Главная » ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КАМЕРЫ ДЕНЬ/НОЧЬ. ПОЧЕМУ ОНИ РАЗНЫЕ?
Статьи

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КАМЕРЫ ДЕНЬ/НОЧЬ. ПОЧЕМУ ОНИ РАЗНЫЕ?

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КАМЕРЫ ДЕНЬ/НОЧЬ. ПОЧЕМУ ОНИ РАЗНЫЕ?

Тест-драйв

Д. Довжиков, А. Кули

Введение

До недавнего времени телевизионные камеры охранного телевидения разделялись на черно-белые и цветные. По мере увеличения доли цветных камер, все больше проявлялся их главный недостаток - в 5 -10 раз более низкая чувствительность по сравнению с черно-белыми камерами. Для повышения чувствительности было предложено в ночное время переводить цветные камеры в черно-белый режим. Так появились камеры класса "день/ночь". В результате активной рекламной компании, популярность этих камер стала расти. В 2003 году уже каждая десятая модель цветной камеры выпускалась с режимом день/ночь. Если судить по все увеличивающемуся спросу, доля таких камер будет увеличиваться в ближайшие годы.

Несмотря, на, казалось бы, очевидные преимущества камер "день/ночь", мнения пользователей о них различны. Диапазон оценок очень широк, от высоких, до весьма отрицательных. Одни считают, что чувствительность камер "день-ночь" не уступает черно-белым, при отличном качестве цветного изображения в дневных условиях. Другие с возмущением говорят о том, что более плохой передачи цвета, чем у камер "день/ночь" они не видели, а чувствительность новых моделей оставляет желать лучшего. Как выяснилось, причина большого разброса мнений заключается отнюдь не в субъективизме потребителей. Дело в том, что производители цветных камер, используя понравившееся многим название "день/ночь", применяют его к совершенно разным моделям, использующим различные способы перевода цветных камер в черно-белый режим. Мы попытались разобраться в противоречивой ситуации с камерами "день/ночь" в этом тест-драйве, и дать классификацию видов таких камер.

Способы повышения чувствительности цветной камеры

Существует 5 способов увеличения чувствительности цветной камеры, которые приведены в таблице.

Способы улучшения чувствительности камер день/ночь Улучшение (раз)
Выключение сигнала цветности 1,5
Удаление ИК фильтра, установленного перед матрицей. 2,2 - 3
Увеличение коэффициента усиления видеотракта перед АЦП и увеличение разрядности тракта обработки сигнала. 1,5
Интегрирование заряда по площади в ПЗС. 2 - 10
Интегрирование заряда по времени в ПЗС. 2 - 100

Первые два способа представляют из себя операции превращения цветной камеры в черно-белую. Три последних способа увеличения чувствительности являются общими как для черно-белых, так и для цветных камер.

Современные цветные камеры построены по принципу черно/белых, с использованием одной "цветной" матрицы ПЗС или КМОП. Для того, чтобы камера могла формировать цветной сигнал в ней используют следующие составляющие:

  1. На фоточувствительные элементы матрицы ПЗС наносят специальный мозаичный цветной фильтр, например, RGB, или CMYG фильтры Байера.
  2. Перед матрицей ПЗС устанавливают отрезающий ИК область фильтр, совмещенный с пространственным фильтром.
  3. В специальном процессоре дешифрируют поступающий с матрицы ПЗС мозаичный цветной сигнал, превращая его в RGB составляющие, а затем, например, в композитный цветной сигнал системы PAL.

Каждая из приведенных выше составляющих ухудшает чувствительность телевизионной камеры.

Jpg 495x165, 20243 байт

Как показали проведенные в лаборатории ЭВС эксперименты, мозаичный фильтр Байера ухудшает чувствительность камеры примерно в 1,3 - 1,5 раза, в зависимости от того, какой его тип используется: RGB, или субстрактивный CMYG. ИК - пространственный фильтр снижает чувствительность от 2,2 до 3 раз (в зависимости от спектральной характеристики фильтра, и примененной матрицы ПЗС). Цветовая обработка сигнала в процессоре, в сочетании с замешиванием в видеосигнал несущих сигналов цветности со своим "цветовым шумом" ухудшает чувствительность камеры еще в 1,5 - 2 раза. В результате, чувствительность даже лучших цветных камер оказывается примерно в 5 раз хуже, чем у аналогичных черно/белых, выполненных на одноименных черно/белых матрицах ПЗС. За счет применения в обычных цветных камерах предварительных усилителей с недостаточным коэффициентом усиления и небольшой разрядности цифрового процессора, их чувствительность снижается еще в 1,5 раза. В результате, у большинства цветных камер чувствительность оказывается на порядок хуже, чем у черно/белых.

