Почему пропал интерес к чувствительности видеокамер?

Опубликовано: 02.09.2018

Почему пропал интерес к чувствительности видеокамер?

SCP-093 Red Sea Object | Euclid | portal / extradimensional scp
Статьи Статьи по видеонаблюдению Почему пропал интерес к чувствительности видеокамер?

Почему пропал интерес к чувствительности видеокамер?

Николай Чура


H3 Podcast #52 - Shane Dawson

Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан" 

Такое уже бывало в области IP-систем на заре его появления в нашей стране, когда в видеонаблюдение пришли ИТ-специалисты, полагавшие камеру неким стандартным датчиком, всегда дающим требуемое изображение. Можно было даже встретить спецификации камер с обилием технических параметров сетевых функций, но с отсутствием чувствительности или минимальной освещенности. Второй причиной такого пренебрежения явилось появление камер с режимом "день/ночь" и встроенной ИК-подсветкой. При этом ИК-подсветка быстро перекочевала из наружных камер и во внутренние модели. Производители даже стали заявлять минимальную освещенность, равную нулю, что означало работоспособность камеры в полной темноте. Но при этом должна быть обязательно указана дальность подсветки, а соответственно, и наблюдения в полной темноте.

Чувствительность или минимальная освещенность?

Чувствительность камеры определена в вещательном телевидении как величина диафрагмы (максимальное F-число), обеспечивающая стандартный видеосигнал (размах 1 В) на тестовой таблице при освещенности 2000 лк, созданной источниками с цветовой температурой 3200 К. Причем градационная шкала таблицы, приведенная на рис. 1, должна иметь коэффициенты отражения не менее 90% на белом и не более 10% на черном фрагменте. В этом смысле термин чувствительность в видеонаблюдении имеет несколько другой смысл – сложился он в отрасли спонтанно и практически эквивалентен минимальной освещенности. Это произошло ввиду отсутствия стандарта и рекрутирования в отрасль большого числа новых сотрудников из различных отраслей в 1990-е г г.

Российская привычка указывать чувствительность, а не минимальную освещенность, прижилась, возможно, еще и потому, что это одно слово вместо двух. Правда, в последнее время благодаря маркетингу в терминологии почти повсеместно торжествует параметр "минимальная освещенность".

Дополнительные, уже методические, проблемы вызывает появление технологий видеонаблюдения (например, I P, SDI и отчасти аналоговых HD), в которых уровень выходного сигнала не является критерием контраста изображения. Поэтому традиционная методика определения минимальной освещенности, при которой обеспечивается уровень в 50 или 30 IRE видеосигнала, для черно-белого перепада становится недоступной. Естественно, этот уровень предполагает отключенную АРУ, заданную спектральную характеристику осветителя и нормированные коэффициенты отражения мишени, указанные выше.

Бездумная замена аналоговых камер с CCD стандартного, высокого и даже 960Н-разрешения на мегапиксельные варианты FullHD и более при всем "великолепии панорамного изображения" высокой четкости формата 16:9 может привести к неожиданным проблемам. При тех же условиях освещения изображение слишком темное или его просто нет

На мой взгляд, решающее смятение в умы пользователей внесла "беспрецедентная смелость" производителей и продавцов, в конкурентной борьбе заявляющих значения чувствительности камер уже полностью за пределами разумного. Причем доходит до абсурда, когда чувствительность камеры с сенсором 1/4" CMOS Pixel Plus оказывается существенно выше, чем у камеры с CCD 1/3" EXview HAD II SONY.

Зачастую в подтверждение выдающихся характеристик камеры сообщается о "сверхмощном" процессоре, хотя чувствительность определяется только свойствами сенсора. Все же богатые возможности процессора, такие как суммирование по площади (Binning), суммирование по времени (DSS или Sens-Up), глубокая АРУ (AGC) и шумоподавление (DNR, 2DNR, 3DNR и т.п.), хотя и обеспечивают получение изображения при меньшей освещенности, не влияют на этот параметр камеры.

Просто при оценке чувствительности или минимальной освещенности эти системы должны быть отключены. Кроме того нельзя забывать, что их применение снижает либо разрешение, либо частоту обмена кадров, либо и то, и другое, вместе взятое.

Чувствительность CCD- и CMOS-сенсоров

С появлением мегапиксельного видеонаблюдения пришла эра CMOS-сенсоров. Первые образцы CMOS-сенсоров даже при типовом телевизионном разрешении уступали аналогичным CCD более чем на порядок. Для мегапиксельных сенсоров это различие только усугубляется из-за стремительного уменьшения размера пикселя по мере увеличения "мегапиксельности". Так, например, в CMOS-матрице формата 1/3" 4K пиксель доходит до 1,12х1,12 мкм.

Естественно, к настоящему времени чувствительность сенсоров, как CCD, так и CMOS, существенно выросла, а значения для тех и других значительно сблизились. Но различие остается до сих пор. Во всяком случае, за счет размеров пикселя. В таблице даны усредненные значения чувствительности для матриц SONY, приведенные к единице площади сенсоров различных технологий. Видно, что современные технологии CMOS практически догнали по чувствительности CCD, но за разрешение все равно придется заплатить чувствительностью.

