Есть, однако, и нежелательный побочный продукт ПЗС-дискретизации. Это хорошо известная муаровая картина, которая получается в случаях, когда снимается объект с более высоким разрешением. Обычно это хорошо видно, например, если диктор, ведущий программу новостей, наденет рубаху с очень мелким узором. Математически это соответствует случаю, когда максимальная частота приближается к частоте дискретизации. Поскольку пространственная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты оптического изображения Fsmax, мы можем представить ее в частотной области одним значением частоты в области частоты Найквиста F^^.
Пространственный спектр оптического сигнала основной полосы частот будет модулироваться в окрестностях этой частоты, что очень похоже на амплитудную модуляцию спектра боковых полос.
Если в оптическом изображении, спроецированном на ПЗС-матрицу, присутствуют высокие частоты и эти частоты выше половины частоты FNYQUIST, то боковые полосы (после дискретизации) наложатся на видимую основную полосу, и в результате мы увидим нежелательную картинку, муар. Муаровая частота ниже самой высокой частоты телекамеры FNYQUIST/2-Fsmax
Чтобы минимизировать этот эффект применяется низкочастотная оптическая фильтрация (low-pass optical filtering, LPO). Фильтры обычно составляют часть стеклянной маски ПЗС-матрицы и формируются путем комбинирования нескольких двоякопреломляющих кварцевых пластин.
Эффект аналогичен размыванию (blurring) мелких деталей оптического изображения.
Рис. 5.31. ПЗС-матрица как устройство дискретизации
ПЗС-матрица из пикселов (разрешение немного ниже, чем у проецируемой на нее испытательной таблицы)
Двойная коррелированная выборка
Шум в ПЗС-матрице имеет несколько источников. Самый значительный — это тепловой шум, в существенной степени он может быть вызван примесями в полупроводниках и недостатками процесса производства.
Высокий уровень шума снижает динамический диапазон фотоэлемента, что в свою очередь ухудшает качество изображения.
Тщательное проектирование ПЗС-устройств и точное изготовление позволяют снизить шумы. Низкая рабочая температура может снизить тепловые шумы. К сожалению, пользователь редко способен управлять этими параметрами.
Однако, существует метод обработки сигнала, позволяющий существенно уменьшить шум, и этот метод может быть реализован в конструкции ПЗС-камеры. Этот метод называется двойная коррелированная выборка (ДКВ). Термин выборка здесь относится к выборке выходного сигнала.
Концепция ДКВ основана на том факте, что в видеосигнале и опорном сигнале существует одна и та же шумовая компонента. А именно, когда выходной каскад ПЗС-матрицы переносит зарядовый пакет, он преобразуется в выходное напряжение. Для этого используется плавающая считывающая диффузия, чтобы собирать зарядовые пакеты сигнала при их переносе с ПЗС-матрицы. По мере переноса зарядовых пакетов напряжение на считывающей диффузии падает. Это напряжение представляет собой данные видеосигнала и усиливается на матрице усилителем с термокомпенсацией. Прежде чем следующий зарядовый пакет сможет быть перенесен в область диффузии, она должна быть полностью очищена от предыдущего пакета. Это выполняет опорный сигнал сброса, который содержит такую же компоненту теплового шума, что и видеосигнал матрицы. Если заранее сохранить эту компоненту шума, то потом ее легко вычесть из результирующего сигнала, который содержит шум и полезный сигнал.
ДКВ лучше всего работает при использовании двух быстродействующих цепей выборки и фиксации, подсоединенных к выходному сигналу фотоприемника через низкочастотный фильтр.
Мы не будем углубляться в архитектуру этих цепей, так как это выходит за рамки данной книги, но следует помнить, что схема ДКВ является частью электронной системы телекамеры, а не ПЗС-матрицы.
Рис. 5.33. Двойная коррелированная выборка — один из способов уменьшения шума в ПЗС-матрице
Технические параметры телекамер и что они означают
Основные задачи телекамеры — захват изображений, разбиение их на ряд неподвижных кадров и строк, передача и быстрое воспроизведение на экране, в результате чего человеческий глаз воспринимает их как движущееся изображение.