Для того, чтобы увеличить чувствительность цветной камеры, очевидно, нужно удалить из нее составляющие, обеспечивающие цветной режим. Исключить первую из них невозможно, так как мозаичный фильтр Байера непосредственно нанесен на фоточувствительные элементы матрицы ПЗС. Удалить отрезающий ИК фильтр, выключить обработку сигналов цветности и увеличить коэффициент усиления усилителя можно. Эти операции и применяются в протестированных нами ниже камерах день/ночь. Однако, для удешевления, в ряде моделей производится автоматическое выключение не всех цветных компонентов. Например, в самых простых моделях камер "день/ночь", при работе ночью выключается только сигнал цветности. В других моделях, наоборот, производится электромеханическое смещение ИК фильтра относительно матрицы ПЗС, но сигнал цветности не выключается. Иногда (и это наихудший случай с точки зрения качества передачи цвета), в камерах день/ночь просто не устанавливают отрезающий ИК фильтр.

Существуют и другие комбинации "неполных" способов перевода цветных камер в черно/белый режим. Максимальная чувствительность достигается только в тех случаях, если в камерах день/ночь используют все операции для перевода в черно/белый режим. Помимо перевода в черно-белый режим, в лучших камерах день/ночь для увеличения чувствительности применяют специальные режимы интегрирования заряда по площади и по времени, позволяющие еще на порядок улучшить чувствительность камер.

На тестирование к нам поступили 5 телевизионных камер день/ночь, с различными режимами перехода из цветного режима в черно/белый.

Jpg 439x171, 13575 байт

Телевизионные камеры день/ночь, слева направо: Shany (Тайвань), VZS-744 (Россия), VMC-744 (Россия), VZC-744(Россия), и DCV-255S (Корея)

Основные параметры камер, заявляемые производителями, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Камера Shany VZC-744 VMC-744 VZS-744 DCV-255S
Матрица ПЗС* MN3726MFE ICX259AK ICX259AK ICX259AK ICX-255AK
Формат 1/3" 1/3" 1/3" 1/3" 1/3"
Число элементов 512 х 584 752 х 582 752 х 582 752 х 582 500 х 582
Разрешение 350ТВЛ 460 ТВЛ 460 ТВЛ 460 ТВЛ 330 ТВЛ
Чувствительность 0.08 lx. F1.4 0.015 lx. F1.6 0.002 lx. F1.6 0. 05 lx. F1.2 0.02 lx. F1.4
Потребление 2Вт (24В) 180 мА 180 мА 160 мА 150 мА

В указанных в таблице камерах применены разные способы увеличения чувствительности. При разработке камеры Shany компании Shany Electronic Co., LTD, тайваньские инженеры пошли простым путем. Они исключили из камеры ИК отрезающий фильтр. В камере VZC-744 российской фирмы ЭВС все фильтры на месте, а для повышения чувствительности используется автоматическое выключение сигнала цветности ночью. В камере DCV-255S небольшой корейской компании, пожелавшей остаться неизвестной, используется механизм электромеханического перемещения ИК фильтра, установленный на печатную плату перед матрицей ПЗС. В ночных условиях фильтр автоматически перемещается, увеличивая чувствительность камеры, но сигнал цветности в этой камере не отключатся. Отметим, что аналогичный механизм используется и в камере WAT-232, тестирование которой, мы производили в нашем тест-драйве камер Watec выпуска конца 2003 г. И, наконец, в двух оставшихся камерах российской фирмы ЭВС типов VZS-744 и VMC-744 используются все три способа повышения чувствительности ночью (перемещаемый фильтр, выключение цветности и увеличение усиления). При этом механизм перемещения фильтра этой камеры расположен непосредственно в вариофокальном объективе. Для дополнительного увеличения чувствительности в камере VMC-744 используется 8-ми кратный "ночной режим" - суммирование зарядов по площади матрицы ПЗС.

Методика тестирования

В связи со спецификой камер день/ночь, мы уделяли особое внимание измерениям чувствительности камер. Кроме того, мы оценивали разрешающую способность и качество цветопередачи. Для измерений мы использовали различные испытательные таблицы, плату ввода изображения в компьютер "Контраст-5" и ПО "OSC-16", обеспечивающее высокую точность при определении как шумовых, так и сигнальных характеристик.

Результаты измерений чувствительности камер приведены в таблице 2.

