Cистемы телевизионного наблюдения. CCD камеры для наблюдений в сложных условиях.

Совершенно не так давно в 1970 году сразу появились процессор и устройство с зарядовой связью (CCD) [1]. Современная жизнь уже невообразима без компов и CCD-камер. Электрическая революция длится и каждый год поражает нас новинками и необычным понижением цен. Навряд ли в 70-х кто-то задумывался, что несколько маленьких телекамер можно будет поместить в спичечный коробок, а их цена станет меньше, чем у электронных чайников. Все это при отличном качестве изображения и высочайшей надежности.

Сейчас больше всего камер употребляется в охранных телевизионных системах. Охранные камеры работают в различных критериях наблюдения. Нередко они обыкновенные, когда объекты отлично освещены и нет приметных помех. Но бывают и сложные ситуации, когда телевизионная камера ведет наблюдение при свете солнца и звезд, в критериях дымки, тумана и дождика, под водой, при наличии насыщенных электрических помех, радиации и т.п. В таких критериях обыденные CCD-камеры уже не обеспечивают надежного наблюдения. Тут требуются особые высокочувствительные матрицы CCD, широкодиапазонные асферические объективы, особые способы адаптации и обработки сигнала и почти все другое. В истинной статье рассматриваются способности телевизионного наблюдения в более сложных критериях - на краях спектра рабочих освещенностей.

1. Методы расширения спектра рабочих освещенностей.

Изобретатели улучшают телекамеры, пытаясь довести их до свойства природного глаза. Оказалось, что человечий глаз - совершенный зрительный устройство. Он имеет много умопомрачительных параметров и одно из их - широчайший спектр воспринимаемых освещенностей. Деньком мы можем следить, чуток прищурясь белоснежный снег под солнцем и облака с освещенностью более 100000 люкс. Ночкой мы просто идем по дороге, освещенной светом звезд (приблизительно 0,0001 люкс). Разделив 1-ое значение на 2-ое, получим 109 - спектр воспринимаемых глазом освещенностей равный одному млрд либо 180 дБ!

Ни один электрический датчик сигнала не имеет настолько широкого динамического спектра. Это обосновано физическими ограничениями - уровнем собственного шума с одной стороны и уровнем насыщения сигнала с другой. Но как выяснилось, не имеют такового спектра и естественные датчики оптического сигнала: колбочки и палочки людского глаза. С натяжкой можно считать, что динамический спектр как естественных, так и искусственных датчиков света равен 1000 (60 дБ). Откуда же берется один млрд?

Для заслуги спектра большего, чем динамический спектр датчика сигнала нужно построение системы автоматического регулирования либо адаптации.

В телевизионных камерах более всераспространены два метода адаптации.

а) 1-ый метод адаптации к освещенности в телекамере

б) 2-ой метод адаптации к освещенности в телекамере

Рис.1 а, б. Методы расширения спектра рабочих освещенностей в CCD камерах

В современных телекамерах употребляют оба метода адаптации к уровню освещенности, любой из которых имеет свои плюсы и минусы. Ниже подвергнутся рассмотрению способности и ограничения каждого метода применительно к области сверх больших и сверх низких освещенностей.

Рис.2 Иллюстрация расширения спектра рабочих освещенностей
фоточувствительного датчика, работающего в составе
адаптивной фоточувствительной системы.

 2. Наблюдение ночкой.

Маркетинговые манипуляции с чувствительностью.

Любая компания, производящая и продающая телекамеры, рекламирует собственный продукт. В ход идут фразы: "потрясающее качество отображения", "DSP - микропроцессор", "Сверхвысокая чувствительность" и т.д.. Дело не ограничивается высококачественными чертами. У многих появляется соблазн немножко преумножить и количественные характеристики телекамер. К примеру, можно созидать, как внушительная компания SONY для собственной камеры SPT-M308CE честно заявляет разрешающую способность 370 телевизионных линий (ТВЛ), в то время как юный корейский LILIN в модели PIH-752 показывает 420 ТВЛ. Выбирая, какую камеру приобрести потребитель и не знает, что в обеих камерах применены одни и те же матрица ПЗС ICX-055BL и микросхемы обрамления. Преувеличиваются и другие технические свойства телекамер. Но, пожалуй, ни один параметр не подвергался таковой маркетинговой манипуляции, как "чувствительность". Повод к этому дает разная трактовка его различными создателями и фирмами.

