Mõistet "resolutsioon" on üllatavalt raske täielikult mõista. Kui ütleme, et teine ​​​​sama tähendusega termin, ehkki lähedane, on "eraldusvõime", on see enamiku kasutajate jaoks arusaadavam. Kuid selle videovalves kasutamise kõigi nüansside mõistmine on väga raske.

Selle väljaande eesmärk on rõhutada järgmisi punkte:

1. Mis on traditsiooniline arusaam "resolutsioonist", võimest eristada üksikasju? Millised on selle lähenemisviisi piirangud?
2. Mida tähendab videovalves resolutsioon, pikslite arv? Mis piirab sellise mõõdiku kasutamist?
3. Mis vahe on maatriksi eraldusvõimel ja voo eraldusvõimel?
4. Kui palju võib tihendamine eraldusvõimet mõjutada?
5. Mis on eraldusvõime piir?

Resolutsioon – detailide eristamise oskus

Traditsioonilisest inglise keelest tõlgituna on sõna "resolutsioon" tõlgitud kui võime eristada detaile. Kas saate näiteks vaadata nägemise testimiseks kasutatava tabeli alumist rida? Kui selget pilti suudab kaamera näidata, kui selle pilte vaadatakse läbi külgnevate löökide monitori? See on just peamine kvaliteedinäitaja, mis on keskendunud tulemustele.

Juhtub nii, et see on videovalvetööstuses tüüpiline lähenemisviis. Kaamera eraldusvõimet mõõdeti televisiooniliinide arvuga, st mõõdeti ridade arvu, mida kaamera suudab monitoril pakkuda. Mida rohkem lööke näete, seda rohkem näete detaile, mida kaamera pärismaailmast jäädvustas – inimese näojooni, auto numbrimärke jne.

Millised olid selle lähenemisviisi piirangud? See on tegelikult üsna lihtne. Fakt on see, et kaamerate eraldusvõimet ehk joonte arvu monitoril mõõdeti alati hea valgustusega tingimustes. Kuid on ütlematagi selge, et kaamera ei saa päikesevalguses sama pildikvaliteeti teha või vastupidi, valgustust ei tule. Siis muidugi halveneb oluliselt pildistamise kvaliteet. Veel üks lisaraskus on asjaolu, et pildistamise kvaliteedi muutmise konkreetset algoritmi on võimatu mõõta. Muutused on kõigi kaamerate puhul erinevad.

Teoreetiliselt saab seda lähenemist kasutada kaamera kvaliteedi mõõtmiseks, kuid ärge unustage, et see näitab täpset tulemust ainult ideaalsetes tingimustes, mida tegelikkuses on peaaegu võimatu saavutada.

Eraldusvõime – pikslite arv

Tänapäeval, mil enamik videovalvesüsteeme on üle viidud , püüavad tootjad mõõta ka pildistamise üldise kvaliteedi kvaliteeti. Selleks loendage lihtsalt videokaamera maatriksi füüsiliste pikslite arv. Üldtunnustatud seisukoht on, et mida rohkem piksleid (nagu vanasti televisiooniliinide arvule tuginedes) suudab videokaamera toota, seda kõrgem on pildikvaliteet.

Analoogiliselt klassikalise kaamera eraldusvõime mõõtmisega, mis viidi läbi ideaalsetes tingimustes, ignoreerivad tootjad jätkuvalt probleeme, mis võivad mõjutada pildistamise kvaliteeti.

Muidugi on ka erandeid, kuid enamasti on nii, et mida halvem on valgustus, seda madalam on pildistamise kvaliteet ja kaamera tegelik resolutsioon. Näiteks suhteliselt väikese pikslite arvuga kaamerad suudavad tänu paremale pilditöötlustehnoloogiale pakkuda palju kvaliteetsemat pilti nii eredas päikesevalguses kui ka laia dünaamilise valgustuse vahemikuga tingimustes.

Kuid vaatamata sellele peetakse pikslite arvu nüüd videovalveseadmete üheks peamiseks omaduseks. Kõigist nendest piirangutest hoolimata tasub alati meeles pidada, et eraldusvõime teemat käsitledes peavad professionaalidki enamasti silmas mitte eraldusvõimet ennast, vaid pikslite arvu. Lisaks võib resolutsioon avalduda ka muudes vormides.

Kui kõik asjad on võrdsed, siis mida suurem on kaamera eraldusvõime (pikslite arv), seda rohkem see maksab. Kuigi kaameral võib olla palju funktsioone, pidage alati meeles, et nõrk valgustus või suur dünaamiline ulatus võivad pildikvaliteeti oluliselt muuta.

Tabelis on näited CCTV kaamerate eraldusvõimest, mida praegusel turvaturul kõige sagedamini leidub:

Arendusdirektori asetäitja Andreev Kuzma.

Selleks, et mõista, kuidas CCD maatriksi struktuur ja värvifiltrite asukoht mõjutavad pildi eraldusvõimet, tuleb meeles pidada, kuidas enamikus digikaamerates pilt moodustub ning millised on SuperCCD tehnoloogia peamised erinevused.

Kaasaegsete CCD-maatriksite standardstruktuur on põhivärvidega värvifiltrite struktuur, paremini tuntud kui Bayeri struktuur või Bayeri muster (nimetatud Kodaki inseneri järgi, kes sai selle filtristruktuuri leiutamiseks patendi). Selline struktuur osutus odavaks ja lihtsaks alternatiiviks kolmemaatriksilistele videokaameratele, kus pilt jagatakse spetsiaalse prisma abil kolmeks pildiks, mis langevad kolmele mustvalgele CCD maatriksile, millest igaühe ees. on paigaldatud oma filter ühest põhivärvist (punane, roheline, sinine) . Selliste struktuuride peamiseks puuduseks on kas eraldusvõime järsk langus (signaali peaaegu täpse rekonstrueerimise korral ühes punktis, mis koosneb neljast pikslist) või värviartefaktide ilmnemine, kui püütakse heledussignaali kõigist pikslitest eraldada ( alias) ja värvitruuduse kaotus. Seetõttu saadakse reeglina erinevate värvide interpolatsiooni algoritme kasutades igas pikslis puuduvate värvide väärtused ja heleduse signaal ekstraheeritakse kõigist struktuuri pikslitest. Pärast seda rakendatakse tavaliselt madalpääsfiltrit, mis ei lase läbi signaale, mille ruumiline sagedus on üle 1/(1,5...2 x piksli suurus), et summutada värvide interpolatsiooni artefakte. Sel viisil viiakse läbi antialiasing protseduur, mis surub alla artefakte heleduse kanalis (tavaliselt värvimuareena nähtava värvikanalite aliase mahasurumiseks kasutatakse madalamate ruumiliste sagedustega filtreerimist).

Kuid hoolimata sellest, kui täiuslikud on värvide interpolatsiooni algoritmid, on sel viisil saadud pildi eraldusvõime punases ja sinises kanalis oluliselt madalam kui heleduskanali ja rohelise kanali eraldusvõime (kuna rohelisi on kaks korda rohkem filtrid, kuna on punaseid ja siniseid). Reeglina ei too see kaasa pildi teravuse märgatavat halvenemist, kuna inimsilm kasutab sarnaseid struktuure (ebakorrapäraseid) ja sellel on väike tundlikkus peente värvidetailide suhtes. Nagu jooniselt näha, suurendab iga roheline piksel värvide interpoleerimisel oma efektiivset suurust keskmiselt 1,5 korda ning punased ja sinised pikslid suurendavad oma efektiivset suurust 2 korda (pindalalt 4 korda). Selle filtrite paigutuse huvitav (ja väga ebameeldiv) omadus on asjaolu, et maatriksi eraldusvõime diagonaalidel on kõrgem kui vertikaalsetel ja horisontaalsetel joontel, kuna diagonaaljoonte lahtrite tihedus on 1,4 korda suurem kui vertikaalsetel ja horisontaalsetel joontel . Seda võib pidada Bayeri struktuuri teatud tunnuseks, kui mitte arvestada kahte väga olulist subjektiivset tegurit:

1. Nagu selgus spetsiaalselt kavandatud katsetes, on inimese nägemine tundlikum vertikaalsete ja horisontaalsete joonte kui diagonaalsete joonte suhtes (muidugi eeldusel, et inimene on vertikaalses asendis). Fakt on see, et silm teeb pidevalt mikroskoopilisi "skaneerimise" liigutusi horisontaaltasapinnas ja "lukustab" paremini (ja seetõttu peatub pikemaks ajaks) kontrastseid jooni sisaldavatel objektidel. Mis suurendab eraldusvõimet selliste kontrastsete detailide läheduses. Kuna mikroliigutused toimuvad peamiselt horisontaaltasandil, osutub nägemine (silma ja aju ühistööna) tundlikumaks horisontaal- ja vertikaaljoonte suhtes.

2. Enamikul inimest ümbritsevatel objektidel on suurem hulk detaile, mida väljendavad täpselt vertikaalsed ja horisontaalsed jooned. Suuremal määral kehtib see inimkäte loomingu kohta: alates hoonetest ja nende elementidest kuni masinakirja detailideni. Loodusobjektidel on aga sageli ülekaalus vertikaalsed ja horisontaalsed jooned (rohi, puud).

Need kaks tegurit sundisid insenere mõtlema värvifiltrite optimaalsele paigutusele maatriksile, mille tulemusel Fujifilmi insenerid leidsid (ja patenteerisid) elegantse lahenduse, mis parandab digikaamerate abil saadud piltide tajumist, mis praegu kehastatakse SuperCCD-d kasutavates maatriksites. tehnoloogia. Peamine erinevus Bayeri struktuurist on selle pöörlemine 45 kraadi võrra, mille tulemusena muutuvad diagonaaljooned vertikaalseks ja horisontaalseks, kusjuures nende telgede pindala on suurenenud.

Teine SuperCCD arendamise käigus saavutatud täiustus on see, et pikslid kujundati kuusnurkadeks, mis võimaldas suurendada valgust vastuvõtva elemendi kasutatavat pinda võrreldes traditsiooniliste ruudukujuliste rakkudega, mis võimaldas paremat signaali- müra suhe ja suurenenud tundlikkus.

Tõenäoliselt ei põhjustanud raku kuju muutumist kuusnurkseks mitte ainult perifeersete ahelate parem paigutus rakul, et suurendada selle kasutatavat pinda, vaid ka Fujifilmi filmiarenduste tulemused, kus kuusnurkse kujuga terad tunnistati kõige enam. tõhus.

Maatriksi struktuuri muutmise tulemusena, nagu jooniselt näha, on muutunud rohelise piksli efektiivne kuju. Kui traditsioonilise struktuuri puhul oli selle efektiivne suurus 1,5x1,5 piksli suurust, siis SuperCCD struktuuris muutub selle suurus 1x2 piksli suuruseks, lisaks pole heledusele kõige lähemal asuvas rohelises kanalis horisontaaljooni mööda interpoleerimist vaja (nagu näete, Bayeri struktuuris tuleb "rohelisest" pikslist saadav signaal segada külgnevate pikslitega horisontaalselt ja vertikaalselt, mis vähendab pikslitevahelist kontrasti ja seega ka horisontaalset ja vertikaalset eraldusvõimet). Teine oluline muudatus on see, et SuperCCD maatriksil on rohelised read ja veerud (G) ning punased-sinised read ja veerud (Y-G), mille tulemuseks on heleduse (Y) komponendi ridadest ja veergudest lihtsam eraldamine võrreldes Bayeri struktuuriga. millel on roheline-sinine ja roheline-punane rida ja veerud.

Kolmas uuest struktuurist tulenev muudatus on maatriksi lugemine ridades ja veergudes, mis olid Bayeri struktuuris diagonaalid (joonisel on read ja veerud nummerdatud 1,2,3,4,5,6). 6 miljonist elemendist koosneva maatriksi sellise lugemise tulemusena saadakse 12 miljonit pikslit, millest pooled tuleb saada naaberpikslitest (ruumiline interpolatsioon). Näiteks "rohelises" reas 2 paaritutes veergudes 1, 3 ja 5 loetakse "augud", mis ei sisalda pilti, ja "sini-punasel" real 3 tekivad sellised tühimikud paaris veergudes 2, 4, 6...

RAW-vormingus (S2 Pro puhul RAF-failid) salvestamiseks pakitakse maatriksist loetud pikslid kokku (pole mõtet salvestada “auke” ja seeläbi faili suurust kahekordistada), pilt tihendatakse horisontaalselt poole võrra (tingimus "aukudesse"). Selle tulemusena on tihendatud pildil horisontaalselt 2192 ja vertikaalselt 2880 pikslit, kui arvestada kalibreerimise tehnoloogilist piiri (ehk 2144x2880 efektiivset pikslit).

Edaspidiseks töötlemiseks tihendatud fail “lahti tihendatakse”, mille tulemusel taastatakse pildi “augud” ja pildi suuruseks saab taas 4288x2880 pikslit (12,3 MP), ilma ääristamata.

Oluline on see, et vaatamata sellele, et iga teine ​​piksel tuleb interpoleerida naaberpikslitest, on heleduse eraldusvõime piki vertikaali ja horisontaali 4288 veergu korda 2880 rida. Puuduvate pikslite ruumiline interpoleerimine toimub prognoosimise teel, võttes arvesse olemasolevatest pikslitest saadud ridade ja veergude heleduse üksikasju. Horisontaalse joone tuvastamise korral heleduskanalis tehakse puuduva piksli tase külgnevate horisontaalpikslite keskmistamisega, vertikaalse joone tuvastamisel heleduskanalis antud real - vertikaalse keskmistamisega. antud värvi külgnevad pikslid. Värvi lähendamine toimub samamoodi nagu Bayeri struktuuride puhul.

Pildilt saate hinnata SuperCCD väikeste värviliste objektide detailide kvaliteeti. Kui Bayeri struktuuride puhul oli rohelise piksli efektiivne suurus võrdne lahtri suurusega x 1,5 ning punaste ja siniste pikslite efektiivne suurus lahtri suurusega x 2,0, siis SuperCCD puhul oli efektiivne suurus. rohelise piksli suurus oli 2,0 x lahtri suurus ning punase ja sinise puhul 3,5 x lahtri suurus (võrreldes 6MP SuperCCD 12MP väljunderaldusvõimet 6MP Bayeri struktuuriga).

Järelikult pidime faili suuruse kahekordistamise eest peaaegu 100% eraldusvõime paranemisega heleduskanalis (41% lineaarne) maksma rohelise kanali kaadri ala värvide eraldusvõime 77% halvenemise eest (33% lineaarne). ja 300% (!) eraldusvõime halvenemine punases ja sinises kanalis (75% lineaarne). No tõesti – kõige eest tuleb maksta.

Kuna 6 MP SuperCCD sensorit saab lugeda ainult 12 MP pildiks, on madalama eraldusvõime saavutamiseks vaja skaleerimist. Kui on vaja salvestada 6MP pilti ja sellele vastavat skaleerimist, siis SuperCCD eelised võrreldes klassikalise filtristruktuuriga on suures osas tasandatud: väikese 6% eraldusvõime paranemisega rohelises kanalis (12% alal) on eraldusvõime punased ja sinised kanalid halvenevad võrreldes klassikalise Bayeri struktuuriga 24% (50% üle kaadri ala) sama heleduse eraldusvõimega. Seetõttu saab SuperCCD-st parima pildikvaliteedi ainult maksimaalse eraldusvõimega lugemisel, eelistatavalt RAW-vormingus.