Таблица 2. Чувствительности камер при отношении сигнал/шум равном 10. В нижней строке приведен перечень механизмов переключения режимов день/ночь в камерах.

Shany
F 1,6
VZS-744
F1,2
VZC-744
F1,6
DCV-255S
F1,6
VMC-744
F1,6
Стандартное разрешение Высокое разрешение Высокое разрешение Стандартное разрешение Высокое разрешение, ночной режим
0,018 лк 0,03 лк 0,015 лк 0,008 лк 0,002 лк
Нет ИК фильтра Выкл цветности Выкл цветности
перемещение ИК фильтра
Увеличение усиления
Выкл цветности
перемещение ИК фильтра
Увел. усиления
8х ночной режим

Видно, что наилучшую чувствительность реализует камера VMC-744, которая в 4 раза опережает ближайшего конкурента - камеру DCV-255S. Нужно отметить, что этот выигрыш достигнут за счет того, что в камере VMC-744 применен режим интегрирования по площади матрицы ПЗС.

Jpg 436x166, 24098 байт

Изображения, формируемые камерами DCV-255S(слева), и VMC-744 (справа) при освещенности 0,002люкс .

Jpg 209x128, 6939 байт

На изображениях видно, что при освещенности 0,002 люкс эта камера обеспечивает заметно меньший уровень шумов, по сравнению с DCV-255S, несмотря на то, что в последней используется матрица ПЗС стандартного разрешения с большей площадью фоточувствительной ячейки. Достоинством способа интегрирования заряда по площади, примененного в камере VMC-744 является отсутствие дополнительной инерционности, которая возникает в камерах с временным интегрированием и препятствует наблюдению подвижных объектов. Камеры с временным интегрированием заряда в ПЗС не получают достаточно широкого распространения именно из-за смазывания изображений движущихся объектов, несмотря на еще больший выигрыш в чувствительности. При сравнении чувствительности камер VZS-744 и DCV-255Sвидно, что при прочих равных условиях, камера на матрице ПЗС стандартного разрешения (DCV-255S) обладает в 2 раза более высокой чувствительностью, чем камера на матрице высокого разрешения VZS-744, что обусловлено большей площадью фоточувствительной ячейки и меньшими тактовыми частотами в матрицах стандартного разрешения. При сравнении чувствительностей камер Shany и VZC-744 видно, что эффект от удаления ИК фильтра (Shany) больше, чем результат отключения сигнала цветности (VZC-744).

Нужно отметить, что в камере Shany, несмотря на использование матрицы стандартного разрешения не удалось достигнуть потенциальных характеристик в черно-белом режиме. Отсутствие выключения сигнала цветности в режиме "ночь", в сочетании с заметной аппаратной наводкой (косые полосы и прямоугольник от встроенного BLC) привело к тому, что эта камера имеет чувствительность в 2 раза хуже потенциально возможной.

Разрешающая способность камер проверялась с использованием таблицы 0249. Пределом разрешающей способности мы считали такое число телевизионных линий, модуляция сигнала от которых составляла 10% относительно размаха сигнала от черно-белого перепада в крупной детали (100%). Результаты измерений приведены в таблице 3.

Таблица 3. Измеренная разрешающая способность телевизионных камер.

Shany VZC-744 VMC-744 VZS-744 DCV-255S
350 ТВЛ 460 ТВЛ 460 ТВЛ 460 ТВЛ 350 ТВЛ

Из таблицы видно, что разрешающие способности камер находятся в соответствии с числом элементов примененных в них матриц ПЗС. Камера Shany показала разрешающую способность чуть выше, чем в обычных цветных камерах стандартного разрешения. Но оборотной стороной повышенного разрешения в этой камере оказалось наличие на изображении интенсивных цветных муаров. Они особенно заметны при наблюдении тест-таблицы (см. рисунок), а также на любых изображениях с большим количеством мелких деталей. В остальных камерах, в которых в режиме "день" установлены стандартные оптические фильтры, уровень муаров был на порядок ниже. Самые лучшие результаты по разрешающей способности (460 телевизионных линий) показали камеры фирмы ЭВС VZC-744, VZS-744 и VMC-744.

Jpg 355x218, 23311 байт

Jpg 520x135, 23075 байт

Качество цветопередачи камер проверялось как на реальных объектах, так и с использованием специальной цветной таблицы с набором цветных полос с высокой насыщенностью цвета.

