP осуществляется в среде Ethernet и будет зависеть от выбора протокола передачи данных OSI (например, TCP и UDP), а также от ширины и загруженности канала Ethernet. В зависимости от этих параметров скорость потока данных может теоретически достигать до 1 Гбит/с при наличии магистралей 10/100/1000 MBase-T.
При передаче сигнала по Ethernet используются кодеки M-JPEG, H264 и т. п.
5. По стандарту разложения телекамеры:
По виду получаемого видеоизображения:
– при черно-белом изображении выходного видеосигнала могут использоваться стандарты: br> a) CCIR (625 строк, 50 полей в секунду);
б) Е1А (525 строк, 60 полей в секунду);
– при цветном изображении выходного видеосигнала используются стандарты:
a) PAL (Phase Alternating Line). Стандарт PAL использует метод добавления цвета к телевизионному сигналу черного и белого цвета. Создает на экране 625 строк с частотой 25 кадров в секунду, а также чересстрочную развертку.
б) SECAM. Стандарт SECAM – телевизионный формат. Предусматривает разложение телевизионного кадра на 625 строк, частоту кадров 50 Гц. Так как частота кадров и количество строк соответствуют стандарту PAL, есть возможность просматривать видео в формате SECAM на видеоплейере PAL стандарта (и наоборот), но в монохромном варианте.
в) NTSC.
Стандарт NTSC – стандарт видеозаписи, телевещания. Стандарт определяет метод кодирования информации в композитный видеосигнал. Согласно стандарту NTSC каждый видеокадр состоит из 525 горизонтальных строк экрана, по которым каждую 1/30 секунды проходит электронный луч. Обеспечивается поддержка 16 млн разных цветов. В настоящее время разрабатываются новые разновидности стандарта NTSC: Super NTSC и 16 х 9, которые будут входить в состав стандарта MPEG и стандарта разработки DVD.
6. По установленным в ТВ-камере фотоприемникам:
– ПЗС матрицы;
– КМОП матрицы.
Параметры телевизионных камер:
– Чувствительность – это минимальная освещенность на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения. Измерение чувствительности телекамеры производится при известных контрасте испытательной таблицы (примерно 90%), цветовой температуре источника света, светосиле объектива и при максимальном усилении видеотракта (включенной автоматической регулировке усиления).
– Шумы. Различают несколько типов шумов: фотонный, шум темного сигнала, шум переноса, шум считывания, шум сброса.
– Разрешающая способность – максимальное количество линий, которое может быть обнаружено на изображении испытательной таблицы при заданной достоверности обнаружения.
– Гамма-коррекция – нелинейное преобразование характеристики свет/сигнал с целью согласования условий наблюдения и модуляционной характеристики кинескопа с контрастной чувствительностью зрения.
Как видно из вышесказанного, при выборе системы видеонаблюдения появляется много вопросов связанных с грамотным подбором не только ТВ-камер, но и объективов для решения поставленных задач. Зачастую возникает вопрос приобретения камер и объективов по отдельности. Однако, как уже отмечалось, могут возникнуть проблемы при сборке оборудования в связи с несоответствием элементов оптической системы выбранному классу оборудования, когда на высококачественную ТВ-камеру устанавливается плохой объектив, что приводит к низкому качеству изображения всей системы в целом. При выборе системы видеонаблюдения в разрезе объектив – ТВ-камера необходимо обращать внимание на характеристики, например на:
– наличие асферических элементов (позволяет существенно уменьшать сферические аберрации и габаритные размеры объектива, повысить четкость изображения и светосилу);
– инфракрасную коррекцию (спектральная коррекция оптической системы объектива, которая позволяет точно сфокусировать его при обычном освещении без необходимости перенастройки в инфракрасной области). Инфракрасная коррекция необходима для получения качественного изображения в случае применения черно-белых и цветных камер, но и в ближайшей инфракрасной области, например, при переходе от цветного изображения к черно-белому при использовании в темное время суток камер типа «день-ночь» с инфракрасной подсветкой;
– параметры светосилы, цветопередачи, угол обзора и т. п.

Таким образом, подбор оборудования должен осуществляться грамотными специалистами, которые помогут разобраться во всем многообразии оптики, представленной сегодня на рынке. Важно построить индивидуальную систему видеонаблюдения, которая будет учитывать все условия эксплуатации оборудования и требования к конечному результату.
Понимая, сложность проблемы выбора оборудования для построения системы наблюдения, компания «БИК-Информ», имеющая 15-летний опыт работы на рынке, создала уникальный в своем роде «Дом Оптики БИК», в котором собрана оптика ведущих зарубежных и российских производителей.
В «Доме оптики БИК» вы можете приобрести ТВ-камеры и объективы ведущих производителей: японских (Kowa, Sony,Tokina, Computar, Fujinon, Tamron и т.), южнокорейских (Daiwon и т.п.), российских (Progmatic) и др. Имея в наличии большой ассортимент ТВ-камер: аналоговых и цифровых (модульных, купольных в корпусе «минидом», корпусных, миниатюрных, вандалозащищенных, уличного исполнения), широкий ассортимент IP и HD-SDI камер, дополнительное оборудование (опорно-поворотные устройства, видеорегистраторы, аппаратуру для передачи сигналов, кронштейны и т.п.) специалисты «Дома оптики БИК» помогут выбрать оптимальный набор оборудования, необходимый для решения поставленных задач.
Обращаясь к специалистам «Дома оптики БИК» вы можете сэкономить ваше время, деньги и быть уверенными в своем выборе!

 

Источник: http://www.tzmagazine.ru/