Proovime määrata maksimaalse võimaliku eraldusvõime, mida on võimalik saada klassikalise Bayeri filtristruktuuriga CCD maatriksi kasutamisel. Selleks saate rakendada maksimaalse taseme erineva ruumilise sagedusega signaale ja uurida saadud pildi kontrastsust.

Kõrgeima sageduse, mida saab tavastruktuuri abil eristada, määrab Nyquist-Kotelnikovi kriteerium, st signaal, millel on raku suuruse maksimumid ja miinimumid (sagedus f = 1/ (2*p), kus p on raku suurus). Kui sellist sagedust rakendatakse null- (või 180-kraadise) faasinihkega võrreldes tavapärase rakustruktuuriga, saab sellist sagedust hästi ära tunda ja see võib esineda CCD maatriksist saadud väljundsignaalis, nagu on näidatud kujund. Kuid faasinihke korral, mis on 90-kraadine (0,5 x lahtri suurus), jaotuvad maksimumid ja miinimumid ühtlaselt kahe külgneva rea ​​või veeru vahel, mille tulemuseks on väljundis nullkontrast. Keskmiselt on juhusliku signaali faasiväärtuse korral väljundkontrast võrdne kontrastiga, mis saadakse 45-kraadise faasinihkega (1/4 lahtri suurusest, joonisel pole näidatud) ja on 50% maksimaalselt. Teisisõnu, kui signaalitöötlusahelas puuduvad antialiasing ja teritusfiltrid, on sagedus-kontrastkarakteristik (MTF - modulaarne ülekandefunktsioon) ruumilisel sagedusel, mille signaaliperiood on võrdne kahekordse raku suurusega, dünaamiliselt ebastabiilne (st see sõltub faasinihke juhuslikust ja praktikas ettearvamatust väärtusest) ja on keskmiselt võrdne 0,5-ga. Seda saab kirjutada kui MTF(2)=0,5.

Ruumilisel sagedusel perioodiga 2,5 x raku suurus (maksimaalne ja miinimum on 1,25 x raku suurus) on väljundsignaalis ka üksikuid maksimume ja miinimume raske eristada ning neil on sõltuvalt signaali faasist erinev kontrastsus. Järelikult osutub selline süsteem ka dünaamiliselt ebastabiilseks, kuna selliste sageduste tuvastamine ja väljundi kontrastsus sõltuvad signaali faasist maatriksi regulaarstruktuuri suhtes. Keskmine kontrasti väärtus sagedusel 1/(2,5*p) on ligikaudu 75%, mida saab kirjutada kui MTF(2,5)=0,75.

Alustades ruumilisest sagedusest, mille periood on võrdne 3 x raku suurusega, osutub signaali tase maatriksi väljundis suhteliselt stabiilseks, sõltudes veidi faasist. Parimal faasimatšil MTF=1, halvimal MTF=0.75. Keskmine väärtus MTF(3)=0,875. Võime öelda, et stabiilse tuvastamise lävi asub sellel ruumilisel sagedusel. Ilmselt seetõttu peab näiteks Sony, mis arendab nii videokaameraid kui ka CCD maatriksit, süsteemi eraldusvõimet (ridades) võrdseks maatriksist loetud pikslite arvuga, mis on jagatud 1,5-ga. Kuna fotograafiat kasutatakse mõõtmiseks joonpaarides millimeetri kohta (määratledes mitte ühe piigi, vaid ruumilise sageduse), nõuab maatriksi eraldusvõime teisendustegur joonpaarideks parandustegurit 3,0.

Väga sarnane ülesanne on ka printimisel, kuna paberil olev pilt edastatakse reeglina tavaliste rastrite abil. Ja seal on sageli minimaalne tegur täpselt 1,5, et teisendada eraldusvõime pikslites mm kohta (ppi) eraldusvõimeks ridades mm (lpi) ja vastupidi. Reeglina püüavad printerid varuda teatud varu ja enamasti nõuavad nad faili eraldusvõimet, mis põhineb teisendusteguril (printimisel nimetatakse seda kvaliteediteguriks) 2,0, mis võimaldab signaali amplituudi täpselt edastada ( MTF(4*p)=1). Muidugi on ka liialdusi, kui printerid mängivad asja ja keelduvad vastu võtmast pilte, mille kvaliteeditegur on alla 3,0–4,0. Enamasti tuleneb see sõna liiga otsesest võtmisest " kvaliteet" seoses koefitsiendiga ja sellest tulenevalt ebamäärane arusaam pildi kujunemise protsessist.

Tuleb märkida, et Nyquist-Kotelnikovi kriteerium, mis tagab signaali täpse rekonstrueerimise selle proovidest, kehtib, kui on täidetud järgmised tingimused:

Sisendsignaali spekter on piiratud diskreetimissagedusest poole väiksema maksimaalse siinussagedusega, millest eelkõige järeldub, et signaali tuleb lõputult pikendada, ilma alguse ja lõputa;
- valimite “laius” on lõpmata väike (diskreetne funktsioon);
- signaali taastamiseks on vaja kasutada ideaalset, füüsiliselt võimatu karakteristikuga madalpääsfiltrit.

Piltide digiteerimisel ei ole täidetud ükski ülaltoodud tingimustest. Seetõttu toimub digiteerimine "marginaaliga", mis määratakse kvaliteedikoefitsiendiga. Muide, heliteabe digiteerimisel kasutatakse samadel põhjustel (täidetud on ainult esimene tingimus) liigset diskreetimissagedust. Näiteks sagedusriba 20Hz–20kHz pakkumiseks tekitab CD-heli salvestusvorming kvantimise sagedusel 44,1 kHz (kvaliteeditegur 1,1) telefoni teel signaalide edastamiseks sagedusalas 0,3–3,4 kHz, diskreetimissagedusega Kasutatakse 8kHz (kvaliteeditegur 1,18) jne.

Kuigi topeltsuuruses SuperCCD kujutises on pooled pikslitest interpoleeritud (nagu on näha joonisel), on horisontaalsete ja vertikaalsete joonte puhul eraldusvõime (minimaalne ruumiline sagedus, mille juures MTF on dünaamiliselt stabiilne) võrdne pildi eraldusvõimega. maatriks traditsioonilise Bayeri struktuuriga, mis koosneb kaks korda suuremast arvust rakkudest.

Selleks, et hinnata, kui kasutatav on kõik eelnev praktilises fotograafias, on vaja saada kinnitus ruumiliste sageduste 1/(2*p) eristatavuse kohta reaalsetel piltidel (optimaalsetes tingimustes, kuna MTF sellistel sagedustel on dünaamiline ebastabiilne). 12-megapikslise eraldusvõimega (4276x2868) tehtud fotol peaksid olema näha 1 piksli laiused jooned.

Fujifilm S2 Pro kaameraga tehtud kaader eraldusvõimega 12MP. Objektiiv – Nikkor AF-S 80-200/2.8 – üks parimaid Nikoni telesuume. Katse jaoks piisava objektiivi eraldusvõime saamiseks tehti pilt fookuskaugusega 80 mm ja avaga f/8, mis tagab maksimaalse eraldusvõime.

Fragment fotost täissuuruses.

5x suurendusega pildi fragment. Saab kontrollida, et ruumilisele sagedusele 1/(2*p) vastavad horisontaaljooned salvestatakse ootuspäraselt dünaamiliselt ebastabiilse eraldusvõimega. Pildi fragment näitab selgelt hinda, mida SuperCCD tehnoloogia peab eraldusvõime suurendamise eest maksma: värvikontuurid pildi väikeste detailide ümber tänu madalale eraldusvõimele värvikanalites.

Arvestades, et 12-megapikslise pildistamisel on pildi horisontaalne eraldusvõime 4288 pikslit horisontaalmaatriksi suurusega 23,0 mm, vastab see resolutsioon maatriksil endal 186 rida/mm ehk 93 joonpaari/mm. Seetõttu on fotodel nii suure detailsuse saamiseks vaja Väga kvaliteetne optika.

Olles mõistnud nii Bayeri kui ka SuperCCD struktuuride maksimaalsete resolutsioonide arvutamise meetodeid, saame arvutada maksimaalsed (anduri eraldusvõime alusel) eraldusvõimed, mida on võimalik saada erinevatest populaarsetest digitaalsetest peegelkaameratest, kui pilditöötluses pole antialiasing-filtreid.

Selleks kasutame valemeid:
Rs = Nl/Ll/3, joonepaarid/mm (lp/mm)
Ru = Nl/Ll/2, joonepaarid/mm (lp/mm)
kus Rs on dünaamiliselt stabiilne eraldusvõime, Ru on dünaamiliselt ebastabiilne eraldusvõime, Nl on pildi pikslite arv piki kaadri pikemat külge, Ll on maatriksi suurus piki kaadri pikemat külge millimeetrites.

Eraldusvõime arvutamiseks piki kaadri pikemat külge tehke järgmist.
Rfs = Nl/3, joonepaarid piki raami pikka külge
Rfu = Nl/2, joonepaarid piki raami pikka külge
kus Rfs on dünaamiliselt stabiilne eraldusvõime, siis Rfu on dünaamiliselt ebastabiilne eraldusvõime

Mõned märkused kile (hõbehalogeniidi) tehnoloogia kohta

Ma ei kirjelda üksikasjalikult fotofilmi emulsiooni struktuuri, eeldades, et lugeja on hõbemõnevõrra tuttav. Võib-olla on parema arusaamise huvides vaja põgusalt peatuda fotofilmile fotokujutise saamise põhiprintsiipidel.

1. Fotofilmi emulsioon koosneb tillukestest (läbimõõduga 0,1...1 µm) hõbehalogeniidide (AgCl, AgJ, AgBr) kristallidest, mis on pooljuhid. Iga kristall koosneb ioonvõrest, mille tippudes on positiivse laenguga hõbeioonid ja negatiivse laenguga halogeenioonid (kloor, broom, jood). Aatomite vahelised kaugused on rangelt fikseeritud, ioonide fikseerimine kristallvõres toimub elektrostaatiliste jõudude abil. Terade pinnal rekombineeruvad väävliaatomid (želatiinis sisalduvatest väävliühenditest) pinnalähedaste hõbedaioonidega, moodustades ühendi Ag2S.

2. Kui footon siseneb kristalli, lööb ta välja lõdvalt seotud elektroni, mida kristalli sees eksledes saab kas tagasi püüda positiivselt laetud koht, kust elektron välja löödi (seda protsessi nimetatakse rekombinatsiooniks ja selles juhul varjatud kujutise teket ei toimu) või saab selle jäädvustada mõni muu sõlm, mis sel juhul omandab täiendava negatiivse laengu. Elektron liigub naabruses asuvasse halogeeniooni, nihutades seeläbi "augu" kristalli piirini. Kristall on väävliühendeid sisaldavas želatiinikihis ning kristalli pinnale tekkiv neutraalne halogeeniaatom, mis ei ole seotud võrega, moodustab želatiini lisanditega kergesti stabiilse ühendi. Kristallid sisaldavad alati teatud koguses hõbedaioone, mida ioonvõre ei seo, sellised ioonid võivad kaootiliselt liikuda, lüües võrest välja teised hõbeioonid, mis saavad võres oma koha sisse. Fotoelektroni lokaliseerimine Ag2S molekuli lähedal kristalli pinnal põhjustab vaba hõbeiooni tõmbumise kristalli pinnale (kui ioon asub piisavalt lähedal), mille tulemusena hõbeda iooni saabumisel. pinnale, neutraliseeritakse see fotoelektroni toimel ja moodustub kristalli pinnale vaba hõbeda aatom. Selleks, et tera sai avaldumisvõimeliseks, on vajalik, et see oleks Ag2S aatomi asukoha lähedal vähemalt neli neutraalset hõbeda aatomit. Kuna Ag2S molekul ei suuda väga suure valgustuse ja lühikeste säriaegade korral tabada korraga rohkem kui ühte fotoelektroni, rikutakse arenemisvõimeliste terade moodustumise proportsionaalsust (mitteasendusefekt või Schwarzschildi efekt) nii fotoelektroni moodustumise tõttu. elektronide järjekord ja kristallisisese rekombinatsiooni tõttu (fotoelektroni tagasipüüdmise tõenäosus ioonvõre aatomi poolt).

3. Üks tera, mille keskmine suurus on 1 mikron, sisaldab umbes 32 miljardit hõbeiooni. Varjatud kujutise moodustamiseks peab tera pinnale jõudma vähemalt 4 hõbedaaatomit. Kui arendada terad, mille pinnal on rohkem kui 4 hõbedaaatomit, muudetakse kõik selles teras olevad hõbedaioonid aatomhõbedaks (arendaja on elektronide "doonor"). Selle tulemusena muutub selline tera valguse käes mustaks. Terasid, mille pinnal on vähem hõbeda aatomeid, ei teki, vaid need lahustuvad ja eemaldatakse emulsioonist, kui kujutis on fikseeritud (fiksaator). Seega võime öelda, et arendus on varjatud kuvandi võimendamine kuni 32 miljardi suuruse kasumiga. / 4 = 8 miljardit korda. Reaalsetes tingimustes võib tera pinnal olla palju rohkem kui 4 hõbedaaatomit, seega on sellise võimenduse keskmine koefitsient "ainult" umbes 1 miljard.

4. Tuleb märkida, et terad võivad olla ainult kahes olekus: need võivad olla arenenud (taandatud metalliliseks hõbedaks) või mitte. Sellest lähtuvalt koosneb mustvalge pooltoonipilt tohutul hulgal pinnale juhuslikult hajutatud mustadest teradest ja terade eksponeerimise tõenäosus on võrdeline säritusega. Mida suurem on fotofilmile eksponeeritud valguse hulk, seda suurem arv terasid säritatakse ja areneb, mille tulemusena suureneb pildi optiline tihedus (samas on CC alati S-kujuline, kuna mittelineaarsus madala valgustuse korral, mis on tingitud vajadusest paljastada tera vähemalt 4 footonile, ja ka alati esineva mustamise minimaalse tiheduse tõttu - loor, mis vastab ligikaudu CCD maatriksi termilisele mürale).

5. Värvilised fotofilmid koosnevad kolmest kihist, millest igaüks neelab valgust ainult oma lainepikkuste vahemikus (punane, roheline, sinine) ning lisaks hõbehalogeniidide terad sisaldavad vastavates kihtides magenta, kollase ja tsüaani (CMY) värvaineid. , mis värvilisena tekitades tekitavad arenenud tera ümber värvilise pilve (värvide vastasmõju tõttu arenevate ainete oksüdatsiooniproduktidega, mis moodustuvad arenevate terade või terade konglomeraatide ümber), mille järel terad selginevad. metallilisest hõbedast lahustuvad ja fikseerimisprotsessi käigus lahustuvad ka valgustamata hõbehalogeniidi terad. Värvilisi pooltoone edastab tihedus, millega värvipilved paiknevad, st need määratakse igas kihis arenenud hõbedaterade tiheduse järgi. Reeglina moodustavad sellised värvipilved klastreid, mille mõõtmed on oluliselt suuremad üksikute hõbehalogeniidide terade suurusest.