Jpg 197x122, 11278 байт

Испытания производились как при естественном освещении, так и при использовании люминисцентных ламп и ламп накаливания. Как мы и предполагали, наихудшее качество цветопередачи оказалось у камеры Shany. При любом освещении, эта камера формировала изображение с неестественными цветами. Пропадали целые гаммы оттенков зеленого цвета, а все изображение постоянно имело небольшой розоватый оттенок. Можно сделать вывод, что безнаказанно выбрасывать из цветной камеры отрезающий ИК фильтр нельзя.

Остальные 4 камеры показали примерно одинаковое качество цветопередачи, хотя качество камер фирмы ЭВС нам показалось чуть лучше. Небольшой дискомфорт при наблюдении изображений формируемых камерой DCV-255S был вызван также и достаточно заметной "косой" наводкой, уровень которой почти не зависел от освещенности.

Испытания работы камер в условиях перегрузки мы производили при наблюдении камерами источников с высоким уровнем освещенности. В испытаниях со всеми камерами, кроме VZS-744 мы использовали один и тот же объектив, с относительным отверстием F1,6. В камерах VZS-744 и VMC-744 используются встроенные объективы с механизмом перемещения светофильтра с постоянно включенной системой АРД.

Jpg 520x118, 15193 байт

Как видно из приводимых изображений, только камере Shany не удалось сформировать изображение яркого объекта в этом тесте. Объясняется это двумя причинами. Первая, которую мы уже упоминали, при оценке цветопередачи, - отсутствие ИК отрезающего фильтра. что привело к 3 - 5 кратной перегрузке матрицы ПЗС инфракрасными составляющими светового потока лампы накаливания. Вторая причина - использование в камере Shany матрицы ПЗС предыдущего поколения фирмы Panasonic, которая обладает в 30 раз более худшим значением параметра "Smear" (смазывание изображения от ярких источников), чем у матриц SONY серии ExViewHad, примененных в остальных камерах.

Выводы

В современных камерах день/ночь используются следующие способы увеличения чувствительности:

  1. Выключение сигнала цветности
  2. Удаление ИК фильтра, установленного перед матрицей.
  3. Увеличение коэффициента усиления видеотракта перед АЦП и увеличение разрядности тракта обработки сигнала.
  4. Интегрирование заряда по площади в матрице ПЗС.
  5. Интегрирование заряда по времени в матрице ПЗС

Наилучшей чувствительностью среди камер день/ночь обладают камеры, в которых используются все указанные выше методы увеличения чувствительности. Победителем оказалась камера VMC-744 с 8-ми кратным режимом интегрирования заряда по площади. Камера VMC-744 обеспечивает чувствительность 0,002 люкс (F1,6) при отношении сигнал/шум 20 дБ. Среди камер стандартного разрешения без интегрирования, лучшей по чувствительности оказалась камера DCV-255S(0,008 люкс, F1,6). В классе камер высокого разрешения победителем стала камера VZS-744 (0,015 люкс, F1,6).

Неполные режимы день/ночь улучшают чувствительность камеры в меньшей степени. При этом, возможно заметное ухудшение качества цветного изображения. В камере Shany из-за отсутствия в камере оптического ИК фильтра, качество цветного изображения нельзя признать удовлетворительным. Кроме того, из-за отсутствия фильтра на изображениях мелких деталей видны заметные цветовые муары (в 10 раз большие, чем в камерах VZC-744, VZS-744 и VMC-744).

Режим выключения сигнала цветности в камере VZC-744, обеспечивает улучшение чувствительности в 1,5 раза при сохранении отличного качества передачи цвета при минимальной стоимости камеры.  

Способ повышения чувствительности за счет исключения ИК фильтра перед матрицей ПЗС хотя и улучшает чувствительность камеры Shany в 2,5 раза, но приводит к очень большим цветовым искажениям. Мы считаем, что применение такого способа в высококачественных цветных камерах день/ночь недопустимо.

Источник: Evs.Ru

Взято с www.sec.ru

14.09.2008



------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Облако тегов:

Ссылки по теме:
Новые видеокамеры МВК-81 - все продумано!
Должны ли на улицах американских городов появиться камеры видеонаблюдения, как это сделано в Лондоне?
Когда от взгляда камеры почти нигде не скрыться
Камеры под прицелом лазеров (часть 2)
ДЕФЕКТЫ МАТРИЦ ПЗС - НОРМАТИВЫ И РЕАЛЬНОСТЬ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАЛЬНОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Сетевые камеры под прицелом. Атака хакеров
Зависисмость угла обзора объектива от фокусного расстояния
В наибольшей безопасности тот, кто начеку, даже когда нет опасности. /Сайрус/