Необходимо оговориться, что в настоящий момент при активном использовании ближней ИК-области (от 700 до 1000 нм) в видеонаблюдении представление чувствительности или минимальной освещенности в люксах несколько путает всю картину. В довершение ко всему до сих пор для измерений используется осветитель на основе перекальных или галогенных ламп накаливания с цветовой температурой 3200 К. На заре телевидения это были типовые осветители, а все телекамеры и объективы снабжались срезающими ИК-фильтрами для получения четкого изображения. Тогда это называлось ИК-коррекция. Сейчас коррекция, наоборот, предполагает расширение спектрального диапазона пропускания в область ИК и постоянства в нем коэффициента преломления оптики. Кстати, лампы накаливания с подобной температурой (3200 К) имеют максимум спектра излучения на длине волны около 1000 нм.

С другой стороны, основные успехи всех производителей по увеличению чувствительности сенсоров, кроме оптимизации конструкции, были достигнуты прежде всего расширением спектрального диапазона принимаемого излучения. И здесь, кроме света (видимого излучения), немалую роль играет ИК-излучение, которое не измеряется в люксах. Именно этот метрологический парадокс, а еще спектральные характеристики нейтральных фильтров, которые нормированы только в видимом диапазоне и плохо ослабляют ИК-излучение, явились первопричиной "завиральных характеристик" по чувствительности или минимальной освещенности телекамер. Это неоднократно отмечалось в публикациях и наших известных специалистов. Ну, естественно, маркетинг довершил это удачное заблуждение.

Для примера на рис. 2 представлены спектральные характеристики кривой видности глаза (в которой, собственно, измеряется освещенность) и спектральной чувствительности камеры на основе CMOS Exmor SONY в дневном (цветном) варианте и ночном – с ИК-чувствительностью.

Чувствительность мегапиксельных камер

Первое время серьезные производители указывали минимальную освещенность для мегапиксельных камер с учетом включенной АРУ и даже небольшого накопления (Sens-Up/DSS х2–4), что позволяло указать значение примерно такого же порядка, как и для камер с CCD. Сейчас это хорошее правило практически утрачено. Остается только гадать, откуда у мегапиксельной CMOS-камеры взялась чувствительность, сравнимая с CCD стандартного разрешения.

Казалось бы, какая-то фантазия с чувствительностью или минимальной освещенностью не может сильно огорчить потребителя. Ну какая разница, сколько там написали? Ведь изображение-то, какое-никакое, есть! Но, например, бездумная замена аналоговых камер с CCD стандартного, высокого и даже 960Н-разрешения на мегапиксельные варианты FullHD и более при всем "великолепии панорамного изображения" высокой четкости формата 16:9 может привести к неожиданным проблемам. При тех же условиях освещения изображение слишком темное или его просто нет.

При недостаточной освещенности резко растут шумы камеры. Тем более, современная АРУ (AGC) в 60 дБ является общим местом, а встречаются модели и со 120 дБ. Шумоподавление эффективно с неподвижными сценами и существенно снижается при динамичных кадрах. Другими словами, дополнительных нагрузок на видеорегистратор и архив (а в случае IP-систем – нагрузок на сеть и процессор камеры) с неизбежным снижением частоты кадров не избежать.

Чувствительность при ночном видеонаблюдении в цвете

В завершение несколько слов о современном тренде – ночном видеонаблюдении в цвете. Пока это распространено в основном в IP-системах (предпочтительно мегапиксельных), которые особенно нуждаются в повышении чувствительности. Наблюдение в цвете реализуется как с ИК-чувствительностью, так и без нее. Естественно, в камерах с ИК-чувствительностью цветопередача несколько искажена, и можно говорить скорее о раскрашенном, нежели цветном изображении. Причем, конечно, без дополнительной ИК-подсветки. Да и какого, собственно, цвета ИК-излучение?

Данные технологии имеют различные цветистые названия рекламного характера. А как это делается, никто не рассказывает, поскольку – коммерческая тайна! Но очевидно, что вариантов роста чувствительности без увеличения размеров матрицы, а соответственно, и стоимости камеры, не так много.

Это накопление по времени, но судя по характеру изображения, если оно и есть, то не превышает х2–4.

Менее распространенное накопление по площади более вероятно, поскольку разрешение заметно снижается при сохранении яркости и контраста картинки. Причем в мегапиксельных камерах есть из чего суммировать. Дополнительно очевидны глубокая АРУ (усиление) и шумоподавление. Кстати, для сравнения – в качестве образца более эффектно использовать камеру с типовой CMOS-матрицей (не Exmor или BSI/Exmor R). Сравнения же с аналоговой CCD-камерой EXview HADII или Super HADII не потрясают – это уже "вчерашний день".

 

По материалам: Secuteck

rss