Fotofilmi pildistruktuur meenutab kõige enam kujutiste tootmist kolmevärvilise tindiprinteri (CMY) abil. Ja nagu tindiprinteri puhul, ei saa pooltooniobjektide edastamisel ühe tera (tilga) suurus määrata eraldusvõimet. Hõbehalogeniidtehnoloogiat ja CCD-kujutisetehnoloogiat ei saa otseselt võrrelda, kuna kujutise valmistamise põhimõtted on väga erinevad - mitte vähem kui tindiprinteri ja termilise difusioontrükkimise tehnoloogiad.

Positiivsel (tagurpidi) fotofilmil on negatiivlähedane struktuur (positiivfilmil pole maski ja reeglina väheneb kihi paksus), kuid arendus toimub kahes etapis (joonisel on üks kihtidest värvilisest filmist):

1. Esimene etapp (must-valge väljatöötamine) hõlmab negatiivse filmi arendamisega sarnast arendust: paljastatud terad redutseeritakse metalliliseks hõbedaks. Pärast seda lahustatakse metallist hõbe pleegituslahuses ja eemaldatakse kilelt.

2. Filmi uuesti säritatakse (kas valgusallika või kemikaaliga), mille eesmärk on paljastada kõik kihti jäänud valgustamata terad, misjärel see ilmutatakse värvide ilmutis ning seejärel pleegitatakse ja fikseeritakse. Põhimõtteliselt võimaldab filmi ümberpööramise protsess lahutada säritatud terad terade koguarvust ja valgustamata terad ümber pöörata (esile tõsta, säritada), saades seeläbi positiivse pildi.

Fotofilmide infovõimekuse hindamine

Fujifilmi New Reala Technology loojad hindasid intervjuus Velvia filmi, mille granulaarsus on G=9, infomahuks 30 miljonile efektiivsele pildielemendile. Tõenäoliselt rääkisime kolmes värvikihis olevate efektiivsete elementide (ehk värvi moodustavate ainete klastrite) arvust, mis tähendab umbes 10 megapikslit värvilist pilti.

Kui meenutada, et positiivse filmi ruutkeskmise granulaarsuse saab määrata kõige lihtsamal viisil (Gorokhovski kriteerium):
G=100/M, Kus
G- detailsuse väärtus,
M- suurendusskaala, mille juures tera muutub märgatavaks
laius=10>ja asjaolu, et inimsilm eristab punkte, mille suurus on 0,1 mm = 100 mikronit, saame arvutada nähtava kile granulaarsuse suuruse järgmiselt.
S = G x 10^-6
Nähtav granulaarsuse suurus ei ole kile tera suurus, mis on reeglina oluliselt väiksem (0,1-1 μm), vaid "infoelemendi" ehk värvi moodustavate komponentide klastri suurus, mille mõõtmed on on palju suuremad. RMS granulaarsust mõõdetakse mikrodensitomeetriga, millel on pilu, millest läbib väga kitsas valgusvihk, kuid mitte vähem kui 10-kordne tera suuruse läbimõõt (Kodak kasutab valgusvihku läbimõõduga 48 mikronit). Sellise mikrodensitomeetriga hallskaala välja tihedusega 0,5D “skaneerimisel” saadakse väga mürarikas optilise tiheduse kõver, millest määratakse keskmine tihedus ja ruutkeskmine (standardhälve) keskmisest väärtusest. . On teada, et standardhälve on pöördvõrdeline kiire ava pindala ruutjuurega, seega on ruutkeskmine granulaarsus defineeritud kui

Kus A- valgusvihu ava ala (saate täpsemalt lugeda Kodaki kodulehelt).

Fuji Velvia filmi, mille granulaarsusväärtus on G=9, nähtava makrotera suurus (moodustunud värvipilvedest) on 9 mikronit, mis digifotograafia mõistes tähendab efektiivse piksli suurust. Siis on selle filmi hinnanguline eraldusvõime
R = 36 mm / 9 µm x 24 mm / 9 µm x 3 kihti = 4000 x 2467 x 3 = 32 MP (või 10,6 MP täisvärvides)

Arvutuse tulemusena saadud väärtus ühtib üsna täpselt arendajate andmetega (30 miljonit pildielementi).

Fuji Provia 100 (vana tüüpi) fotofilmi puhul granulaarsusega G=10 on nähtava makrotera suurus 10 µm, siis selle eraldusvõime

R = 36 mm / 10 µm x 24 mm / 10 µm x 3 kihti = 3600 x 2400 x 3 = 26 MP (või täisvärviline 9 MP),

mis ühtib hästi ka arendajate hinnanguga (umbes 30 miljonit efektiivset pildielementi).

Uue ja väga eduka Provia 100F fotofilmi puhul, mille granulaarsus on G=8, on nähtav makrotera suurus umbes 8 mikronit. Tema luba sel juhul

R = 36 mm / 8 µm x 24 mm / 8 µm x 3 kihti = 4500 x 3000 x 3 = 40,5 MP (või 13,5 MP täisvärvides).

Selle filmi jaoks hindasid arendajad 50 miljonit tõhusat elementi. Mis ilmselt tähendab, et nad arvasid, et see on 4-kihiline või võtsid arvesse selle filmi tehnoloogiasse sisseehitatud täiendavaid täiustusi.

Võib hinnata ka filmi eraldusvõimet, mille efektiivne "piksli" suurus on 8 µm: 1 mm/8 µm = 125 rida = 62,5 joonepaari/mm. Kuna kile tera paikneb stohhastiliselt, võib kvaliteeditegurit lugeda 1-le lähedaseks, mis võimaldab lugeda seda filmil äratuntavaks umbes 60 joonepaari/mm. Naaseme selle joonise juurde veidi hiljem.

Need positiivsete fotofilmide eraldusvõime hinnangud on tehtud makrograanide nähtava suuruse jaoks, mõnikord on võimalik tuvastada detaile, mis on moodustatud üksikutest teradest, mille suurus ei ületa 1 μm (siiski väga madala signaali-toega); -mürasuhe, alla 1: ühe tera võib välja töötada või mitte ja see ei sisalda teavet heleduse või värvi varjundite kohta).

Tootjate antud filmi eraldusvõime (nt Provia 100F filmi puhul 140 joonepaari/mm) arvutatakse madalate MTF väärtuste (MTF=7%) ja allika väga kõrge kontrastsuse (1000:1) põhjal. Kõrge eraldusvõime moodustub üksikute stohhastiliselt jaotunud terade tõttu, selline pilt sisaldab kõrget müra ja eraldusvõime sõltub algse pildi kontrastist, mis näitab saadud pildi dünaamilist ebastabiilsust (sama kaadrit ei saa kaks korda pildistada); - tera jaotus kaadris on erinev). Fotograafia eesmärk on ju toota pildistatavast pildist täpne koopia, mitte täpne koopia filmil olevast terastruktuurist.

On tõenäoline, et hõbehalogeniidi protsessiga saadud eraldusvõime võrdlev hindamine peaks kasutama madala kontrastsusega objektide eraldusvõime andmeid, mis on lähedasemad reaalses halltoonides objektide pildistamisele. Seega on Provia 100F puhul tootja sõnul eraldusvõime objekti kontrastsusega 1:1,6 60 joonepaari/mm.

Teine viis fotofilmi eraldusvõime mõõtmiseks CCD-maatriksi eraldusvõimega võrdlemiseks nõuab filmi eraldusvõime määramist MTF-i tasemel vähemalt 20% (kuigi CCD maatriksi jaoks valisime MTF-i taseme = 87,5%). dünaamilise stabiilsuse lävi). Selle läve juures on Provia 100F filmi eraldusvõime, nagu graafikult näha, ligikaudu 60–65 joonepaari/mm ja langeb kokku madala kontrastsusega objektide eraldusvõimega.

Positiivse fotofilmi Fuji Provia 100F sagedus-kontrastkarakteristik (MTF, MTF) (graafik on kasutatud Fujifilmi ametlikust dokumentatsioonist, graafik ekstrapoleeritud kõrgemate ruumiliste sageduste jaoks 60-135 joonepaari/mm).

Huvitava tähelepaneku saab teha ka MTF-i graafikult: alustades ruumilistest sagedustest 20-30 joonepaari/mm, paratamatult langeb kontrast, mida võib seletada võimatusega saada kujutise detaile suurtest teradest või konglomeraatidest (kuna nad osalevad). madalama ruumilise sagedusega kujutiste moodustamisel). Kõrgete ruumiliste sageduste edastamine saavutatakse üha väiksema arvu üha väiksemate klastrite osalemise kaudu (paljanduvate suurte klastrite taustal), mis toob kaasa kontrasti kadumise.

Võrdluseks võid anda katkendi Nikon F80 kaameraga Fujifilm Superia Reala filmil tehtud pildist, millel on sama objektiiv sama säritusega ja samast punktist (statiivilt), kui ülaltoodud S2 Pro kaameraga tehtud pildil. . Selle tulemusena võttis pilt filmiraamil suuruse (24x36mm), mis vastab S2Pro maatriksi suurusele (23x15,7mm).

Skannimise eraldusvõime 4000 dpi (Nikon SuperCoolScan 4000ED) koos järgneva kontuuride teravuse suurendamisega (raadius 0,3, tase 300%). Skaneerimise tulemusena saadi 5650x3650 (21 MP) fail. Fragmenti suurendatakse 5 korda.

Võime järeldada, et Fuji Superia Reala negatiivse filmi eraldusvõime standardtöötluse ja skaneerimisega 4000 dpi juures sama kaadri suurusega kui CCD maatriksil (23,0x15,7 mm) on eraldusvõimega madalam kui SuperCCD maatriksi eraldusvõime. See tähendab, et filmiskanneri süsteemist ei olnud võimalik saavutada eraldusvõimet 93 paari joont/mm. Filmikaader on aga pindalalt 2,25 korda suurem kui S2Pro kaameras kasutataval SuperCCD-l, nii et kui võrrelda filmi ja digi eraldusvõimet personal Jätame selle tehnoloogiate subjektiivseks võrdluseks.

Skaneerimise ja eraldusvõime kohta tuleb öelda paar sõna. Olen korduvalt kuulnud arvamusi, et 4000 dpi eraldusvõime on filmikaadrilt kogu võtteteabe saamiseks enam kui piisav ja skaneerimise eraldusvõime edasise suurendamisega pole enam võimalik saada rohkem detaile (lõppkokkuvõttes me tõenäoliselt ei saa olla huvitatud mustvalge kile üksikute hõbehalogeniidide terade või värvikile värviliste klastrite juhuslikust paigutusest kaadris). Tänapäeval on hea 4000dpi eraldusvõimega slaidiskänner üsna kallis seade, mis ei jää hinna poolest palju alla amatöörklassi digitaalsele peegelkaamerale. Seetõttu pidasin ebamõistlikuks filmitehnoloogia võrdlemist skaneerimise eraldusvõimega 8000dpi, sest sellisel juhul võib sellise skanneriga filmikaamera komplekti maksumus oluliselt ületada digitaalse peegelkaamera oma. Mulle tundub aga äärmiselt soovitav hinnata erinevate eraldusvõimetega skaneerimise võimalusi.

Skannimine eraldusvõimega 4000 dpi võimaldab teil järjekindlalt ära tunda 4000 / 25,4 / 3 lpmm = 52.5 joonepaarid/mm või ebastabiilne 4000 /25,4 / 2 lpmm = 78 joonepaare/mm.

Skannimine eraldusvõimega 8000 dpi võimaldab teil järjekindlalt ära tunda 8000 / 25,4 / 3lpmm = 103 joonepaarid/mm või ebastabiilne 8000 / 25,4 / 2 lpmm = 156 joonepaare/mm.

Kuna parimad üldotstarbelised filmid saavutavad eraldusvõime 135-145 joonepaari/mm (absoluutse kontrastiga 1000:1 pildistades väga madal signaali-müra suhe ja MTF väärtus 5...7%), parimad standardobjektiivid suudavad saavutada eraldusvõimet umbes 100 joonepaari/mm (MTF=3...5%), märgatava kontrastiga (MTF=3..5%) film-objektiivi kogulahutusvõime on harva. üle 60 joonepaari/mm. Mis nõuab stabiilseks skannimiseks ilma aliasefektideta 60*3*25.4 = 4572 reapaari/mm. Seda eraldusvõimet saab reeglina saavutada 4000 dpi skanneriga, mille kontrastsus on veidi langenud, millele järgneb kontuuride teravus. 8000 dpi eraldusvõimega skanner, millel on sama objektiiv mis 4000 dpi skanneril, parandab detaile mitte rohkem kui 60 lp/mm ( objektiivi-filmi süsteemi eraldusvõime) - 52,5 lp/mm ( skanneri eraldusvõime 4000 dpi) / 52,5 = 14% lisainfot objektide kohta.

Reeglina on 8000 dpi eraldusvõimega skannerid veelgi kvaliteetsema optikaga (otsustades Nikon SuperCoolscan 4000 ja 8000 skannereid) parema sisemise MTF-iga, mis võib koos kahekordse eraldusvõimega parandada pildi peente detailide edastamist. kuni 20-25% (ja annavad palju täpsemalt edasi tera asukohta, mis aga pole skaneerimise peamine eesmärk).

Lubage mul tuua teile näide, mis illustreerib 4000 dpi eraldusvõimega skannimise praktilist piisavust. Esimene kaader saadi skaneerides Nikon SuperCoolScan 4000ED skanneriga maksimaalse kvaliteediga ja suurendati kuni 600%, teine ​​saadi samalt maailmapildilt mikroskoobi all (suurendus 120x, kaadrit vähendatud 4 korda):

Tõepoolest, fotofilmi eraldusvõime ulatub väärtuseni 130-145 joonepaari/mm (mis on toodud tootja dokumentatsioonis) – see on jooniselt selgelt näha (skanner ei saa edastada rohkem kui 78 joonepaari/mm) . Sellist eraldusvõimet ei saa aga pidada mitte ainult dünaamiliselt stabiilseks, vaid ka kasulikuks, kuna müratase ületab kasuliku signaali taseme.

Kui kõik muu on võrdne, ei ole 8000dpi-ga filmiskannerite kasutamine tavaliste stseenide skaneerimiseks õigustatud (kasvõi juba sellepärast, et faili suurus suureneb 4 korda, 20-25% paraneb pisidetailide ülekandmine). Lisaks ei pruugi keskklassi objektiividega (rääkimata soodsast optikast) pildistades nii kõrge eraldusvõimega skaneerimisel üldse võitu olla (mis suure tõenäosusega seletab fotograafide arvamust, et 4000dpi skannimisest piisab). 8000dpi eraldusvõimega skannerid on aga asendamatud teadusuuringuteks, spetsiaalsete väga kõrge resolutsiooniga filmide skaneerimiseks, kui kasutada kopeerimiseks spetsiaalset suure kontrastsusega optikat jne.

Järeldused:

Fotofilm on võimeline tagama eraldusvõime 50-60 liinipaari/mm vastuvõetava signaali-müra suhtega ja kuni 130-145 liinipaari/mm, kui müratase (granulaarsus) ületab signaali taseme. Kõrge eraldusvõime võib olla kasulik eri tüüpi pildistamises, näiteks astronoomias, kus kasutatakse võimsaid pilditöötlusalgoritme, et eraldada väga mürarikkast signaalist kasulikku teavet.

