Режим накопления в телекамерах "день/ночь"
Видеонаблюдение в ночных условиях или в общем случае при малой освещенности всегда являлось насущной необходимостью для обеспечения безопасности. Возможность эффективного наблюдения в таких условиях напрямую связана с чувствительностью телекамеры, которая в первую очередь определяется чувствительностью ПЗС-матрицы (CCD).
При общей тенденции перехода на меньшие форматы матриц с неизбежным уменьшением размеров единичного элемента изображения (пикселя) все сложнее обеспечивать приемлемую чувствительность матриц.
Чувствительность матриц: пути увеличения
Известные технологии увеличения энергии света, поступающего на пиксель (HAD, Super HAD, Ex-view), за счет микролинз, их оптимизации и расширения спектра принимаемого излучения в область ИК позволили увеличить интегральную чувствительность матриц в 2-3 раза. Однако возможности этих методов практически достигли своего предела.
Особенно остро вопрос чувствительности стоит для телекамер цветного изображения. Это связано с неизбежным применением мозаичного цветного светофильтра, существенно снижающего световой поток на каждом пикселе. Именно поэтому, при прочих равных условиях, чувствительность камер цветного изображения практически на порядок ниже черно-белых.
Расширение диапазона чувствительности в ИК-область в телекамерах "день/ночь", особенно для вариантов с выводимым срезающим ИК-фильтром, позволяет в ночном черно-белом (ч/б) режиме несколько компенсировать эти потери.
Как CCD-, так и CMOS-матрицы являются по сути типовыми кремниевыми фотоприемниками. Поэтому для них доступны только два метода увеличения чувствительности:
- увеличение времени накопления заряда в пикселе;
- суммирование сигналов соседних пикселей (эквивалент увеличения площади фотоприемника).
Методы не только временного, но и пространственного накопления уже несколько лет применяются в камерах компании ЭВС (г. С.-Петербург). Появилось сообщение, что компания SONY представила вэтом году технологию для мегапиксельных матриц по суммированию сигналов нескольких пикселей, названную "световой воронкой". При снижении освещенности суммируются заряды 4 пикселей попарно из двух соседних строк. Кроме этого вместо типового для CMOS-матриц мозаичного фильтра в основных цветах (RGB) используется фильтр из зеленого и дополнительных цветов: голубого, пурпурного и желтого (CMYG) Подобный фильтр дает двукратный прирост чувствительности.
Технология цифрового накопления
Технология цифрового накопления (DSS) сегодня уже широко используется практически всеми производителями видеокамер. Это дает им возможность заявлять в технических характеристиках камер "запредельные" значения чувствительности. Причем речь идет, прежде всего, о камерах цветного изображения с функцией "день/ночь". Реализация преимуществ временного накопления предполагает определенную статичность изображения, хотя бы на период времени накопления. Однако для обеспечения безопасности представляют интерес, в первую очередь, движущиеся объекты и их изменения.
К сожалению, длительное накопление приводит к существенному "смазу" изображения, что особенно наглядно на ярких объектах с высоким контрастом.
На рисунке представлены изображения проезжающего микроавтобуса, полученные камерами "день/ночь". Первые два изображения зафиксированы камерами, снабженными выводимым ИК-фильтром и работающими при малой освещенности в ч/б режиме, причем второе изображение получено камерой, имеющей дополнительно автоматические функции накопления (DSS до х32) и шумоподавления (SDNR). Третье изображение получено цветной камерой "день/ночь" без перехода в ч/б режим и без функции ИК-чувствительности. Данная камера имеет максимальное накопление х128, которое для испытаний было ограничено значением х32. Представленные изображения свидетельствуют о том, что камеры с функцией накопления не успели адаптироваться, и изображение оказалось пересвеченным. Особенно это характерно для цветной телекамеры.
Другая опасность возникает при движении объекта с яркостью, сравнимой с яркостью фона в поле зрения телекамеры с накоплением. В этом случае в результате смещения изображения возникает практическое локальное снижение эффекта накопления, то есть роста чувствительности в данной области матрицы. Это снижение пропорционально скорости перемещения и размерам объекта. При неизбежном "смазе" изображения в таком режиме весьма проблематична идентификация и распознавание объекта, а нередко и его обнаружение.
Малые размеры объекта также снижают эффект накопления. То есть быстро перемещающийся в поперечном направлении небольшой объект может остаться просто "невидимым" для камеры.
Кроме объективных факторов возникают психологические проблемы наблюдения. Изображение неподвижного фона вполне удовлетворительно, а для цветных в телекамере накоплением оно даже представлено в цвете. При этом легкие, практически "бестелесные" тени могут не вызвать подозрений и интереса у наблюдателя. Детектор активности (движения) регистратора, отстроенный от срабатывания по шумам и артефактам, также может не среагировать.
Особенности отображения Рассмотрим несколько кадров, дающих представление об особенностях функционирования указанных камер.
На рис. 2 представлена серия кадров, сделанных при освещенности практически предельной для камеры "день/ночь" с ИК-фильтром (№ 1). Для камер с накоплением (№ 2 и 3) изображение вполне удовлетворительное. Примечательно, что больший "смаз" изображения и некоторая "прозрачность" темных брюк "объекта" больше отмечены у камеры цветного изображения (№ 3). Как уже упоминалось выше, это подтверждает ее меньшую исходную чувствительность, а следовательно, большее требуемое время накопления.
На рис. 3 представлены кадры, сделанные теми же камерами при еще меньшей освещенности. Изображения от камеры № 1 полностью отсутствует. На этот раз "объект" одет в темную куртку.
Очевидно, что "смаз" и "прозрачность" движущихся ног увеличились, особенно у камеры цветного изображения № 3.
На рис. 4 представлены кадры, сделанные теми же камерами в глубоких сумерках. Телекамера с выводимым ИК-фильтром (№ 2) обеспечивает получение хотя бы размытого силуэта "объекта". На изображении, полученном телекамерой № 3, "объект" практически исчез, и это при полном сохранении контраста и даже передаче цветных фрагментов (цветы, трава и т.д.)
На всех кадрах "объект" помечен красной точкой. При съемке он двигался поперек оси зрения со скоростью пешехода (3-4 км/ч). Весьма низкое качество изображения обусловлено применением низкоскоростного бюджетного регистратора с одновременной записью 4 каналов в режиме квадратора. Однако в данном случае разрешение и четкость изображения не являются предметом нашего рассмотрения.
Выводы На основании проведенных качественных оценок можно сделать следующие выводы:
- телекамеры с включенным режимом накопления малоприменимы для регистрации быстро перемещающихся объектов с малыми размерами или высокой яркости;
- для уменьшения необходимой кратности накопления целесообразно использовать телекамеры с максимальной исходной чувствительностью;
- максимальное время накопление должно быть оптимально для задачи наблюдения (идентификация, распознавание или обнаружение) и согласовано со временем перемещения "объекта" в пределах своих поперечных размеров;
- для уменьшения требуемой кратности накопления при малой освещенности целесообразно использовать видимую или ИК-подсветку.
Н.И. Чура
Технический консультант ООО "Микровидео Группа"
Взято с сайта: http://www.aktivsb.ru
