Рис. 5.44. Слева телекамера дает заметный вертикальный ореол, справа ореол почти незаметен
Когда достигается уровень насыщения при экспозиции ПЗС-матрицы (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC), может проявиться эффект «заплывания» (blooming), когда избыточный свет насыщает не только те элементы изображения (пикселы), на которые он падает, но и соседние тоже. В результате у телекамеры снижается разрешающая способность и детальная информация в ярких зонах. Чтобы решить эту проблему, во многих ПЗС-матрицах была разработана специальная секция (anti-blooming). Эта секция ограничивает количество зарядов, которые могут собираться на каждом пикселе.
Если эта секция спроецирована нормально, ни один пиксел не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры. Итак, даже если динамический диапазон такого сигнала ограничен, детали в ярких областях изображения не теряются. Это может оказаться чрезвычайно важным в сложных условиях освещения: если телекамера «смотрит» на свет фар автомобиля или ведется наблюдение в коридорах на фоне яркого света.
Некоторые изготовители телекамер (вроде Plettac) разработали специальную схему, которая блокирует перенасыщенные зоны на этапе цифровой обработки сигнала. Схема АРУ видеосигнала «не замечает» слишком ярких зон и не использует их в качестве белых пиковых опорных точек, вместо этого берутся более низкие значения, благодаря чему детали в темных зонах становятся более различимы.
Другие фирмы, вроде Panasonic, запатентовали новые методы работы ПЗС-матриц, вместо экспозиции одного поля в каждый период (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC) за этот период проводится две экспозиции. Одна — очень короткое время, обычно порядка 1/1000 с, другая — нормальное время, которое зависит от количества света.
Затем две экспозиции комбинируются в одно поле, так что яркие зоны экспонируются более короткое время и дают детали в ярком, а более темные области экспонируются дольше, что позволяет получить детали в темной части изображения, суммарный эффект — увеличение динамического диапазона телекамеры в 40 раз (как утверждает Panasonic).
Рис. 5.45. Супердинамический эффект в телекамерах Panasonic
Следует упомянуть, что кроме конструкции самой ПЗС-матрицы важную роль для ее динамического диапазона, как и для отношения сигнал/шум, играет температура. Более низкие температуры дают меньший уровень шума в любом электронном устройстве, так что динамический диапазон увеличится. В научных исследованиях, где нежелателен любой, даже ничтожно малый, шум, используются специально охлажденные ПЗС-головки, а рабочая температура ПЗС-матрицы сохраняется в пределах ниже -50 °C. Для таких приложений выпускаются телекамеры с ПЗС-блоком со средствами подсоединения охлаждающего агента.
Итак, следует помнить, если в системах видеонаблюдения мы не используем телекамеры хорошего качества, то температура может сыграть существенную роль в снижении качества изображения. Таким образом, очень важно сохранять температуру корпуса телекамеры как можно более низкой.
Рис. 5.46. Затемнение пикового света в телекамерах фирмы Plettac
Цветные ПЗС-телекамеры
Цветное телевидение — это очень сложная наука. Основная концепция цветного телевидения, как уже говорилось, заключена в комбинировании трех основных цветов: красного, зеленого, синего.
Цветовое смешение происходит в нашем глазу, когда мы смотрим на экран видеомонитора с некоторого расстояния. Дискретные цветные элементы (R, G и В) столь малы, что на самом деле мы видим результирующий цвет, получившийся в результате аддитивного смешения трех компонент.
Как мы говорили выше, это называется аддитивным смешением, в противоположность субтрактивному, потому что, добавляя дополнительные цвета, мы получаем большую яркость, и при корректном смешении первичных цветов может быть получен белый цвет.
Большинство цветных телекамер в телевещании имеют три ПЗС-матрицы, каждая получает свою компоненту цвета. Разделение белого цвета на компоненты R, G и В производится специальной оптической светоделительной призмой, устанавливаемой между объективом и ПЗС-матрицами.
Светоделительная призма — это очень дорогой и точный оптический блок с дихроическими зеркалами. Такие телекамеры называются трехматричными цветными телекамерами и нечасто применяются в системах видеонаблюдения, так как они значительно более дорогие, чем одноматричные телекамеры. Однако они имеют очень высокую разрешающую способность и превосходные технические характеристики.