Kui tuleme tagasi tehnoloogiate võrdluse juurde, siis saame arvutada, et dünaamiliselt stabiilse eraldusvõime 62 joonepaari/mm (nagu S2Pro CCD) saamiseks vajate filmiskannerit eraldusvõimega 4720 dpi (kaadriga, mis on võrdne CCD maatriksi suurus) või standardse 24x36 mm kaadri skannimine eraldusvõimega 3150 dpi .

Nüüd saame digikaamera eraldusvõime tabelit täiendada negatiivsete ja positiivsete filmide ning nende skaneerimisel saadud tulemustega.

	Pildivälja suurus, mm	Kaadri eraldusvõime, pikslid	Pildi pikslite koguarv, miljoneid piksleid	Piksli (pildielemendi) suurus, µm
Nikon D100	23,4x15,6	3032x2016	6,1	7.8
Canon D60	22,7x15,1	3072x2048	6,3	7.4
Fujifilm S2 Pro	23,0x15,5	4288x2880	12,3	~7.45
Canon 1DS	35,8x23,8	4064x2704	12,3	~8.8
Kodak DCS 14n	36x24	4536x3024	13,7	~7.9
	36x24	---	---	<1
	36x24	---	---	<1
Film Provia 100F (eval)*	36x24	4500x3000	13,5	8
4000 dpi skannimine	36x24	5669x3779	21,4	6.35
8000 dpi skannimine	36x24	11338x7559	86,1	3.2

	Dünaamiliselt stabiilne eraldusvõime, joonepaarid/mm	Dünaamiliselt stabiilne eraldusvõime, joonepaarid piki kaadri pikemat külge	Dünaamiliselt ebastabiilne eraldusvõime, joonepaarid/mm	Dünaamiliselt ebastabiilne eraldusvõime, joonepaarid piki kaadri pikemat külge
Nikon D100	43.2	1011	64.8	1516
Canon D60	45.1	1024	67.7	1537
Fujifilm S2 Pro	62.0	1426	93.2	2144
Canon 1DS	37.8	1353	56.8	2033
Kodak DCS 14n	42.0	1512	63.0	2268
Film Provia 100F (vastavalt tootjale)	60	~2160	140	~5040
Film Superia Reala (vastavalt tootjale)	63	~2268	125	~4500
Film Provia 100F (eval)*	50-60	1800..2100	62,5	~2250
4000 dpi skannimine	52.5	1890	78	2808
8000 dpi skannimine	103	3708	156	5616

* - lahutusvõime vastavalt granulaarsuse hinnangule. Võib-olla parim viis piltide kvaliteedi võrdlemiseks erinevate tehnoloogiate abil.

Mis võib tunduda kummaline: enamikus sõltumatutes eraldusvõime testides näitas S2 Pro pisut halvemaid tulemusi kui täissuuruses 11–14-megapikslise maatriksiga kaamerad (kuid palju paremad kui 6-megapikslise maatriksi ja traditsioonilise pikslite paigutusega kaamerad). Sellel on vähemalt kaks seletust:

S2 Pro-l on suurem CCD eraldusvõime, mida enamiku tavaliste suumobjektiividega tavaliselt saavutada ei saa. Kui läätse MTF ruumilise sagedusega 93 joonepaari/mm on umbes 3-5%, on maatriksi ja läätse MTF korrutis alla 2-3% (minimaalne eristatav kontrast). Seetõttu tuleb eraldusvõime testimisel võrreldavate tulemuste saamiseks kasutada kõrgeima kvaliteediga objektiive.

S2 Pro toodab pilte, millel on kõrgetel ruumilistel sagedustel suurenenud värviartefaktide tase, kuna puuduvad pikslid on ruumiliselt interpoleeritud.

Muide, sellest väitest võime järeldada, et SuperCCD maatriksi kasutamisest kaameras kasu saamiseks on vaja kasutada kvaliteetset optikat. Seevastu täissuuruses maatriksiga 11-14MP kaamerate potentsiaali avamiseks piisab eraldusvõimest 50-60 liinipaari/mm ehk odavamatest objektiividest võrreldes 90 reapaari/ eraldusvõimega objektiividega. mm. Täissuuruses anduritele mõeldud läätsed peavad aga tagama hea eraldusvõime ja kromaatiliste aberratsioonide puudumise kaadri servades (mis ei ole poole suurusega andurite kasutamisel kriitiline).

2. RAKUDE PEAMISED KOMPONENDID

2.1. SOT telekaamerad ja seadmed nende varustamiseks

2.1.1. Televisioonikaamerad.

Kaamera on süsteemi kõige olulisem element, kuna see loob videosignaali, mida videosüsteem seejärel kasutab videoteabe analüüsimiseks, tuvastamiseks ja salvestamiseks. Kaamera valik määrab, mida ja kuidas operaator pidevalt muutuvates valvetingimustes videomonitori ekraanil näeb. Kui kaitsealal on vaja mitte ainult jälgida üldist olukorda, vaid ka tuvastada inimesi, määrata auto numbrimärki jms, tuleb projekteerijal valida tõeliselt vajalike funktsioonide ja tehniliste omadustega kaamera. Pealegi peaks kaamera (ja kõigi teiste SOT-seadmete) valikul põhitingimuseks olema rajatise vajaliku turvalisuse tagamise nõue.

Kaasaegne kaamera on kompleksne elektrooniline süsteem, mis koosneb valgustundlikust elemendist - maatriksist, mis on valmistatud laenguga sidestatud seadmetel (CCD - maatriks, inglise keeles transkriptsioon - CCD) või põhineb CMOS-struktuuril (CMOS - komplementaarne metalloksiid pooljuht, inglise keeles transkriptsioon CMOS ) ning tarkvara ja riistvara signaalide töötlemiseks kuvaseadmetele väljastamiseks mõeldud vormingusse.

Kaamerad on jagatud (vt joonis 1, joonis 2):

Analoog ja digitaalne;

kroovitud ja kroovimata;

kasutamiseks sise- ja välistingimustes;
- statsionaarne;

Rotary;

Kuppel;

Kasutamiseks eritingimustes;

Mustvalged ja värvilised pildid;

Suurenenud tundlikkus;

Kõrgresolutsiooniga;

Varjatud jälgimiseks.

Riis. 1 Erineva disainiga kaamerad

Riis. 2 - Vandaalikindlad kaamerad

Tarbija mõistes analoog- ja digikaamera erinevus seisneb selles, et analoogkaamera väljund sisaldab standardset videosignaali, digikaamera aga digiteerib maatriksist tuleva analoogvideosignaali ja edastab selle sideliini kaudu digitaalne kood. Reeglina tihendatakse videosignaal digikaamera sees, välistades videoteabe "liigsuse". Kui monitorile suunatakse analoogkaamera standardne videosignaal, siis näeme ekraanil pilti. Digikaamera väljundsignaal peab enne monitori ekraanile jõudmist läbima arvuti (serveri) tarkvara spetsiaalse töötluse.

Mõnel juhul ei suru digikaamerad videosignaali kokku, piirdudes vaid signaali digiteerimisega. Sel juhul suureneb edastatava digitaalse teabe maht järsult. Seda tehnilist lahendust kasutatakse spetsiaalsetes televisioonivalverakendustes, kus esmaseks eesmärgiks on kvaliteetse pildi saamine. Fakt on see, et peaaegu igat tüüpi tihendamine põhjustab algse pildi kvaliteedi langust. Sel juhul määrab tihendamise astme pildikvaliteedi kadumise vastuvõetav tase.

Telekaamerat iseloomustab terve rida parameetreid, kuid enamikul juhtudel piisab kaamera valimisel teabe olemasolust selle järgmiste omaduste kohta.

1. Maatriksvorming - maatriksi valgustundliku ala suurust väljendatakse tollides. Peamised formaadid on: 1/4", 1/3", 1/2", 2/3" ja 1".

Mida suurem on optiline formaat, seda väiksem on kujutise geomeetriline moonutus (kui muud asjad on võrdsed). See kehtib eriti suurte vaatenurkade puhul. Kõrge pildikvaliteediga SOT-id kasutavad tavaliselt 1/2", 2/3" ja 1" formaadis kaameraid. Praegu kasutatakse kõige sagedamini 1/3" kaameraid. Viimasel ajal on turule ilmunud miniatuursed 1/4" formaadimaatriksiga kaamerad. Üldjuhul maatriksformaadi vähenedes halvenevad kaamera müraomadused.

2. Resolutsioon(eraldusvõime pildi või objektiivi keskosas)- kaamera väljundsignaalis eristatavate televisiooniliinide (TVL) maksimaalne arv modulatsioonisügavusel (10 ± 3)% (modulatsiooni sügavuse määramiseks vt lisa A).

Kaamera objektiivi servades on pildikvaliteedi mõningane halvenemine lubatud. Mida suurem on kaamera eraldusvõime, seda peenemad detailid on pildil näha. Tavaline eraldusvõime on mustvalgete kaamerate puhul 380 - 420 rida ja värvikaamerate puhul 300 - 320 rida. Tipptasemel süsteemides kasutatakse reeglina kõrgendatud eraldusvõimega kaameraid (mustvalgete jaoks 500–600 rida ja värvikaamerate jaoks 375–450 rida).

Eristatakse vertikaalset ja horisontaalset eraldusvõimet.

Vertikaalne eraldusvõime- maksimaalne horisontaaljoonte arv, mida seade suudab edastada. Vertikaalset eraldusvõimet piirab kaadris olevate ridade arv ja selle määrab teleristandardi tüüp (PAL või NTSC).

See on maksimaalne vertikaaljoonte arv, mida seade suudab edastada. Tegelikult huvitab tarbijaid peamiselt horisontaalne eraldusvõime, kuna standardkaamerate vertikaalne eraldusvõime on sama. Mida rohkem vertikaalseid jooni mahub üle kogu joone laiuse, seda rohkem on pildil välja töötatud peeneid detaile.

Horisontaalne eraldusvõime- sõltub signaali modulatsiooni sügavusest. 100% modulatsiooni korral nimetatakse eraldusvõimet riistvaraliseks teravuseks, 50% modulatsiooni puhul on see reaalne eraldusvõime ja 10% modulatsiooni puhul nimetatakse seda maksimaalseks eraldusvõimeks.
Rääkides COT-i eraldusvõimest, ei tohi unustada kogu kasutatava seadmete ahela otsast lõpuni resolutsiooni (videotee). Seega kui meil on näiteks telekaamera resolutsioon 560 TVL ja videosalvestuskaardi eraldusvõime ei ületa 380 TVL, ei saa SOT kogulahutus olla suurem kui 380 TVL.

SOT-i eraldusvõime ei saa olla suurem kui kaamera maatriksi eraldusvõime, mida tavaliselt väljendatakse maatriksi elementide (pikslite) arvuga horisontaalselt ja vertikaalselt või TVL-is.

Märge- diskreetsete struktuuride (CCD) tulekuga hakati pildielemente nimetama piksliteks.

Piksel (kõnekeeles piksel, inglise keeles Pixel – lühend sõnadest pildielement või pildirakk – pildielement) Piksel on ristkülikukujulise, tavaliselt ruudukujulise või ümara kujuga jagamatu objekt.

TVL-ide tegeliku arvu määramiseks SOT-is kasutatakse kontrolltabeleid (maailmad) (vt lisa B).

Horisontaalse eraldusvõime kontrollimine testtabelite abil toimub visuaalselt, analüüsides monitori ekraanil olevat pilti ja see on kõige lihtsam, kuid see meetod sõltub TVL-i subjektiivsest loetavusest inimese poolt. Seega, kui teil on ostsilloskoop, millel on võimalus valida videosignaali liine ja nendega sünkroonida (näiteks Tektronix TDS 2024 ostsilloskoop), on vaja mõõta siirdekarakteristikuid mustalt pildilt valgele pildile ja vastupidi, kasutades D lisas toodud tehnikat.

Maapealses televisioonis tekitas eraldusvõime olemasolu - nii horisontaalselt kui ka vertikaalselt - seadmete omaduste kirjeldamisel teatud ebamugavusi. Seetõttu oli vaja välja töötada üks parameeter eraldusvõime hindamiseks. See probleem lahendati horisontaalse eraldusvõime teisendamisega vertikaalseks eraldusvõimeks, kasutades ekraani kuvasuhet 4:3. Selle tulemusel tekkis koefitsient 0,75 (3:4 = 0,75) ja eraldusvõimeks võeti üks teleliin ehk lühendatult “TVL”.

Maatriksi diskreetne struktuur (pikslid) teisendatakse TVL-iks, kasutades parandustegurit 0,75. Seega, kui kaamera maatriksi horisontaalne mõõde on 500 pikslit, siis on horisontaalne eraldusvõime 500x0,75=375 TVL.

Kuid pikslite arv ja sellega seotud eraldusvõime on ainult videokaamerate või mistahes seadmete võrdlus, mis põhineb “välistel” omadustel, st. maatriksstruktuuri diskreetsete elementide arvu järgi.

3. Tundlikkus.

Seal on: lävi tundlikkus ja SOT normaalseks tööks vajalik tundlikkus.

Läve tundlikkus - maatriksi minimaalne valgustus, mille korral signaali-müra suhe üksikutes SOT-toodetes või SOT-s tervikuna on 8.

SOT-i normaalseks tööks vajalik tundlikkus on maatriksi valgustus, mille juures SOT realiseerib oma passiväärtused (peamiselt eraldusvõime osas).

Kui pole teisiti täpsustatud, tuleb tundlikkusena mõista SOT-i normaalseks tööks vajalikku valgustuse taset.

Tundlikkust väljendatakse traditsiooniliselt luksides (lx) (vt lisa A).

Tundlikkuse väljendamine luksides ei ole täiesti õige. Seetõttu on vaja siduda tundlikkuse mõiste signaali ja müra suhtega ning võtta arvesse valgusallika ja kaamera spektraalseid omadusi.

Normaalseks peetakse signaali-müra suhet 48 dB. Tippkaamerate puhul ulatub see suhe 58 dB-ni. Lisateavet signaali ja müra suhte kohta leiate lisast E.

Tavaline tundlikkus on mustvalgete kaamerate puhul 0,1-0,5 luksi ja värvikaamerate puhul 1-3 luksi.

Süsteemides, mis on loodud vähese peegeldusvõimega hämaralt valgustatud objektide vaatlemiseks, kasutatakse kõrge tundlikkusega kaameraid (umbes 0,01 luksi).

Maatriksitel (CCD, CMOS) on väga oluline omadus – need võimaldavad infrapunakiirtega valgustades saada täieliku pimeduse tingimustes selge pildi. Sel eesmärgil on mõned kaamerad varustatud sisseehitatud IR-valgustusega.

Sünkroonimine - videosignaali ühendamine võrgupinge faasiga või kella impulsside või muu videosignaali välise allikaga. Vahelduvvoolutoitel (220 V/50 Hz või 24 V/50 Hz) töötavad kaamerad sünkroniseeritakse vooluvõrgust. Alalisvooluallikast (12 V) toidetavatel kaameratel peab olema väline sünkroniseerimissisend, mille signaal antakse spetsiaalsest seadmest - sünkronisaatorist. Telekaamerate välise sünkroonimise puudumine ühest sünkroniseerimissignaali allikast suurendab oluliselt kaamera operaatori väsimust ja kui süsteemis kasutatakse rohkem kui 8 kaamerat, põhjustab see pidevaid pildihäireid ja paljude kaadrite kadu, mis muudab vaatluse. ja video salvestamine peaaegu võimatu.