Чувствительность охарактеризовывает способность телекамеры следить в ночных критериях. Чувствительность - это та малая освещенность, выражаемая в люксах, при которой камера еще способна сформировывать изображение. Если ограничится этими фразами, то появляется неоднозначность, которая и позволяет заявлять для одной и той же камеры числа чувствительности, отличающиеся более чем в 100 раз. Как поправить эту ситуацию?

Соответствующим примером маркетинговых манипуляций последних 2-ух лет является заявленная японской компанией Watec чувствительность для камеры WAT-902H. В 1999 году спецы были поражены значением чувствительности 0,0003 люкса при F1,4 в положении переключателя AGC "Hi". Это в 100 раз лучше, чем для стандартных CCD камер! Многие даже поверили этой цифре, тем паче, что камера оказалась вправду хороший. В WAT-902H в первый раз была использована матрица SONY ICX249AL последнего поколения EXWAVEHAD с усовершенствованной в 4 раза чувствительностью. Но всего только в четыре, а не в 100. После того, как камеру приобрели и разобрали на маленькие части, выяснилось, что ничего такого особенного, не считая новейшей матрицы SONY в этой камере нет, а положение "Hi" - это повышение в 4 раза коэффициента усиления, которое наращивает только шумы, но не чувствительность. На данный момент все спохватились и указывают для WAT-902H уже только 0,002 люкс, как, к примеру, в последнем британском каталоге "NORBAIN" [4], хотя и эта цифра завышена и следовало бы указать 0,005 люкс, что соответствует измерениям на объекте при отношении сигнал/шум 20дБ и F1,4.

Методы улучшения чувствительности.

Есть последующие методы улучшения чувствительности телевизионных CCD-камер:

Применение высокочувствительных CCD-матриц и светосильных объективов.

Поначалу перечислим причины, ограничивающие чувствительность в современных CCD камерах и способности их улучшения методом внедрения новых CCD и объективов.

Рис 3. Иллюстрация разных причин ограничения чувствительности в телекамере на матрице CCD.

  1. Утраты света в объективе. Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к CCD-матрице. Часть из их рассеивается, а часть поглощается материалом линз. Необходимо сказать, что современные асферические объективы с относительным отверстием 0,8 - 0,75 - имеют очень высочайшие свойства и в не далеком будущем тяжело ждать приметных улучшений их характеристик.
  2. Утраты из-за малой относительной площади фоточувствительных частей к полной площади фоточувствительной секции. Фоточувствительные ячейки, в особенности в матрицах малых форматов 1/3 дюйма и наименее занимают наименее 10% площади чувствительной поверхности. Остальная площадь употребляется под каналы переноса заряда и систему антиблюминга. 10 годов назад это было одним из основных ограничений чувствительность. Компания SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на мелкие фоточувствительные ячейки. Годом ранее SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новейшую серию CCD-матриц под маркой EXWAWEHAD ССD, что позволило дополнительно в 3 - 4 раза поднять чувствительность телекамер. В текущее время характеристики микролинзового массива близки к теоретическому лимиту, и тут также тяжело ждать существенных улучшений.
  3. Утраты при преобразовании фотон/электрон. Квантовый выход наилучших CCD приближается к 0,5 в спектре видимых длин волн и ближнем ИК-диапазоне. Освоение новых материалов и предстоящая оптимизации структуры устройств в дальнейшем могла бы позволить прирастить это значение, в особенности в области голубого и ближней ультрафиолетовой, что могло бы сделать лучше чувствительность камер. Но суровых сдвигов тут также тяжело ждать.
  4. Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD. В реальный момент шум считывания - главный фактор, ограничивающий чувствительность телекамер. Его значение 20 - 30 электронов/пиксел на теоретическом уровне можно было бы быть понизить в 10 раз. Ограничением тут является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд пиксела в случае, когда света много, что приведет к ограничению сигнала в дневных критериях. Есть патенты, в каких предлагается расположить в CCD-матрице два выходных устройства, одно для малых, а другое для огромных зарядов, и переключать их ночкой и деньком соответственно. Потому можно ждать в предстоящем возникновение новых CCD с уменьшенным шумом выходного устройства, что могло бы привести к предстоящему росту чувствительности CCD-камер в пару раз.
  5. Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства CCD-матрицы. Все транзисторы слабо сияют (аналогично светодиодам и лазерным диодикам), а в CCD-матрицах это препятствует наблюдению слабеньких освещенностей. Еще 13 годов назад была размещена статья [2], где в охлаждаемой астрономической CCD камере было увидено свечение в том углу изображения, где размещено выходное устройство. Тогда это было расценено как уникальное явление, проявляющееся только при охлаждении CCD, работающих с огромным временем экспозиции. С того времени чувствительность матриц CCD возросла в 100 раз и этот эффект уже мешает наблюдению в самых чувствительных камерах компаний PANASONIC, BAXALL, ЭВС. Русским спецам удалось сфотографировать светящиеся транзисторы при помощи высокочувствительной камеры VNC-702. Для этого были применены две камеры, при этом одна из их следила CCD-матрицу другой камеры, находящуюся во включенном состоянии. На изображении ясно видно, как сияют оба транзистора двухкаскадного выходного устройства матрицы CCD ICX249AL. Были испытаны и другие типы матриц-CCD, и оказалось, что сияют выходные устройства всех исследованных матриц, но только с различными интенсивностью и площадью свечения. Это новенькая суровая помеха, на которую не направляли ранее внимания, принудила фирму ЭВС дорабатывать японские матрицы и заклеивать их выходное устройство непрозрачным материалом в тех камерах, где требовалась наибольшая чувствительность. Есть надежда, что производители CCD сами направят внимание на свечение транзисторов и поболее обычным методом закроют светящиеся элементы.