В видеонаблюдении чаще всего используются одноматричные цветные телекамеры. Они формируют композитный цветной видеосигнал, известный как CVBS. В главе 4 мы уже обсуждали цветной видеосигнал (см. уравнение (35)); три компоненты видеосигнала, входящие в состав CVBS: яркостной сигнал (Y), красный цветоразностный (V = R-Y) и синий цветоразностный (U = B-Y). Они квадратурно модулированы и вместе с яркостным образуют композитный цветной видеосигнал. Затем в цветном видеомониторе эти компоненты обрабатываются и получаются первичные сигналы R, G и В.
В одноматричных цветных ПЗС-телекамерах цветоделение может производиться одним из двух методов фильтрации:
— Фильтр полос RGB, где три вертикальные пиксельные колонки (полоски) расположены рядом друг с другом: красная, зеленая, синяя.
— Комплементарный мозаичный цветовой фильтр, где пикселы ПЗС-матрицы не чувствительны к R, G и В цвету, а чувствительны к дополнительным (комплементарным) цветам — голубому, пурпурному, желтому и зеленому, расположенным в виде мозаики.
Рис. 5.47. Цветная ПЗС-телекамера с тремя матрицами использует светоделителъную призму для разделения цветов
Первый тип одноматричной цветной ПЗС-камеры дает очень хорошее цветовоспроизведение и требует более простых схем. Однако, такие матрицы «страдают» очень низкой разрешающей способностью по горизонтали, обычно порядка 50 % от общего числа пикселов в горизонтальном направлении матрицы. Что касается разрешающей способности по вертикали, то она определяется полным числом пикселов по вертикали. Подобный тип телекамер формирует цветные сигналы RGB.
Мозаичная одноматричная цветная ПЗС-телекамера требует более сложной электроники и может отставать по качеству цветопередачи в сравнении с RGB моделями (ведь цветовые преобразования должны относиться к компонентам Су, Ye, Mg, Gr), но дает гораздо более высокую разрешающую способность по горизонтали (более 65 % горизонтальных пикселов).
Рис. 5.48. Фильтр полос RGB одноцветной ПЗС-матрицы
Рис. 5.49. Комплементарный (Су, Ye, Mg, Gr) мозаичный фильтр одноцветной ПЗС-матрицы
Поскольку последние наиболее распространены в видеонаблюдении, мы уделим немного больше места этому вопросу и объясним, как цветовые компоненты преобразуются в композитный цветной видеосигнал.
Мозаичный фильтр, обычно называемый матрицей цветовых фильтров (CFA, Color Filter Array), разделяет свет на голубой, пурпурный, желтый и зеленый компоненты. Как уже упоминалось, эти цвета являются дополнительными. И на практике этот тип одноматричных ПЗС-телекамер использует цветовые компоненты Су, Ye, Mg и Gr для создания сигнала яркости Y и цветоразностных сигналов V = R-Yn U = B-Y
Следует отметить (для ясности), что одноматричная цветная ПЗС-телекамера имеет светочувствительные пикселы одинаковой кремниевой структуры, не различной для различных цветов, как можно подумать. Именно CFA-фильтр разделяет изображение на цветовые компоненты.
Чтобы понять, как это происходит, посмотрите на матрицу цветовых фильтров на рис. 5.50.
Рис. 5.50. Матрица цветовых фильтров (CFA) цветной одноматричной ПЗС-телекамеры
Такой тип CFA-фильтра относится к телекамере стандартной интеграции поля, т. е. к телекамере, время экспозиции которой составляет 1/50 с для PAL или 1/60 с для NTSC.
Как видно из схемы, четыре ячейки горизонтального сдвигового регистра содержат сигналы (Gr+Cy), (Mg+Ye), (Gr+Cy) и (Mg+Ye) соответственно. Обрабатывая соответствующим образом эти четыре сигнала, мы можем получить три компонента композитного цветного видеосигнала: яркостной (Y), красный цветоразностный сигнал (R-Y) и синий цветоразностный сигнал (B-Y).
Во-первых, сигнал яркости получается из соотношения:
7 = 1/2 [(Gr + Су) + (Mg + Ye)] = 1/2 (2В + 3G + 2R) (43)
Приведенное выше соотношение показывает, как получается сигнал яркости в цветных одноматричных ПЗС-камерах с любым типом фильтрации (как с мозаичным типом фильтра, так и с фильтром полос RGB).