Märge- videohõivekaartidega süsteemi kasutamisel peaksite püüdma kasutada signaali sisendit ilma kanalite multipleksimiseta.

Teoreetiliselt on võimalik saavutada usaldusväärne sünkroniseerimine COT-is, kuid multipleksimisrežiim nõuab videosisendi jaoks alati rohkem aega kui signaali otsesisend. Multipleksi kasutamine videohõivekaardil ei suurenda seadme tehnilisi omadusi, kuna kanalite arv võib sel juhul olla väga suur ning sisendkaadrite või poolkaadrite koguarv ei muutu.

Elektrooniline katik - maatrikskujunduselement, mis annab võimaluse muuta elektrilaengu kogunemisaega (hoidmisaega). Elektrooniline katik võimaldab teil saavutada kiiresti liikuvate objektide vastuvõetava pildikvaliteedi ja tagab kaamera jõudluse kõrge valgustuse tingimustes. Tavalised elektroonilised katikud võimaldavad säriaega reguleerida vahemikus 1/50 kuni 1/10000 – 1/15000. Parimad elektroonilised aknaluugid võimaldavad saavutada säriaegu suurusjärgus 1/100000.

ARD - iirise automaatne reguleerimine - kaamera võimalus juhtida elektriliselt reguleeritava ava ja sisseehitatud võimendiga objektiive (ilma sisseehitatud võimendita objektiivi juhtimisel kasutatakse terminit "otsene juhtimine"). Kättesaadavus ARD on kaamera oluline eelis, kuna teravussügavuse reguleerimine ilma ava muutmata on põhimõtteliselt võimatu. See tähendab, et kui katikut juhitakse sensoril elektrooniliselt (ilma objektiivi ava kontrollimata), ei ole fookuskaugusest erineval kaugusel asuva objekti kujutis piisavalt terav. Lisaks põhjustab ava reguleerimise puudumine valgusvoo reguleerimisala järsu vähenemise. ARD-d ei tohiks kasutada koos elektroonilise diafragmaga, eriti kui kaamera pole vahelduvvoolu sagedusega sünkroonitud, kuna sel juhul võib videomonitori ekraanile ilmuda heledus või valge tasakaalu hõljuv efekt, mis raskendab oluliselt. operaatori töö. Elektriliselt juhitava avaga objektiivi ühendamiseks peab kaameral olema AI (autoiris) ja/või DD/DC (otsene juhtimine) ja potentsiomeeter otsejuhtimissignaali taseme reguleerimiseks.

Kaasaegsetel objektiividel on nende mõõtmete vähendamise tõttu tavaliselt otsejuhtimine, seega peab kaameral olema objektiivi juhtimiseks sisseehitatud elektroonika.

Märge- välistingimustes paigaldamiseks mõeldud kaameratel peab olema ARD, mis peaks tagama töö laias valgustusvahemikus (vähemalt 1 luksist öösel kuni 100 000 luksini eredal päikesepaistelisel päeval).

Automaatne võimenduse juhtimine (AGC) - kaamera võime muuta videotee võimendust sõltuvalt videosignaali tasemest. AGC silub signaali taseme muutusi ja võimaldab saada monitoril vastuvõetava pildi, kui objekt on ebapiisavalt valgustatud. Tavaliselt on võimenduse reguleerimise vahemik piiratud 12-20 dB-ga (4-10 korda suurem võimenduse kasv põhjustab videosignaalis märkimisväärset müra ja selle tulemusena pildi halvenemist).

Gamma – videosignaali korrigeerimine (y-korrektsioon) - videosignaali mittelineaarne moonutus paremaks taasesituseks. Gammakorrektsioon seisneb videosignaali esialgses moonutamises, et suurendada monitoril oleva pildi kontrastsust. Gammasignaali korrektsiooniga kaameratel on kas konstantne koefitsient

y - 0,45 (mõnikord 0,25),

Või käsitsi muudetud (näiteks y - 0,25/0,45/1).

Taustvalguse kompenseerimine(kaamera heleduse kompenseerimine ereda valgusega tagant valgustatud objekti vaatlemisel) - kaamera võime automaatselt säriaja ja võimenduse parameetrid valitud pildiosa jaoks. Üsna sageli kasutatakse “Back Light Compensation” süsteemi, mis võimaldab automaatselt juhtida ava, säriaega, võimendust jms ning on orienteeritud ekraani keskosale. Keerulisemates mudelites kohanduvad kaadri erinevad osad valgustingimustega üksteisest sõltumatult, mis parandab pildikvaliteeti.

Heli kanal - tagab kaitstud (kontrollitud) ruumi akustilise jälgimise mikrofoni abil. Kahesuunalise helikanali korraldamiseks (näiteks sisekommunikatsioonisüsteemides) on lisaks mikrofonile paigaldatud ka kõlar.

Toitepinge. Enamik kaameraid saab toite kas 220 V/50 Hz vahelduvvooluvõrgust või 12 V alalisvoolu allikatest. Viimasel ajal kasutatakse järjest harvemini 24 V vahelduvvoolu pinget. Üksikuid kaameraid saab kasutada mitme kaamera toiteks iga kaamera allikad või ühine allikas. Viimasel juhul tuleb arvestada kaamerate kogutarbimisega. Tuleb meeles pidada, et värvikaamerad on väga tundlikud võrgu pingemuutuste suhtes. Seetõttu tuleks nende toiteks kasutada spetsiaalseid stabiliseeritud allikaid.

Üldine lähenemisviis toiteallika valimisel on 30% toitevoolu varu toiteallika maksimaalsetest võimalustest. Fakt on see, et maksimaalsete koormuste korral suureneb pulsatsioonipinge seadme väljunditel järsult ja põhikomponendid hakkavad töötama ülepingerežiimis, mis mõjutab toitepinge kvaliteeti ja toiteallika vastupidavust.

Selle probleemi teine ​​aspekt on see, et paljud kaamerad ei luba toiteahelates üle 13–14 V ülepinget ning enamiku toiteallikate toitepinge on vahemikus 12–14–15 V, mis põhjustab kaamerate rikke. Enamik turvasüsteeme on mõeldud suurte toitepingevahemike jaoks ja toiteallikate arendajad püüavad seda hetke maksimaalselt ära kasutada, s.t. nimitoitepingega 12 V, väljund 13-15 V toiteallikast Seega on pika juhtme pikkusega oomilise takistuse tõttu võimalik 2-3 V langus. Televisioonis on selline lähenemine vastuvõetamatu, kui toitepinget pole võimalik sujuvalt muuta. Seda funktsiooni tuleb toiteallika kaubamärgi valimisel arvestada. Soovitav on, et toiteallikal oleks võimalus toitepinget diskreetselt muuta 0,1-0,4 V sammuga, mis võimaldab luua kaamera sisendis optimaalseid toitepingeid.

Traadi ristlõige tuleks valida vastavalt pingelangule kaabli pikkuses. Lisas E on näidatud vajalikud kaabli ristlõiked sõltuvalt kaabli pikkusest ja koormusvoolust pingelangusega mitte rohkem kui 5%.

Värvikaamerate puhul on olulised järgmised omadused: automaatne valge tasakaal, st kaamera võime tagada õige värvide taasesitamine vaadeldavate objektide valgustingimuste muutumisel ja värvisignaali kodeerimise standard.

Praegu kasutab COT peamiselt värvikaameraid. Mustvalgetel kaameratel on aga parem eraldusvõime, suurem dünaamiline ulatus ja tundlikkus. Värvikaameraid on vaja paigaldada peamiselt sinna, kus on vaja teada objekti (näiteks auto) värvi, st parklates, tanklates jne.

Olenevalt süsteemile esitatavatest nõuetest saab kaameraid varustada erinevate seadmetega: objektiivid, kaitse- või dekoratiivkatted, termostaadid, kronsteinid, pöörlevad seadmed jne.

2.1.2. Objektiivid

Objektiiv on seade, mis moodustab maatriksi tasapinnal oleva objekti kujutise. Ilmselgelt ei saa telekaamera ilma objektiivita töötada. Objektiivi saab kaamerasse sisse ehitada või vahetada.

Kui kaameral ei ole sisseehitatud objektiivi, sisaldab selle konstruktsioon kinnitusüksust vahetatavate objektiivide paigaldamiseks. Kaamerale objektiivi valides pidage meeles, et kasutatakse kahte tüüpi standardset kinnitusviisi:

Tüüp "C" ("C-kinnitus")- standardne keermestatud läätsede paigaldamiseks. 1-tolline (2,54 mm) keere, 32 TPI, tagumise ääriku ja stantsi vahekaugus 0,69 tolli (17,526 mm). C-objektiivide ja CS-kaamerate kombineerimiseks on vaja adapterrõngast;

Tüüp "CS" ("CS-mount")- standardne keermestatud objektiivi paigaldamisel, keerme on identne C-kinnitusega, kuid kaugus tagumise ääriku ja maatriksi vahel on vähendatud 12,5 mm-ni. CS-objektiive saab kasutada ainult CS-kaameratega. Seda tüüpi kinnitus on muutumas üha tavalisemaks tänu kaamerate miniaturiseerimisele.

"C" kinnitusega kaameratele sobivad ainult "C" tüüpi objektiivid. Kui kaameral on “CS” seade, siis sobivad sellele spetsiaalse adapterrõngaga “CS” ja “C” objektiivid. Kaamerale objektiive valides tuleb meeles pidada, et need on tavaliselt mõeldud kindla formaadiga maatriksi jaoks.

Varjatud jälgimiseks mõeldud miniatuursetel kaameratel on spetsiaalne fiiberoptilise kaabliga kinnitus, mille otsa on kinnitatud spetsiaalne “pinhole” objektiiv pupilli läbimõõduga 0,9–2 mm.

Suhteline auk F - maatriksi valgustuse määrab ava läbimõõdu ja selle fookuskauguse suhe. Mida madalam on F väärtus, seda rohkem valgusenergiat projitseeritakse kaamera maatriksile.

Suhtelise ava suuruse järgi jagatakse objektiivid järgmisteks osadeks:

ülikiire 0,7 kuni 2;

Ava 2,8 kuni 4,5;

Madal ava vahemikus 5,6 kuni 16.

Objektiivid on sfäärilised ja asfäärilised (vt joonis 3). Kõik need läätsed võivad olla kaetud või tavalise optikaga.

Kaetud optika vähendab valguse hajumist mööda valguse voolu maatriksisse. Läätses valguse hajumise vähendamiseks kaetakse õhuga kokkupuutuvatele läätsedele spetsiaalne kate ja selliseid läätsi nimetatakse "kaetud läätsedeks".

Kaetud läätsede puhul nõrgeneb valgusvoog keskmiselt 10%, katmata läätse puhul aga ulatub sumbumine 33%-ni.

Sfäärilised läätsed on laiemalt levinud tänu sellele, et need on valmistatud sfäärilistest läätsedest, mille tootmine on odav ja tehnoloogiliselt arenenud.

Küll aga on neil miinuseid – nn sfäärilised aberratsioonid, mis halvendavad pildikvaliteeti (resolutsiooni) ja piiravad maksimaalset võimalikku ava avanemist (selliste objektiivide F-arv on tavaliselt F1,2 – F1,4 väärtusega).

Asfääriline lääts erineb välimuselt sfäärilistest läätsedest esiläätse tüübi poolest. Selliste objektiivide puhul on aberratsioonimoonutused ebaolulised, mis võimaldab nende F-arvuks olla F0,75 - F0,8. Nii väike F-arv võimaldab keskmiselt kolmekordset suurendada videokaamerale läbivat valgusvoogu.

Asfäärilise optika kasutamine on õigustatud ka juhtudel, kui vaatlusala valgustuse puudumist ei ole võimalik muul viisil kompenseerida.

Märge- objektiivi eraldusvõime peab vastama telekaamera maatriksi eraldusvõimele (objektiivi eraldusvõime määratluse kohta vt lisa F).

Joonis 3 – erineva disainiga objektiivid

Fookuskaugus f (mm) - iseloomustab kaamera teatud optilise formaadi vaatenurga suurust. Mida lühem on fookuskaugus, seda suurem on vaadeldava ruumi vaatenurk ja vastupidi. Väga suurte vaatenurkade juures (umbes 90-120° või rohkem) on aga pildi detaile üsna raske ja kohati võimatu näha. Operaatori jaoks on kõige vastuvõetavam vaatenurk 60-70°, kuna saadud pilt ühtib hästi inimese nägemise omadustega. Pika fookuskaugusega objektiive kasutatakse siis, kui on vaja väikestest detailidest selget pilti saada.

Praktikas jagatakse läätsed vastavalt tabelile 1 nende vaatenurga järgi järgmistesse rühmadesse.

Tabel 1. Objektiivide vaatenurk

Märge- kaamera vaatenurk sõltub maatriksi formaadist, seega 1/2-tollise kristalli formaadi puhul annab objektiivi fookuskaugus f 4,8-12 mm horisontaalseks vaatenurgaks ligikaudu 30-67 kraadi , ja 1/3-tollise kristallvormingu jaoks sarnaste vaatenurkade tagamiseks on vaja kasutada objektiive fookuskaugusega 3,6–8 mm. Enamasti annab 3,6 - 16 mm fookuskaugusega objektiivide kasutamine täieliku lahenduse televalve probleemidele.

Objektiivide fookuskauguse valikul on soovitatav kasutada spetsiaalset tarkvaratoodet (programmi) või kalkulaatorit, millel on võimalus automaatselt arvutada kaamera vaatevälja nurk sõltuvalt vedrustuse kõrgusest, kaldenurgast, fookuskaugusest. objektiivist jne.

Suumi - seade, mis võimaldab fookuskaugust laias vahemikus muuta (ZOOM funktsioon). Suumobjektiividega varustatud objektiive nimetatakse varifokaalsed läätsed. Fookuskaugust saab muuta käsitsi või servojuhtimisega. Muutuvaid läätsi kasutatakse nende kõrge hinna tõttu vaid juhtudel, kui on vaja mõne väikese detaili pilti kiiresti suurendada (näiteks isikutuvastus).

Reeglina on PTZ-kaamerad varustatud servo-juhitava suumiga. PTZ- või kuppelkaamerate kasutamine on aga sageli põhjendamatu, kuna selliste kaamerate käsitsi juhtimine on ebaefektiivne. Palju efektiivsem on kasutada mitut statsionaarset kaamerat võimalikult laia vaatevälja saamiseks.

Perimeetri turvalisuse eesmärgil on kõige ratsionaalsem kasutada suumobjektiiviga varustatud PTZ- või kuppelkaameraid. Seejärel antakse neile statsionaarsete kaamerate või valvesignalisatsioonide abil sihtmärk.