Выбирая телекамеру, мы должны принимать во внимание ряд характеристик. Некоторые из них очень важны, другие не очень, все зависит от применения.
Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятых из инструкции.
Различные производители используют различные критерии и методы оценки, и в большинстве случаев, даже если мы знаем, как интерпретировать все числа из технического паспорта, нам все же приходится самим оценивать качество изображения, сравнивая его с изображением, даваемым другой телекамерой.
Сравнительный тест — это зачастую наилучший и единственный объективный способ проверки характеристик телекамеры — вертикального ореола, шума, чувствительности и пр. Не забывайте, что общее впечатление о хорошем качестве изображения создается комбинацией многих факторов: разрешающей способности, ореола, чувствительности, шума, гамма-коррекции и пр.
Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем этим факторам. Люди, не обладающие достаточным опытом, будут удивлены, узнав, что разница в разрешающей способности в 50 ТВЛ иногда менее важна для качества изображения, чем, например, правильная установка гамма-коррекции или разница в 3 дБ в отношении сигнал/шум.
Рассмотрим некоторые наиболее важные характеристики:
— Чувствительность телекамеры;
— Минимальная освещенность;
— Разрешающая способность телекамеры;
— Отношение сигнал/шум;
— Динамический диапазон.
Другие, менее важные, но тоже имеющие значение характеристики включают: гамма-коррекцию, темновой ток, спектральную чувствительность, оптическую низкочастотную фильтрацию, диапазон АРУ в дБ, энергопотребление, габаритные размеры и пр.
Чувствительность
Чувствительность телекамеры, четко определенная в широковещательном ТВ, в видеонаблюдении часто понимается неверно, ее обычно путают с минимальной освещенностью.
Чувствительность характеризуется минимальным отверстием диафрагмы (максимальным F-числом), дающим видеосигнал полного размаха 1 В на тестовой таблице, освещенность которой равна точно 2000 лк и создана источником с цветовой температурой 3200° К.
Тестовая таблица должна иметь шкалу градаций яркости от черного до белого и общий коэффициент отражения 90 % для белой части этой шкалы.
Одна из стандартных тестовых таблиц для этих целей — это градационная испытательная таблица EIA. Пиковый уровень белого должен составлять 700 мВ, а уровень черного — около 20 мВ. Гамма-коррекция тоже играет роль в правильном воспроизведении тонов серого и должна быть установлена на 0.45. Чтобы установить чувствительность телекамеры, требуется объектив с ручной установкой диафрагмы, обычно с фокусным расстоянием 25…50 мм. Чтобы измерения были корректны, следует отключить АРУ телекамеры.
Когда все вышеперечисленное проделано, ручную диафрагму объектива закрывают до тех пор, пока пиковый уровень белого (700 мВ относительно уровня гашения) не начнет уменьшаться.
Отметка установки диафрагмы — F/4 или F/5.6 — и дает чувствительность телекамеры. Чем больше это число, тем выше чувствительность телекамеры. При сравнении различных телекамер следует использовать одинаковый источник света и ту же испытательную таблицу.
Рис. 5.34. Этот пример иллюстрирует тестирование телекамеры с градационной испытательной таблицей. На отметке диафрагмы F/5.6 полный размах видеосигнала еще 1 В
Минимальная освещенность
В видеонаблюдении не существует четкого определения минимальной освещенности, в отличие от чувствительности телекамеры. Обычно этот термин относят к наименьшей освещенности на объекте, при которой данная телекамера дает распознаваемый видеосигнал. Поэтому данная характеристика выражается в люксах на объекте, при которых получается данный видеосигнал.
Термин распознаваемый используется в широком смысле, и в зависимости от производителя может быть определен или нет. Это одна из самых больших «уловок» в видеонаблюдении. Большинство производителей, особенно тайваньских, не указывают уровень видеосигнала на выходе телекамеры для освещенности, указываемой как минимальная освещенность. Этот уровень может составлять 30 % (от 700 мВ), иногда 50 %, а иногда и 10 %.