Фото 1. Свечение выходных транзисторов в CCD-матрице конторы SONY ICX-249AL
Публикация делается с разрешения компании ЭВС

Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения.

Электронно-оптические усилители яркости изображения в телевидении используют издавна. Еще до эпохи CCD-камер в передающие телевизионные трубки встраивали каскады электрического усиления, достигая чувствительности на объекте 0,001 люкс и выше. После исчезновения камер на электронно-лучевых трубках остались электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые в военных приложениях использовались в качестве ночных прицелов и устройств ночного видения. Эти ЭОП стали состыковывать с CCD-камерами для роста их чувствительности. Образовался новый класс сверхчувствительных телекамер. Но телекамеры типа "CCD+ЭОП" не достаточно всераспространены, потому что имеют суровые недочеты. Недочета два: сверхвысокая цена, доходящая до 10000$ и выше и низкая надежность из-за способности разрушения ЭОП при солнечном свете и от утечек и пробоев высочайшего напряжения. В текущее время CCD-камеры с ЭОП поколения 3+ имеют непревзойденную чувствительность и используются в тех областях, где значимость надежного ночного наблюдения превалирует над валютными затратами. Необходимо отметить, что телекамеры CCD+ЭОП все более вытесняются высокочувствительными CCD-камерами с адаптивными "ночными" режимами. Так, к примеру, чувствительность ЭОП поколений 1, 1+ и 2 удачно превзойдена ночными телекамерами компаний PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЭВС и другими. Потому, можно сказать, что камеры с ЭОП первых 2-ух поколений уже не появятся сейчас на рынке телекамер, потому что не могут соперничать с CCD-камерами ни по чувствительности, ни по цены. Камеры с ЭОП поколений 2+,3 и 3+ еще есть как экзотика, но после очередных технологических революций компаний SONY и PANASONIC должны безизбежно пропасть, как мамонты.

Таблица 1. Сравнительные свойства телекамер с ЭОП

Компания Модель Чувствительность Разрешение Тип ЭОП
Panasonic (Япония) WV-BD900 0,0015 люкс 420 твл ЭОП 2
TURN (Наша родина) LINX120 0,0001 люкс 350 твл ЭОП 2 плюс
JAI (Германия) JAI-757 0,0005 люкс 510 твл ЭОП 2,5 плюс
JAI (Германия) JAI-757A 0,0001 люкс 450 твл ЭОП 3,0

Примечание. Потому что для камер с ЭОП числа чувствительности обычно приводятся для изображений неплохого свойства, при полной разрешающей возможности, другими словами, при отношении сигнал/шум 34 - 36 дБ, то для сопоставления с CCD-камерами, где чувствительность приводится при отношениях сигнал/шум 20 - 24 дБ, числа чувствительности в таблице 1 следует уменьшить в 5 раз (помножить на 0,2).