2.1.3. Korpused sise- ja välistingimustes kasutamiseks

Disaini järgi võib telekaamerad jagada raamitud ja kaadrita. Raamita kaamerad on korpuses olevate kaameratega võrreldes oluliselt väiksemate mõõtmete ja maksumusega ning neid kasutatakse sageli varjatud valvesüsteemides. Avatud sisevalve kaamerad on paigutatud kaitsvatesse korpustesse (ümbristesse), mis on erineva kuju, mõõtmete, kinnituskujundusega (lagi, sein, nurk) ja võimaldavad valida konkreetse interjööri jaoks sobivaima disaini. Välistingimustes kasutatavad kaamerad asetatakse kaitseümbristesse, mis on varustatud kütte-survekestaga. Hermeetilised korpused on loodud töötama mitmesugustes kliimatingimustes ja võimaldavad kasutada erinevaid telekaamerate ja objektiivide kombinatsioone. Korpus on varustatud päikesesirmi (või filtriga), kaamera paigalduskoha, termostaadi ja lülitipaneeliga. Mõnel rõhu all oleval korpusel on lisavarustus – ventilaatorid, klaasipuhastid, klaasipesurid. Tuleb märkida, et imporditud kütteseadmed ei vasta alati meie kliimatingimustele ega ole mõeldud tugevate külmade jaoks.

2.1.4. Pöörlevad seadmed

PTZ-seadmed on mõeldud kaugjuhitavate kaamerate jaoks. Need pakuvad pöörlemist horisontaalsel (kuni + 365°) ja vertikaalsel (kuni ±183°) tasapinnal või ainult horisontaaltasapinnal. Pöörlevad seadmed on konstantse ja reguleeritava liikumisnurkkiirusega. Kaamera juhtsignaalid teisendatakse telemeetriliste juhtsignaalide vastuvõtjate abil kindlaksmääratud mehaanilisteks liikumisteks.

Reeglina on kaasas ka juhtpaneelid koos pöörlevate seadmetega, millelt saab ka objektiivi suumiga manipuleerida, kui on vaja pilti suurendada.

Kahjuks pole PTZ-seadme ja juhtpaneeli (või videoserveri) vahel ühtset standardset vahetusprotokolli. Seetõttu on vaja arvestada nende seadmete omavahelist ühilduvust. Nende seadmete kirjeldustes on reeglina ette nähtud võimalikud vahetusvormingud, seega tuleb COT-seadmete varustamisel sellega arvestada.

2.1.5. Sulgudes

Klambreid kasutatakse kaamerate kinnitamiseks seintele, paneelidele ja muudele tugistruktuuridele ning need võimaldavad teil kaamera vaatevälja täpselt soovitud suunas suunata. Seal on kronsteinid horisontaalpindadele, vertikaalpindadele, teleskooppindadele jne. Klambrite konstruktsiooni määravad peamiselt esteetilised nõuded ja koormus: mitusada grammi kaaluvad kaamerad kinnitatakse kronsteinidele siseruumides kasutamiseks ja mitu kilogrammi kaaluvad klambrid välistingimustes kasutamiseks. .

Üldine teave CCD maatriksite kohta.

Praegu kasutavad enamik pildivõtusüsteeme valgustundliku seadmena CCD-maatriksit (laenguga seotud seade).

CCD maatriksi tööpõhimõte on järgmine: räni baasil luuakse valgustundlike elementide maatriks (akumulatsioonisektsioon). Igal valgustundlikul elemendil on omadus koguda laenguid proportsionaalselt seda tabavate footonite arvuga. Seega saadakse teatud aja jooksul (säriaeg) akumulatsiooniosas kahemõõtmeline laengute maatriks, mis on võrdeline algse kujutise heledusega. Kogunenud laengud kantakse algselt üle salvestussektsiooni ning seejärel rida-realt ja pikselhaaval maatriksi väljundisse.

Säilitussektsiooni suurus akumulatsiooniosa suhtes on erinev:

• kaadri kohta (kaadriülekandega maatriksid progressiivseks skaneerimiseks);
• poolkaadri kohta (kaadriülekandega maatriksid põimitud skaneerimiseks);

Samuti on maatrikseid, milles salvestussektsioon puudub, ja seejärel viiakse ridade ülekandmine läbi otse kogumissektsiooni. Ilmselgelt on selliste maatriksite toimimiseks vajalik optiline katik.

Kaasaegsete CCD-maatriksite kvaliteet on selline, et laeng jääb ülekandeprotsessi ajal praktiliselt muutumatuks.

Vaatamata telekaamerate näilisele mitmekesisusele on neis kasutatavad CCD maatriksid praktiliselt samad, kuna CCD maatriksite mass- ja suuremahulist tootmist teostavad vaid vähesed ettevõtted. Need on SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

CCD maatriksite peamised parameetrid on järgmised:

• mõõde pikslites;
• füüsiline suurus tollides (2/3, 1/2, 1/3 jne). Pealegi ei määra numbrid ise tundliku ala täpset suurust, vaid pigem määravad seadme klassi;
• tundlikkus.

CCD-kaamerate eraldusvõime.

CCD-kaamerate eraldusvõime määrab peamiselt CCD maatriksi suurus pikslites ja objektiivi kvaliteet. Mingil määral võib seda mõjutada kaamera elektroonika (kui see on halvasti tehtud, võib see eraldusvõimet halvendada, kuid tänapäeval teevad nad harva midagi ausalt öeldes halba).

Siin on oluline teha üks märkus. Mõnel juhul paigaldatakse kaameratesse kõrgsageduslikud ruumifiltrid nähtava eraldusvõime parandamiseks. Sel juhul võib väiksemast kaamerast saadud objekti pilt tunduda isegi teravam kui sama objekti pilt, mis on objektiivselt saadud parema kaameraga. Muidugi on see vastuvõetav, kui kaamerat kasutatakse visuaalses valvesüsteemides, kuid see on täiesti sobimatu mõõtesüsteemide ehitamiseks.

CCD maatriksite eraldusvõime ja formaat.

Praegu toodavad erinevad ettevõtted CCD maatrikseid, mis hõlmavad laias valikus mõõtmeid mitmesajast kuni mitme tuhandeni. Nii teatati maatriksist, mille mõõtmed on 10000x10000, ja see sõnum märkis mitte niivõrd selle maatriksi maksumuse probleemi, kuivõrd saadud kujutiste salvestamise, töötlemise ja edastamise probleemi. Nagu me teame, on tänapäeval enam-vähem laialdaselt kasutusel maatriksid mõõtmetega kuni 2000x2000.

Kõige laiemalt ehk täpsemalt massiliselt kasutatavate CCD maatriksite hulka kuuluvad kindlasti ka telestandardile orienteeritud resolutsiooniga maatriksid. Need on peamiselt kahes vormingus maatriksid:

• 512*576;
• 768*576.

512*576 maatriksit kasutatakse tavaliselt lihtsates ja odavates videovalvesüsteemides.

Maatriksid 768*576 (mõnikord veidi rohkem, vahel veidi vähem) võimaldavad saada standardse telesignaali jaoks maksimaalse eraldusvõime. Samal ajal, erinevalt 512*576 formaadis maatriksitest, on neil valgustundlike elementide ruudustiku paigutus ruudu lähedal ja seega võrdne horisontaalne ja vertikaalne eraldusvõime.

Sageli näitavad kaameratootjad eraldusvõimet televisiooniliinides. See tähendab, et kaamera võimaldab näha heledal taustal N/2 tumedat vertikaalset tõmmet, mis on paigutatud pildiväljale kirjutatud ruutu, kus N on deklareeritud teleridade arv. Tavalise telerilaua puhul eeldab see järgmist: kauguse valimisel ja tabeli kujutise teravustamise teel tuleb tagada, et monitoril oleva tabeli kujutise ülemine ja alumine serv langeksid kokku laua väliskontuuriga, tähistatud mustade ja valgete prismade tippudega; seejärel loetakse pärast lõplikku alafookustamist arv vertikaalkiilu kohas, kus vertikaalsed löögid esimest korda enam ei lahene. Viimane märkus on väga oluline, sest... ja 600 või enama joonega tabeli testväljade kujutisel on sageli näha vahelduvad triibud, mis tegelikult on muareed, mis on moodustunud tabeli joonte ja tundlike elementide ruudustiku ruumiliste sageduste löömisel. CCD maatriks. See efekt on eriti väljendunud kõrgsageduslike ruumifiltritega kaamerates (vt eespool)!

Tahaksin märkida, et kui kõik muud asjad on võrdsed (seda saab peamiselt mõjutada objektiiv), määrab must-valgete kaamerate eraldusvõime üheselt CCD maatriksi suuruse järgi. Nii et 768 * 576 formaadis kaamera eraldusvõime on 576 telerida, kuigi mõnes prospektis leiate väärtuse 550 ja teistes 600.

Objektiiv.

CCD rakkude füüsiline suurus on peamine parameeter, mis määrab objektiivi eraldusvõime nõude. Teine selline parameeter võib olla nõue tagada maatriksi töö kerge ülekoormuse tingimustes, mida arutatakse allpool.

1/2-tollise SONY ICX039 maatriksi puhul on piksli suurus 8,6 µm* 8,3 µm. Seetõttu peab objektiivi eraldusvõime olema parem kui:

1/8.3*10e-3= 120 rida (60 paari joont millimeetri kohta).

1/3-tolliste maatriksite jaoks valmistatud objektiivide puhul peaks see väärtus olema veelgi suurem, kuigi see, kummalisel kombel, ei mõjuta kulusid ega sellist parameetrit nagu ava, kuna need objektiivid on valmistatud, võttes arvesse pildi moodustamise vajadust maatriksi väiksemal valgustundlikul väljal. Sellest järeldub ka, et väiksemate maatriksite läätsed ei sobi suurte maatriksite jaoks, kuna suurte maatriksite servades on oluliselt halvenenud omadused. Samal ajal võivad suurte andurite objektiivid piirata väiksematelt anduritelt saadavate piltide eraldusvõimet.

Kahjuks on telekaamerate objektiivide tänapäevase rohkuse juures väga raske saada teavet nende eraldusvõime kohta.

Üldiselt ei vali me objektiive sageli, kuna peaaegu kõik meie kliendid paigaldavad olemasolevale optikale videosüsteeme: mikroskoobid, teleskoobid jne, seega on meie teave objektiivide turu kohta märkmetena. Võime vaid öelda, et lihtsate ja odavate objektiivide eraldusvõime jääb vahemikku 50-60 paari joont mm kohta, millest üldiselt ei piisa.

Teisest küljest on meil andmeid, et Zeissi toodetud spetsiaalsed objektiivid eraldusvõimega 100-120 joonepaari millimeetri kohta maksavad üle 1000 dollari.

Seega on objektiivi ostmisel vaja läbi viia eeltestimine. Pean ütlema, et enamik Moskva müüjaid pakub testimiseks objektiive. Siinkohal on kohane meenutada veel kord moire efekti, mille olemasolu, nagu eespool märgitud, võib maatriksi eraldusvõime osas eksitada. Niisiis näitab moire'i olemasolu tabeli lõikude pildil, mille tõmme on objektiivi suhtes üle 600 telerea, viimase eraldusvõime teatud reservi, mis muidugi ei tee haiget.

Veel üks, võib-olla oluline märkus neile, kes on huvitatud geomeetrilistest mõõtmistest. Kõigil objektiividel on ühel või teisel määral moonutusi (kujutise geomeetria nõelakujuline moonutus) ja mida lühem on objektiiv, seda suuremad on need moonutused reeglina. Meie arvates on objektiividel, mille fookuskaugus on suurem kui 8-12 mm, vastuvõetavad moonutused 1/3" ja 1/2" kaamerate jaoks. Kuigi "vastuvõetavuse tase" sõltub muidugi ülesannetest, mida telekaamera peab lahendama.

Pildi sisendkontrollerite eraldusvõime

Pildisisendi kontrollerite eraldusvõime all tuleb mõista kontrolleri analoog-digitaalmuunduri (ADC) teisendussagedust, mille andmed salvestatakse seejärel kontrolleri mällu. Ilmselgelt on digiteerimissageduse suurendamisel ka mõistlik piir. Pideva valgustundliku kihi struktuuriga seadmete puhul, näiteks vidikonid, on optimaalne digiteerimissagedus võrdne vidikoni kasuliku signaali kahekordse ülemise sagedusega.

Erinevalt sellistest valgusdetektoritest on CCD maatriksitel diskreetne topoloogia, mistõttu nende jaoks määratakse optimaalne digiteerimissagedus maatriksi väljundregistri nihkesagedusena. Sel juhul on oluline, et kontrolleri ADC töötaks sünkroonselt CCD maatriksi väljundregistriga. Ainult sel juhul on võimalik saavutada parim konversioonikvaliteet nii saadud kujutiste “jäika” geomeetria tagamise kui ka taktimpulsside ja siirdeprotsesside müra minimeerimise seisukohalt.

CCD-kaamerate tundlikkus

Alates 1994. aastast kasutame oma seadmetes ICX039 CCD maatriksil põhinevaid SONY kaardikaameraid. Selle seadme SONY kirjeldus näitab, et objektil, mille objektiivi ava on 1,4, on tundlikkus 0,25 luksi. Juba mitu korda oleme kohanud sarnaste parameetritega kaameraid (suurus 1/2 tolli, eraldusvõime 752*576) ja mille deklareeritud tundlikkus on 10 või isegi 100 korda suurem kui “meie” SONY omal.

Kontrollisime neid numbreid mitu korda. Enamasti leidsime erinevate firmade kaamerates sama ICX039 CCD maatriksi. Pealegi olid kõik “torustiku” mikroskeemid samuti SONY valmistatud. Ja võrdlev testimine näitas kõigi nende kaamerate peaaegu täielikku identiteeti. Milles siis küsimus?

Ja kogu küsimus on selles, millise signaali-müra suhtega (s/n) määratakse tundlikkus. Meie puhul näitas SONY firma kohusetundlikult tundlikkust s/n = 46 dB juures, samas kui teised firmad kas ei näidanud seda või näitasid seda nii, et jääb arusaamatuks, mis tingimustel need mõõtmised tehti.

See on üldiselt enamiku kaameratootjate tavaline nuhtlus – kaamera parameetrite mõõtmise tingimuste täpsustamata jätmine.

Fakt on see, et S/N suhte nõude vähenedes suureneb kaamera tundlikkus pöördvõrdeliselt nõutava S/N suhte ruuduga:

Kus:
I - tundlikkus;
K - teisendustegur;
s/n – s/n suhe lineaarsetes ühikutes,

Seetõttu on paljudel ettevõtetel kiusatus näidata kaamera tundlikkust madala S/N suhtega.

Võime öelda, et maatriksite võime "näha" paremini või halvemini sõltub selle pinnale langevatest footonitest muundatud laengute arvust ja nende laengute väljundisse edastamise kvaliteedist. Kogunenud laengute suurus sõltub valgustundliku elemendi pindalast ja CCD maatriksi kvantefektiivsusest ning transpordi kvaliteedi määravad paljud tegurid, mis sageli taanduvad ühele asjale - lugemismürale. Kaasaegsete maatriksite näidumüra on suurusjärgus 10-30 elektroni või isegi vähem!

