Вместо введения За
десять лет работы в области охранного телевидения, я регулярно наблюдаю
одну и ту же картину. Хмурой осенью бригада монтажников возвращается с
объекта. Телекамеры установлены, система функционирует, комиссия
приняла работу. Запомнились отзывы начальника охраны, который был
доволен тем, как хорошо телекамеры "показывают" ночью, и какая высокая
четкость изображения днем. Но наступает весна, и начинают трезвонить
телефоны... Оказывается, что при ярком солнечном свете, некоторые
камеры "уходят в белое", другие работают с искажениями, "белыми
столбами", потерей изображения на значительной площади фотоприемника и
так далее. Затем идут рекламации, командировки, замены камер и
объективов, потеря времени и денег. При построении телевизионных
систем, особое внимание обращают на наблюдение ночью. Выбирают камеры с
чувствительными фотоприемниками, светосильные асферические объективы,
применяют систему искусственной подсветки объектов и территорий. При
этом часто забывают об особенностях наблюдения днем. Считается, что
если света много, то и так все будет видно. Однако именно при ярком
солнечном свете возникают ситуации, когда на изображении, формируемом
охранной телекамерой возможна потеря не только больших участков, но и
всего изображения. В настоящей статье рассматриваются особенности
наблюдения при ярком солнечном освещении. Режимы расширения максимального наблюдаемого контраста 1. Гамма коррекция Гамма
коррекция является обязательным элементом любой телевизионной камеры. С
помощью этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование
логарифмического закона восприятия освещенностей человеческим глазом с
линейной зависимостью свет-сигнальных характеристик телекамеры и
видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в
дополнительном усилении слабых уровней сигнала. В телекамерах
используют различные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45. Рис.
1. Амплитудные характеристики узла гамма коррекции в микросхеме
CXA1310AQ (SONY), которая применяется во многих современных черно-белых
телевизионных камерах [3] При работе камеры в условиях
солнечного света нужно устанавливать меньшее из возможных значений
гамма коррекции - 0,45, что позволит несколько расширить диапазон
наблюдаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, создает
комфортное, "правильное" визуальное соотношение освещенностей, и
сдвигает вверх нижний уровень наблюдаемых освещенностей. Но указанное
преимущество достигается ценой следующих недостатков: - В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.
- Ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.
Поэтому,
при включенной гамма коррекции, несмотря на расширение визуально
наблюдаемого диапазона освещенностей становится большей вероятность
пропуска появившегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней
освещенностью. 2. Режим наблюдения против света "Back Light Compensation" Появившийся
несколько лет назад и активно рекламируемый режим "BLC" предназначен
для наблюдения объектов в сложных условиях - против света.
Схемотехнически он выполняется в виде переключения порогов срабатывания
электронного затвора (или опорного уровня в АРД объективе) и системы
АРУ так, что они становятся на 10 - 20% выше обычного. В результате,
самые яркие объекты (например, светлое окно) "зарезаются в белом", а
объекты среднего уровня (лицо человека, стоящего перед окном)
усиливаются и становятся хорошо видимыми. Таким образом, режим "Back
light compensation" не расширяет динамический диапазон, а сдвигает его
с целью лучшего наблюдения более темных объектов, ценой потери ярких
объектов. Существуют модификации режима в виде дополнительного
переключения "окон", в которых срабатывают схемы автоматического
регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант
реализации режима BLC с преобразованием верхних уровней сигнала в
"негативное изображение" (телекамеры фирмы JAI). Режим "BLC"
полезен в ряде случаев телевизионного наблюдения, но, к сожалению его
нельзя использовать в автоматическом виде, так как камера "не знает",
когда оператора интересует объект перед ярко освещенной поверхностью, а
когда важным является изображение самой этой поверхности. В настоящее
время появились дистанционно управляемые телекамеры, в которых оператор
может быстро включить или выключить режим "BLC". 3. Цифровая обработка сигнала и камеры "Super dynamic" Несомненно,
будущее за цифровой обработкой сигнала в телевизионных камерах. Но есть
серьезные препятствия, не позволяющие современным черно-белым камерам с
цифровой обработкой сигнала стать бесспорными лидерами телевизионного
рынка. В первую очередь это ограничения по стоимости, габаритам и
энергопотреблению. Если установить в телекамеру процессор уровня
Pentium IV, 16-ти разрядные АЦП и ЦАП, ОЗУ большого объема и т.д., она
станет недосягаемой для 99% применений. Поэтому в камеры устанавливают
упрощенные специализированные процессоры DSP и АЦП с небольшой
разрядностью, как правило 8, иногда 10. Результатом является низкая
эффективность цифровой обработки сигнала и отсутствие заметных
преимуществ цифровых камер над аналоговыми, за исключением сервисных. Три
года назад я был удивлен низкому качеству изображения накрученной
камеры WV-BP-510 с цифровым процессором, детектором движения, режимом
повышения чувствительности Sensitivity Enhancer. По качеству
изображения в дневных условиях она значительно уступала предшествующей
аналоговой модели WV-BP-310 той же фирмы Panasonic. Причина - малое
число уровней квантования в АЦП и ЦАП в этой камере, что визуально
наблюдалось в виде грубого квантованного изображения с характерным
"квадратно-гнездовым" шумом. Еще одним примером недостаточно высокой
эффективности цифровой обработки сигнала является знаменитый комплект
"Super dynamic"- матрица CCD и DSP процессор той же фирмы,
использованный в камере WV-BP-554 и других камерах. Великолепная идея
получения в одном телевизионном поле двух сигналов, суммарный
динамический диапазон которых в 40 раз превышает стандартный, эффектно
изображенная в рекламных проспектах, понравилась даже неспециалистам. Топология стандартной и "Super dynamic" матриц ПЗС Механизм преобразования сигналов в DSP процессоре Из рекламного проспекта фирмы Panasonic Рис. 2. Иллюстрация способа расширения динамического диапазона для камер серии "Super dynamic" Только
потом возникли вопросы: а как это получается при 10-ти разрядных АЦП и
ЦАПах? Не мешает ли обработке рассеяние света в объективах и т.д.?