Введение адаптивных режимов скопления и считывания заряда в CCD-матрице.

При возникновении первых CCD-матриц основной задачей инженеров было создание надежного "твердотельного" аналога электронно-лучевой трубки. И только через некое время было обращено внимание на адаптивные характеристики нового устройства. Новыми оказались принципные способности CCD идиентично отлично работать в широком спектре тактовых частот считывания заряда, также возможность суммирования зарядов с примыкающих частей и строк до считывания сигнала с выхода устройства. Это позволило еще в 1985 году сделать экспериментальную ССD-камеру без АРД-объектива и каких-то светофильтров с спектром рабочих освещенностей равным людскому глазу [3]. Спектр рабочих освещенностей 1 млрд был достигнут только за счет перестройки характеристик еще очень допотопных CCD-матриц 80-х годов. В текущее время, используя новые матрицы SONY серии EXWAWEHAD, не составляет труда существенно затмить свойства глаза. Оговоримся, что пока это может быть исключительно в рамках спектра рабочих освещенностей и контрастной чувствительности. По другим характеристикам до глаза еще очень далековато. Итак, как можно при помощи адаптации характеристик CCD сделать лучше чувствительность телевизионной камеры?

Скопление сигнала до воздействия шума. Есть различные методы роста чувствительности телевизионной камеры, но они все основываются на одном принципе: "принципе скопления энергии сигнала". Этот принцип базируется на коренном отличии сигнала от шума. Сигнал всегда однополярный (в телевидении положительный) и имеет ограниченную полосу частот. Шум всегда дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со существенно более широкой полосой частот. В итоге обычное сложение (скопление) порций "сигнал плюс шум" будет приводить к линейному росту уровня сигнала и только к замедленному (по закону корня квадратного) росту среднего отличия размаха шума. Каждые 100 сложений делают лучше отношение сигнал/шум в 10 раз. Принцип скопления энергии сигнала употребляется во всех методах увеличения чувствительности, будь это пространственно-временное суммирование либо низкочастотная фильтрация.

Адаптивные характеристики CCD-матриц позволяют применить в их уникальный метод увеличения чувствительности, который можно условно именовать "скопление до воздействия шума". Сущность его в том, что дополнительное суммирование (скопление) сигнала делается в самой CCD-матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В итоге происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве CCD один раз на каждую сумму сигналов. В итоге четырехкратное сложение приводит к четырехкратному росту дела сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как в обыденных способах. Этот режим эффективен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания существенно превосходит фотонный шум и последний фактически не оказывает воздействия на итог скопления.

Рис. 4а. Скопление сигнала с шумом (стандартный способ)

Рис 4б. Скопление сигнала до воздействия шума (в CCD-камерах)

 Одной из первых камеру с адаптивным скоплением сигнала выпустила компания PANASONIC. Режим был назван "Electronic sensitivity enhancer" и обеспечивал повышение времени скопления от 1 до 32-х телевизионных полей, другими словами с 1/50 до 0,64 секунды, что приводило к улучшению чувствительности до 32 раз. В текущее время камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" выпускают многие конторы, такие как IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO и многие другие. В этих камерах при использовании CCD-матриц компании SONY серии EXWAVEHAD и асферических объективов достигается чувствительность до 0,0002 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ. Невзирая на хорошие свойства, камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" имеют два суровых недочета. Во-1-х, при увеличении экспозиции происходит "смазывание" изображения передвигающихся объектов, из-за чего может быть пропущен стремительно передвигающийся нарушитель, что неприемлимо в охранных системах. 2-ой недочет - довольно высочайшая цена, потому что для визуализации на дисплее монитора прореженного в 32 раза изображения нужен преобразователь телевизионных эталонов с кадровым ОЗУ, АЦП, ЦАП и системой синхронизации. В итоге, даже корейские камеры с системой "Electronic sensitivity enhancer" стоят вдвое дороже обыденных телевизионных камер.