CCD-maatriksite elementide pindalad on erinevad, kuid televisioonikaamerate 1/2-tolliste maatriksite tüüpiline väärtus on 8,5 µm * 8,5 µm. Elementide suuruse suurenemine toob kaasa maatriksite endi suuruse suurenemise, mis suurendab nende maksumust mitte niivõrd tootmishinna tegeliku tõusu tõttu, vaid seetõttu, et selliste seadmete seeriatootmine on mitu suurusjärku väiksem. Lisaks mõjutab maatriksi topoloogia valgustundliku tsooni pindala sel määral, et tundlik ala (täitmistegur) hõivab protsendi kristalli kogupinnast. Mõnes erimaatriksis on täiteteguriks märgitud 100%.

Kvantefektiivsus (kui palju keskmiselt muutub tundliku raku laeng elektronides, kui üks footon langeb selle pinnale) on tänapäevaste maatriksite puhul 0,4-0,6 (mõne ilma õitsenguta maatriksi puhul ulatub see 0,85-ni).

Seega on näha, et CCD-kaamerate tundlikkus, mis on seotud teatud S/N väärtusega, on jõudnud füüsilise piiri lähedale. Meie järelduse kohaselt jäävad üldkasutusega kaamerate tüüpilised tundlikkuse väärtused s/w = 46 korral objekti valgustatuse vahemikku 0,15–0,25 luksi objektiivi avaga 1,4.

Sellega seoses ei soovita me pimesi usaldada telekaamerate kirjeldustes näidatud tundlikkuse näitajaid, eriti kui selle parameetri määramise tingimusi pole antud ja kui näete passis kuni 500 dollarit maksva kaamera tundlikkust 0,01-0,001 luksi telerirežiimis, siis enne olete näide pehmelt öeldes ebaõigest teabest.

CCD-kaamerate tundlikkuse suurendamise viisidest

Mida teha, kui teil on vaja pildistada väga nõrka objekti, näiteks kauget galaktikat?

Üks viis selle lahendamiseks on aja jooksul pilte koguda. Selle meetodi rakendamine võib oluliselt suurendada CCD tundlikkust. Loomulikult saab seda meetodit rakendada statsionaarsete vaatlusobjektide puhul või juhtudel, kui liikumist saab kompenseerida, nagu seda tehakse astronoomias.

Joonis 1 Planetaarne udukogu M57.

Teleskoop: 60 cm, säritus - 20 sek., temperatuur särituse ajal - 20 C.
Udu keskmes on täheobjekt, mille suurus on 15.
Pildi hankis V. Amirkhanjan Venemaa Teaduste Akadeemia Spetsiaalses Astrofüüsika Observatooriumis.

Mõistliku täpsusega võib väita, et CCD-kaamerate tundlikkus on otseselt võrdeline säriajaga.

Näiteks tundlikkus 1 sekundilise säriaega võrreldes algse 1/50 sekundiga suureneb 50 korda, s.o. see on parem - 0,005 luksi.

Loomulikult on sellel teel probleeme ja see on ennekõike maatriksite tume vool, mis toob kaasa laenguid, mis kogunevad samaaegselt kasuliku signaaliga. Tumevoolu määrab esiteks kristalli valmistamise tehnoloogia, teiseks tehnoloogia tase ja loomulikult väga suurel määral ka maatriksi enda töötemperatuur.

Tavaliselt jahutatakse maatriksid pikkade, suurusjärgus minutite või kümnete minutite kogunemisaegade saavutamiseks miinus 20-40 kraadini. C. Maatriksite selliste temperatuurideni jahutamise probleem on lahendatud, kuid on lihtsalt võimatu öelda, et seda ei saa teha, kuna kaitseklaaside udustumise ja kuuma ristmikult soojuse eraldumisega on alati seotud konstruktsiooni- ja tööprobleemid. termoelektriline külmkapp.

Samal ajal on CCD maatriksite tootmise tehnoloogiline areng mõjutanud ka sellist parameetrit nagu tumevool. Siin on saavutused väga märkimisväärsed ja mõne hea moodsa maatriksi tume vool on väga väike. Meie kogemuse kohaselt võimaldavad jahutuseta kaamerad toatemperatuuril säritada kümnete sekunditega ja tumeda tausta kompensatsiooniga kuni mitu minutit. Siin on näiteks foto planetaarsest udukogust M57, mis on saadud videosüsteemiga VS-a-tandem-56/2 ilma jahutamiseta 20 s säritusega.

Teine viis tundlikkuse suurendamiseks on elektronoptiliste muundurite (EOC) kasutamine. Pildivõimendid on seadmed, mis suurendavad valgusvoogu. Kaasaegsetel pildivõimenditel võivad olla väga suured võimendusväärtused, kuid detailidesse laskumata võib öelda, et pildivõimendite kasutamine võib ainult parandada kaamera läve tundlikkust ning seetõttu ei tohiks selle võimendust liiga suureks muuta.

CCD-kaamerate spektraalne tundlikkus

Joonis 2 Erinevate maatriksite spektraalkarakteristikud

Mõne rakenduse puhul on CCD spektraalne tundlikkus oluline tegur. Kuna kõik CCD-d on valmistatud räni baasil, vastab CCD spektraalne tundlikkus nende "paljalt" kujul sellele räni parameetrile (vt joonis 2).

Nagu näete, on CCD-maatriksitel kõigi erinevate omadustega maksimaalne tundlikkus punases ja lähiinfrapuna (IR) vahemikus ega näe spektri sini-violetses osas absoluutselt mitte midagi. CCD-de IR-lähedast tundlikkust kasutatakse IR-valgusallikatega valgustatud varjatud valvesüsteemides, samuti kõrge temperatuuriga objektide soojusväljade mõõtmisel.

Riis. 3 SONY must-valgete maatriksite tüüpilised spektraalomadused.

SONY toodab kõik oma must-valged maatriksid järgmiste spektrikarakteristikutega (vt joonis 3). Nagu sellelt jooniselt näha, on CCD tundlikkus lähi-IR-s oluliselt vähenenud, kuid maatriks hakkas tajuma spektri sinist piirkonda.

Erinevatel erieesmärkidel töötatakse välja ultraviolett- ja isegi röntgenikiirguse suhtes tundlikke maatrikseid. Tavaliselt on need seadmed ainulaadsed ja nende hind on üsna kõrge.

Progressiivsest ja põimitud skaneerimisest

Standardne televisioonisignaal töötati välja ringhäälingu televisioonisüsteemi jaoks ning tänapäevaste pildisisestus- ja -töötlussüsteemide seisukohalt on sellel üks suur puudus. Kuigi telesignaal sisaldab 625 rida (millest umbes 576 sisaldab videoinfot), kuvatakse järjestikku 2 poolkaadrit, mis koosnevad paarisjoontest (paaris poolkaader) ja paaritutest joontest (paaritu poolkaader). See toob kaasa asjaolu, et liikuva kujutise sisestamisel ei saa analüüsis kasutada Y eraldusvõimet, mis on suurem kui ridade arv ühes poolkaadris (288). Lisaks põhjustab tänapäevastes süsteemides pildi visualiseerimisel arvutimonitoril (millel on progressiivne skaneerimine) objekti liikumise ajal põimitud kaamera pildisisend ebameeldiva visuaalse efekti kahekordistumisel.

Kõik selle puuduse vastu võitlemise meetodid viivad vertikaalse eraldusvõime halvenemiseni. Ainus viis selle puuduse ületamiseks ja CCD eraldusvõimele vastava eraldusvõime saavutamiseks on lülituda CCD-s progressiivsele skaneerimisele. CCD tootjad toodavad selliseid maatrikseid, kuid väikese tootmismahu tõttu on selliste maatriksite ja kaamerate hind tunduvalt kõrgem kui tavapärastel. Näiteks SONY maatriksi hind progressiivse skaneerimisega ICX074 on 3 korda kõrgem kui ICX039 (interlace scan).

Muud kaamera valikud

Need teised hõlmavad sellist parameetrit nagu "õitsemine", st. laengu levimine üle maatriksi pinna, kui selle üksikud elemendid on ülevalgustatud. Praktikas võib selline juhtum ette tulla näiteks helkivate objektide vaatlemisel. See on CCD-de puhul üsna ebameeldiv mõju, kuna mõned heledad laigud võivad kogu pilti moonutada. Õnneks sisaldavad paljud kaasaegsed maatriksid õitsemisvastaseid seadmeid. Nii leidsime mõnede viimaste SONY maatriksite kirjeldustest 2000, mis iseloomustab üksikute elementide lubatud kerget ülekoormust, mis veel ei too kaasa laengu levikut. See on üsna kõrge väärtus, eriti kuna selle tulemuse saab, nagu meie kogemused on näidanud, ainult maatriksit ja videosignaali eelvõimenduskanalit otseselt juhtivate draiverite spetsiaalse reguleerimisega. Lisaks annab objektiiv oma panuse ka eredate punktide "levitamisel", kuna nii suure valguse ülekoormuse korral pakub isegi väike hajumine põhipunktist kaugemale naaberelementidele märgatavat valgustuge.

Siinkohal tuleb ka märkida, et mõningate andmete kohaselt, mida me ise pole kontrollinud, on õitsemisvastase maatriksitel 2 korda madalam kvantefektiivsus kui ilma õitsenguta maatriksitel. Sellega seoses võib väga kõrget tundlikkust nõudvates süsteemides olla mõttekas kasutada ilma õitsenguvastaste maatriksiteta (tavaliselt on need eriülesanded, näiteks astronoomilised).

Värvikaamerate kohta

Selle jaotise materjalid ulatuvad mõnevõrra kaugemale meie loodud mõõtesüsteemide käsitlemisest, kuid värvikaamerate laialdane kasutamine (isegi rohkem kui mustvalge) sunnib meid seda küsimust selgitama, eriti kuna kliendid püüavad sageli kasutada mustvalgeid kaameraid meie kaameratega, valgete kaadrihaarajatega värviliste telekaameratega ja nad on väga üllatunud, kui leiavad saadud piltidelt plekke ja piltide eraldusvõime osutub ebapiisavaks. Selgitame, mis siin toimub.

Värvisignaali genereerimiseks on kaks võimalust:

• 1. ühe maatrikskaamera kasutamine.
• 2. 3 CCD-maatriksi süsteemi kasutamine värvieralduspeaga, et saada nendel maatriksitel värvisignaali R, G, B komponendid.

Teine viis tagab parima kvaliteedi ja on ainus viis mõõtesüsteemide hankimiseks, kuid sellel põhimõttel töötavad kaamerad on üsna kallid (üle 3000 dollari).

Enamasti kasutatakse ühe kiibiga CCD-kaameraid. Vaatame nende tööpõhimõtet.

Nagu on selge CCD maatriksi üsna laiadest spektriomadustest, ei saa see määrata pinda tabava footoni "värvi". Seetõttu paigaldatakse värvipildi sisestamiseks iga CCD maatriksi elemendi ette valgusfilter. Sel juhul jääb maatriksi elementide koguarv samaks. Näiteks SONY toodab must-valgete ja värviliste versioonide jaoks täpselt samu CCD-maatrikse, mis erinevad ainult selle poolest, et värvimaatriksis on valgusfiltrite ruudustik, mis kantakse otse tundlikele aladele. Maatriksvärvimisskeeme on mitu. Siin on üks neist.

Siin kasutatakse 4 erinevat filtrit (vt joonis 4 ja joon. 5).

Joonis 4. Filtrite jaotus CCD maatrikselementidel

Joonis 5. Erinevate filtritega CCD elementide spektraalne tundlikkus.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

Real A1 saadakse "punane" värvide erinevuse signaal järgmiselt:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

ja real A2 saadakse "sinine" värvide erinevuse signaal:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Siit on selgelt näha, et värvilise CCD maatriksi ruumiline lahutusvõime on sama mustvalgega võrreldes tavaliselt horisontaalselt ja vertikaalselt 1,3-1,5 korda halvem. Filtrite kasutamise tõttu on ka värvilise CCD tundlikkus halvem kui mustvalgel. Seega võime öelda, et kui teil on ühe maatriksi vastuvõtja 1000 * 800, siis tegelikult saate heledussignaali jaoks umbes 700 * 550 ja värvisignaali jaoks 500 * 400 (võimalik on 700 * 400).

Jättes tehnilised küsimused kõrvale, märgin, et reklaami eesmärgil teatavad paljud elektroonikakaamerate tootjad oma seadmete kohta täiesti arusaamatuid andmeid. Näiteks Kodaki ettevõte teatab oma DC120 elektroonilise kaamera eraldusvõimeks 1200*1000 maatriksiga 850x984 pikslit. Aga härrased, info ei ilmu tühjalt kohalt, kuigi visuaalselt näeb see hea välja!

Värvisignaali (signaal, mis kannab informatsiooni pildi värvi kohta) ruumiline eraldusvõime võib öelda, et see on vähemalt 2 korda halvem kui must-valge signaali eraldusvõime. Lisaks ei ole väljundpiksli “arvutatud” värv lähtepildi vastava elemendi värv, vaid ainult lähtepildi erinevate elementide heleduse töötlemise tulemus. Jämedalt öeldes saab objekti naaberelementide heleduse järsu erinevuse tõttu arvutada värvi, mida seal üldse pole, samas kui kaamera kerge nihe põhjustab väljundvärvi järsu muutuse. Näiteks: tumeda ja helehalli välja ääris näeb välja selline, nagu see koosneb mitmevärvilistest ruutudest.

Kõik need kaalutlused puudutavad ainult värviliste CCD maatriksite kohta teabe hankimise füüsilist põhimõtet, samas tuleb arvestada, et tavaliselt esitatakse värvikaamerate väljundis olev videosignaal ühes standardvormingus PAL, NTSC või harvemini. S-video.

PAL- ja NTSC-vormingud on head, kuna neid saab koheselt taasesitada videosisendiga tavalistel monitoridel, kuid tuleb meeles pidada, et need standardid annavad värvisignaalile oluliselt kitsama riba, mistõttu on õigem rääkida pigem värvilisest pildist. kui värviline. Veel üks värvikomponenti kandvate videosignaalidega kaamerate ebameeldiv omadus on ülalmainitud triipude ilmumine must-valgete kaadrihaarajate abil saadud pildile. Ja siin on mõte selles, et krominantssignaal asub peaaegu videosignaali riba keskel, tekitades pildikaadrisse sisenemisel häireid. Me ei näe seda häiret teleriekraanil, kuna selle "häirete" faas muudetakse pärast nelja kaadrit vastupidiseks ja keskmistatakse silma järgi. Siit ka Kliendi hämming, kes saab pildi segades, mida ta ei näe.

Sellest järeldub, et kui teil on vaja läbi viia mõned mõõtmised või objektide dešifreerimine värvi järgi, siis tuleb seda küsimust käsitleda nii ülaltoodud kui ka muid teie ülesande tunnuseid arvesse võttes.

CMOS-maatriksite kohta

Elektroonikamaailmas muutub kõik väga kiiresti ja kuigi fotodetektorite valdkond on üks konservatiivsemaid, on siin viimasel ajal lähenemas uued tehnoloogiad. Esiteks on see seotud CMOS-televisiooni maatriksite tekkimisega.

Tõepoolest, räni on valgustundlik element ja sensorina saab kasutada mis tahes pooljuhttooteid. CMOS-tehnoloogia kasutamine annab traditsioonilise tehnoloogia ees mitmeid ilmseid eeliseid.

Esiteks on CMOS-tehnoloogia hästi omandatud ja võimaldab toota elemente, millel on palju kasulikke tooteid.