Кроме того, динамический диапазон каждого элемента матрицы "Super
dynamic" должен быть, как минимум, в 2 раза меньше стандартного и
соответствовать матрицам формата 1/5 дюйма. Последнее обусловлено тем,
что сигналы двух полей одновременно хранятся в одной матрице ПЗС
формата 1/3 дюйма (рис. 2 б). После испытания знаменитой камеры
оказалось, что только путем длительной настройки удается получить
динамический диапазон такой же, как у обычных третьдюймовых камер.
Камеры на матрицах 1/2 дюйма однозначно превосходили "Super dynamic" по
всем параметрам, несмотря на заложенную интересную идею и все
хитросплетения цифровых методов обработки. Жаль, а так хотелось чуда...
Вспоминается старая шутка, которую любили мастера лампового телевидения
60-х годов: "Гамма коррекция хороша тем, что ее можно выключить". К
сожалению, это изречение вполне актуально и для режимов BLC и Super
Dynamic. Советы по установке камеры и выбору угла поля зрения. Защитные козырьки, бленды и светофильтры Важно
не только правильно выбрать объектив и телевизионную камеру, но и
наилучшим образом ее установить. Перечислим практические правила,
обеспечивающие лучшую защиту камеры от световых перегрузок: - Угол поля зрения объектива по возможности следует выбирать минимальным.
- На
камеру нужно установить светозащитный козырек с темной матовой
внутренней поверхностью. Его длина должна быть максимальной, такой,
чтобы его верхний край был чуть-чуть виден на изображении.
- Камеру
следует установить как можно выше, так, чтобы она смотрела сверху вниз,
и площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
- При
очень узких углах поля зрения (менее 10 угловых градусов)
непосредственно на объектив следует надевать светозащитную бленду с
матовой темной внутренней поверхностью. Бленда заметно уменьшает
рассеяние света в линзах объективов.
- Если в поле зрения
камеры есть небо, и в некоторые моменты времени может попадать Солнце,
на верхнем краю защитного козырька целесообразно закреплять нейтральный
светофильтр с ослаблением 5 -10 раз так, чтобы на изображении он
перекрывал небо, или, как минимум, зону возможного прохождения Солнца.
- В
камерах на стандартных комплектах микросхем фирм SONY, Samsung, Sharp
следует прикрывать непрозрачным материалом правый край изображения
(место расположения задних холостых элементов CCD).
- Перед
установкой на объект камеру с установленным объективом нужно проверить
на устойчивость при наблюдении прямого Солнца, ярких облаков и нити
лампы накаливания, наблюдаемой "в упор". В случае самовозбуждения
системы объектив-камера, следует увеличить порог срабатывания диафрагмы
объектива, что позволит ценой некоторого ухудшения качества изображения
гарантировать устойчивость ее работы.
Выводы Для обеспечения надежного телевизионного наблюдения в условиях солнечного освещения и световых перегрузок следует: 1.
Использовать объективы с автоматической диафрагмой, выбирая модели с
минимальным значением относительного отверстия не хуже F(360), с малым
светорассеянием и бликами, линейной регулировочной характеристикой. 2.
Применять телекамеры с матрицами ПЗС форматов не менее 1/2 - 1/3 дюйма,
желательно серии EXWAVEHAD фирмы SONY, имеющие наименьший "смаз"
изображения от ярких объектов. Учитывать, что матрицы стандартного
разрешения в полтора раза превосходят матрицы высокого разрешения по
максимальному наблюдаемому контрасту. 3. При необходимости
установки объективов с постоянной диафрагмой, следует выбирать камеры с
электронным затвором, реализующие минимальную экспозицию 1/1000000
секунды и имеющие систему автоматического переключения режимов ПЗС
"ночь - день". Такие камеры обеспечат минимальные потери информации при
наблюдении в условиях световых перегрузок. 4. Использовать светозащитные козырьки или бленды максимально возможной длины с темным матовым внутренним покрытием. 5. Камеры на местности устанавливать как можно выше, чтобы площадь неба в поле зрения камеры была минимальной. 6.
В наиболее сложных условиях наблюдения целесообразно применение
телекамер с дистанционно регулируемыми параметрами, которые позволят
операторам быстро и оптимально подстраивать режимы камер к изменяющимся
условиям наблюдения. 7. Для наблюдения высококонтрастных
изображений следует выбирать черно-белые видеомониторы больших размеров
с максимальной яркостью свечения экрана.
|