Другим вариантом адаптивного скопления сигнала является суммирование зарядов с примыкающих частей CCD-матрицы. Изменяя режим синхронизации CCD можно обеспечить сложение зарядов примыкающих частей на затворе выходного транзистора и примыкающих строк на электродах выходного регистра CCD. Также, как и в первом методе происходит сложение сигнала до воздействия шума и десятикратное сложение приводит к десятикратному улучшению чувствительности. Первой и пока единственной компанией, реализовавшей в собственных телекамерах этот режим, является российская компания ЭВС. Режим был назван "ночным режимом 1" и в CCD-камерах этой конторы он автоматом врубается при уменьшении освещенности на объекте наименее 0,02 люкс. CCD-камеры конторы ЭВС, выполненные на EXWAVEHAD CCD-матрицах компании SONY, в ночном режиме 1 развивают чувствительность до 0,0002 люкс (камера VNC-703), что эквивалентно телекамерам с режимом "Electronic sensitivity enhancer". Камеры с "ночным режимом 1" работают без роста инерционности, что позволяет им накрепко следить подвижные объекты, прямо до освещенности, соответственной освещенности от звездного неба. Цена камер с "ночным режимом 1" всего на 10 % выше стандартных, потому что в их не требуется внедрения дорогостоящего кадрового ОЗУ. Недочетом "ночного режима 1" является ухудшение разрешающей возможности ночкой приблизительно втрое из-за суммирования зарядов с примыкающих частей и строк.

Кажется естественным для предстоящего роста чувствительности соединить два режима "Electronic sensitivity enhancer" и "Ночной режим 1" в одной CCD камере. В конце 1999 г. появилась 1-ая такая камера VNC-702 производства компании ЭВС. В маркетинговых материалах указывается, что в телевизионной камере, развивающей чувствительность на объекте 0,00004 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ, использованы "ночные режимы 1 + 2". Под "ночным режимом 2" компания ЭВС предполагает режим "Electronic sensitivity enhancer", который в камере VNC-702 для наилучшего наблюдения подвижных объектов ограничен до 16 -ти кратного суммирования кадров. Уникальная камера VNC-702 в текущее время является рекордсменом чувствительности посреди CCD-камер и всего только в пару раз уступает камерам с ЭОП поколений 3 и 3+. В режиме наибольшей чувствительности камеры VNC-702 ясно видно свечение выходного транзистора CCD-матрицы (см. фото 1), препятствующее в текущее время предстоящему росту чувствительности адаптивных CCD-камер.

Таблица 2. Сравнительные свойства телекамер с CCD-матрицами серии EXWAVEHAD и с электрическими режимами роста чувствительности.

Компания Модель CCD Эмоций. Лк.(F 0,8) Режим роста чувствительности Сложение заряда (раз)
KAMPO (Корея) КС1001С EXWAVEHAD 0,0002 Electronic sensitivity enhancer 32
KAMPO (Корея) КС1003С EXWAVEHAD 0,0002 Electronic sensitivity enhancer 32
PCAM (Корея) PC-360D EXWAVEHAD 0,00005 Electronic sensitivity enhancer 128
Ikegami (Япония) ICD-47 EXWAVEHAD 0,0065 нет -
WATEC (Япония) WAT-902H EXWAVEHAD 0,002 нет  
Baxall CD9772 EXWAVEHAD 0,0002 Electronic sensitivity enhancer 32
PANSONIC (Япон.) WV-BL730 FIT CCD 0,0003 Electronic sensitivity enhancer 32
ЭВС (Наша родина) VNC-703 EXWAVEHAD 0,0002 Ночной режим 1 14
ЭВС (Наша родина) VNC=702 EXWAVEHAD 0,00004 Ночные режимы 1 + 2 102

Примечание. Для удобства сопоставления чувствительности всех камер указаны на объекте при использовании светосильного асферического объектива с относительным отверстием F0,8.

Выводы.

Полка для обуви выдвижная НСХ 110x549x376 мм, цвет белый

Как выбрать комплектующие

Варианты сборки

Полка для обуви выдвижная - аксессуар системы хранения, используется для хранения обуви без каблука. Имеет два яруса, позволяет разместить до 6 пар обуви. Обеспечивает плавное скольжение и легкий доступ к вещам. Для установки требуется кронштейн 2 штуки. Полка для обуви изготовлена из стали, обладает высоким запасом прочности. Полимерно-порошковое покрытие устойчиво к механическому воздействию и истиранию, защищает изделие от ржавчины.