Teiseks võimaldab CMOS-tehnoloogia paigutada maatriksile lisaks valgustundlikule alale ka mitmesuguseid kadreerimisseadmeid (kuni ADC-ni), mis olid varem paigaldatud “väljapoole”. See võimaldab toota digitaalse väljundiga kaameraid "ühel kiibil".

Tänu nendele eelistele on võimalik toota oluliselt odavamaid telekaameraid. Lisaks laieneb oluliselt maatrikseid tootvate ettevõtete ring.

Hetkel alles algab CMOS-tehnoloogia abil telerimaatriksite ja kaamerate tootmine. Teavet selliste seadmete parameetrite kohta on väga vähe. Võime vaid märkida, et nende maatriksite parameetrid ei ületa praegu saavutatut, nende eelised on vaieldamatud.

Toon näitena Photobit PB-159 ühekiibilise värvikaamera. Kaamera on valmistatud ühel kiibil ja sellel on järgmised tehnilised parameetrid:

• eraldusvõime - 512*384;
• piksli suurus - 7,9 µm* 7,9 µm;
• tundlikkus - 1 luks;
• väljund - digitaalne 8-bitine SRGB;
• kere - 44 PLCC jalga.

Seega kaotab kaamera tundlikkuses neli korda, lisaks on teise kaamera info põhjal selge, et sellel tehnoloogial on probleeme suhteliselt suure tumevooluga.

Digikaamerate kohta

Viimasel ajal on tekkinud ja kiiresti kasvamas uus turusegment, mis kasutab CCD ja CMOS maatriksit – digikaameraid. Lisaks on praegu nende toodete kvaliteedi järsk tõus samaaegselt järsu hinnalangusega. Tõepoolest, vaid 2 aastat tagasi maksis ainuüksi maatriks resolutsiooniga 1024*1024 umbes 3000-7000 dollarit, aga nüüd on selliste maatriksitega kaamerad ja hunnik kellasid ja vilesid (LCD ekraan, mälu, vari-objektiiv, mugav korpus jne .) saab osta vähem kui 1000 dollari eest. Seda saab seletada vaid üleminekuga maatriksite suuremahulisele tootmisele.

Kuna need kaamerad põhinevad CCD- ja CMOS-maatriksitel, kehtivad nende puhul kõik käesolevas artiklis toodud arutelud tundlikkuse ja värvisignaali moodustamise põhimõtete kohta.

Järelduse asemel

Kogutud praktiline kogemus võimaldab meil teha järgmised järeldused:

• CCD maatriksite tootmistehnoloogia on tundlikkuse ja müra poolest väga lähedal füüsilistele piiridele;
• telekaamerate turult leiate vastuvõetava kvaliteediga kaameraid, kuigi kõrgemate parameetrite saavutamiseks võib vaja minna kohandamist;
• Ärge laske end eksitada kaamera brošüürides toodud kõrge tundlikkusega näitajatest.
• Ja veel, absoluutselt identse kvaliteediga kaamerate ja isegi erinevate müüjate lihtsalt identsete kaamerate hinnad võivad erineda rohkem kui kaks korda!

1) Peab valima sisemised ja välised CCTV kaamerad. Kõigepealt peame aru saama, milliseid kaameraid me kasutada tahame, kas värvilisi või mustvalgeid? Mustvalged kaamerad on tundlikumad ja odavamad kui värvikaamerad, teisest küljest suudavad värvikaamerad jäädvustada jälgitavast objektist rohkem teavet. Värvikaamerate paigaldamisel trepikojale kehvades valgustingimustes võib selguda, et need ei lülitu värvirežiimile, s.t. neil ei ole lülitusläve ületamiseks piisavalt valgust, sel juhul pole värvivideokaameraid vaja osta.

• Videokaamera maatriksi (CCD või CMOS) valimine. Praegu kasutavad CCTV kaamerad kahte tüüpi maatriksit: CCD Ja CMOS. Nii CCD-d kui ka CMOS-andurid kasutavad valguse elektrilaenguteks muundamiseks fotoelemente. Nende maatriksite erinevus seisneb selles, kuidas saadud elektrilaenguid seejärel loetakse.

CCD eelised - Kõrge valgustundlikkus. CCD fotosilm on suurema pindalaga kui CMOS fotosilm. Igal CMOS-maatriksi fotodioodil on transistor ja sellega kaasnevate elementide "rihm", mis võtavad enda alla üsna suure ala. Teisisõnu võtab CCD-sensor vastu rohkem valgust kui CMOS-sensor, millel on suurem sensoriala, mis lihtsalt ei ole valguse suhtes tundlik. Olgu aga öeldud, et CMOS-maatrikstehnoloogiad arenevad aktiivselt ning turule ilmub üha rohkem tundlikke maatriksiid, mis jõuavad järk-järgult CCD maatriksitele järele. Praegu on kaks peamist CMOS-anduri tehnoloogiat: aktiivne piksliandur (APS) ja aktiivne veeruandur (ACS). Madal müratase. Võrreldes CMOS-iga on CCD-maatriksil minimaalne arv aktiivseid elektroonilisi elemente, mis kuumutamise tulemusena võivad kaadris termilist müra tekitada. CMOS-i eelised - Luba. Nüüd on saadaval suhteliselt odavad CMOS-andurid eraldusvõimega 10 megapikslit või rohkem. Samal ajal on CCTV-s kasutatavate CCD maatriksite maksimaalne eraldusvõime vaid 1 megapiksel. Odavad CMOS-maatriksid. CMOS-i kasutavad kaamerad on oluliselt odavamad kui nende CCD kolleegid. Kompaktsed mõõtmed ja väiksem voolutarve võimaldavad kaamerate mõõtmeid oluliselt vähendada. Füüsilise maatriksi suurus määratakse diagonaali pikkuse järgi tollides. Kaasaegsed maatriksid võivad olla järgmiste suurustega: 2/3; 1/2,7; 1/3 ja 1/4. Mida suurem on maatriksi füüsiline suurus, seda rohkem valgust langeb igale pikslile, mis mõjutab positiivselt kaamera tundlikkust.

• Videosignaali protsessor olemas kõigis analoogsetes CCTV kaamerates. See on kõige olulisem moodul, mis teostab esmast videosignaali töötlemist: reguleerib pildi heledust, värvi, kontrasti ja teeb ka keerulisemaid toiminguid. Siin on mõned populaarsed funktsioonid, mida videosignaaliprotsessor täidab:

AGC (automaatne võimenduse juhtimine)– automaatne võimenduse juhtimine (AGC) võimaldab teil signaali tugevdada ja saada vastuvõetavat pilti vähese valguse tingimustes. Tavaliselt on reguleerimisvahemik piiratud 10-kordse võimendusega, kuna suurem võimendus põhjustab videosignaalis märkimisväärset müra. AWB (automaatne valge tasakaal), või AWC (automaatne valge kompenseerimine), valge tasakaalu automaatne reguleerimine värvide taasesituse normaliseerimiseks. BLC (tagavalguse kompenseerimine) / SBLC (SuperBLC)– taustvalgustuse kompensatsioon, mis võimaldab ühtlustada objekti valgustust eredal taustal. DNR/SDNR (digitaalne müra vähendamine/ülidigitaalne müra vähendamine)- digitaalne müra vähendamise algoritm. WDR (lai dünaamiline ulatus)– laiendatud dünaamiline ulatus kvaliteetsete piltide saamiseks tingimustes, kus kaadri üks osa on tume ja teine ​​väga hele.

• Valgustundlikkus (Lx) täna on üks olulisemaid parameetreid kaamera valimisel. Kaamerat valides tuleb ennekõike muidugi tähelepanu pöörata tundlikkusele,
  spetsifikatsioonis märgitud. Minimaalset nõutavat valgustustaset mõõdetakse luksides. 1 luks tähendab, et hämaras näitab kaamera midagi, aga öösel ilma hea kunstvalgustuseta ei “näe” midagi. Välistingimustes paigaldatava kaamera vastuvõetavad indikaatorid on 0,01 luksi ja alla selle. Tabelis on võrdluseks mõned võrdlusalused:

“Lukside” arvu on aga üsna keeruline mõõta, mistõttu spetsifikatsioonis märgitud tundlikkus ei peegelda alati kaamera tegelikke võimeid. Kaamera tundlikkusest mulje saamiseks peate pöörama tähelepanu nii maatriksi suurusele kui ka selle tüübile. Mida suurem suurus, seda parem; CCD on parem kui CMOS; ACS CMOS on parem kui APS CMOS. Kuid kõige usaldusväärsem ja soovitatavam viis on loomulikult testida, salvestades mitu testvideot liikuvatest objektidest vähese valguse tingimustes.

Oluline on mõista, et vähese valgusega tingimustes halveneb kaamera eraldusvõime oluliselt. Lisaks ilmneb pikenenud säriaja tõttu liikuvate objektide hägustumise efekt. Tavaliselt, kui valgustase langeb alla kaamera määratud tundlikkuse, langeb pildikvaliteet vastuvõetamatule tasemele.

• Fookuskaugus või "vaatenurk" (F=) – see on kaugus objektiivi põhipunktist kiirte teravustamispunktini. Meie jaoks on oluline mõista, et fookuskaugus määrab stseeni jäädvustamise nurga. Mida pikem on fookuskaugus, seda väiksem on nurk ja seda suurem on näiv lähendus. Varifokaalne objektiiv, ehk muudetava fookuskaugusega objektiivil on võimalus muuta fookuskaugust ja vastavalt sellele ka nurki. On mitmeid tasulisi ja tasuta programme, mis aitavad fookuskauguse millimeetreid nurkadeks teisendada.

• Telekaamera eraldusvõime (TVL). Kaamera eraldusvõime küsimus on lihtne, kuid sageli valesti mõistetud. Kui rääkida videovalvesüsteemi (kaamera-sideliin-salvestaja-monitor) eraldusvõimest, siis süsteemi põhiosa moodustab sisendseade (st enamikul juhtudel määrab süsteemi eraldusvõime suures osas kaamera eraldusvõime järgi). Eraldusvõime on vertikaalne ja horisontaalne. Neid parameetreid mõõdetakse testdiagrammi abil.

Vertikaalne eraldusvõime- see on maksimaalne horisontaaljoonte arv, mida telekaamera suudab edastada. Seda arvu piirab CCIR/PAL standard 625 horisontaalse joonega ja EIA/NTSC standard 525 joonega. Tegelik vertikaalne eraldusvõime (mõlemal juhul) on nendest väärtustest kaugel.

Horisontaalne eraldusvõime- see on maksimaalne vertikaalsete joonte arv, mida telekaamera on võimeline edastama (Juhul, kui dokumentatsioon näitab ainult eraldusvõimet, tuleks seda mõista horisontaaleraldusvõimena). CCD-kaamerate horisontaalne eraldusvõime on tavaliselt 75% CCD-kaamera horisontaalpikslitest. Nagu eespool selgitatud, on see 4:3 kuvasuhte tulemus. Täpsemalt, horisontaalsete eraldusvõime määramiseks vertikaalsete joonte loendamisel arvestame ainult horisontaalset laiust, mis on samaväärne monitori vertikaalse kõrgusega. Selle idee on saada võrdse paksusega jooni nii vertikaalselt kui ka horisontaalselt. Seega, kui arvutame monitori laiuse vertikaalsete joonte koguarvu, tuleb need korrutada 3/4 või 0,75-ga. Kuna see on ebatavaline arvutus, nimetatakse me tavaliselt horisontaalset eraldusvõimet Teleliinid (TBL) ja mitte ainult read. Maksimaalne eraldusvõime analoogkaamerates on 600TVL.

Praktiline kogemus näitab, et inimsilmal on raskusi eraldusvõime erinevuste eristamisega, kui see on alla 50 joone. See ei tähenda, et eraldusvõime ei oleks kaamera kvaliteedi määramisel oluline tegur, vaid väike erinevus eraldusvõimes on vaevumärgatav, eriti kui see on alla 10% pikslite koguarvust.

Ühe CCD maatriksiga värvikaamerad (kasutatakse videovalvesüsteemides) on kolme värvikomponendi jaotuse tõttu väiksema eraldusvõimega kui mustvalgetel kaameratel, hoolimata asjaolust, et nende CCD maatriksite mõõtmed on samad kui mustadel ja valged kaamerad. Telesaadetes kasutatavatel kolmemaatriksilistel värvikaameratel võib olla palju suurem eraldusvõime. Ilmunud on kõrglahutusega telekaamerad, kus kolm 1-tollist maatriksit tagavad horisontaalse eraldusvõime 1000 telerea lähedal.

Signaali ja müra suhe (S/N). Signaali ja müra suhet väljendatakse detsibellides (dB). Signaali-müra suhe mõõdab, kui hea võib olla kaamera videosignaal, eriti vähese valgusega tingimustes. Müra ei saa vältida, kuid seda saab minimeerida. See sõltub peamiselt CCD maatriksi kvaliteedist, elektroonikast ja välistest elektromagnetilistest mõjutustest, aga suurel määral ka elektroonika temperatuurist. Telekaamera metallkorpus kaitseb suuresti väliste elektromagnetiliste mõjude eest (rangelt võttes on välised elektromagnetilised mõjud reeglina statsionaarsed protsessid, mistõttu ei saa neid müra alla liigitada, neid nimetatakse häireteks või häireteks. Toim.). Kaamera sees olevad müraallikad on nii passiivsed kui ka aktiivsed komponendid, seega sõltub “müratase” nende kvaliteedist, süsteemi ülesehitusest ja suurel määral ka temperatuurist.

Piltide müra on olemuselt sarnane helisalvestiste müraga. Ekraanil näib mürarikas pilt teraline või lumine, samal ajal kui värvilisel pildil võib esineda värvisähvatusi. Tugevalt mürarikkaid videosignaale võib olla raske sünkroonida ning pilt võib tunduda udune ja halva eraldusvõimega. Kaamera mürarikas pilt muutub veelgi hullemaks, kui objekti valgustus väheneb, samuti kui kasutatakse suure võimendusega AGC-d.

CCD-kaamera signaali-müra suhe on defineeritud kui signaali suhe kaamera anduri ja elektroonika poolt tekitatavasse mürasse. Kaamera tõelise signaali-müra suhte saamiseks tuleb kõik sisemised ahelad (mis ühel või teisel viisil signaali mõjutavad), sealhulgas gammakorrektsioon, AGC, elektrooniline katik ja taustvalgustuse kompenseerimise skeemid välja lülitada. Temperatuur peaks olema toatemperatuuril.

Videovalve CCD-kaamerate puhul peetakse heaks signaali-müra suhet üle 48 dB. Pidage meeles, et 3 dB signaali-müra suhte muutus tähendab müra vähenemist ligikaudu 30 protsenti, kuna videosignaali tase ei muutu. Ja kui võrrelda telekaamerat, mille signaal-müra on 48 dB, telekaameraga, millel on näiteks 51 dB, siis viimane annab oluliselt parema pildi, mis on eriti märgatav vähese valguse korral. Rääkides signaali-müra suhtest eeldame alati, et AGC on keelatud. Kui te ei lase kaameral oluliselt soojeneda, on müra väiksem.

Võrdluseks anname selle väärtuse: telesaadete CCD-kaamerate signaali-müra suhe on üle 56 dB, mis on analoogvideosignaali jaoks ülimalt hea.