29 апреля 2002
Динамика воспроизведения контраста ТВ камерой
ДИНАМИКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КОНТРАСТА ТВ КАМЕРОЙ
Н. Уваров
БДИ №6, 2001
Если сцена освещена равномерно с Е = constant по всему растру, то динамический диапазон по контрасту наблюдаемого видеокамерой исходного изображения определяется соотношением коэффициентов отражений объектов максимального к минимальному. Обычно это значение не превышает К=100 (чёрный бархат с коэффициентом отражения 0,01 на снегу с коэффициентом отражения 0,9). В яркий солнечный день контраст передаваемой сцены определяется не только упомянутым соотношением коэффициентов отражения, а ещё и соотношением освещённостей на солнце и в тени. Как правило, его значение не превышает 1000-5000, если конечно нет прямых зеркальных отражений Солнца в поле зрения наблюдателя или видеокамеры. Способность видеокамеры воспроизводить такие контрасты прямо зависит от величины её параметра - отношение сигнал/шум (С/Ш).
Действительно, если задаться критерием, что минимально обнаруживаемый контраст определяется значением С/Ш=1, то соотношение минимального и максимального значений сигналов в выходном видеосигнале телевизионной камеры (ТК) будет равно отношению С/Ш в разах. Известно, что параметр С/Ш в ТК в основном зависит от применяемого в ней ПЗС сенсора и определяется соотношением максимально возможной величины зарядового пакета, измеряемого количеством электронов в потенциальной яме пикселя, и среднеквадратичным значением величины шумов считывания так же измеряемого количеством так называемых шумовых электронов. Практически для всех современных ПЗС сенсоров, широко используемых в промышленном и прикладном телевидении, количество шумовых электронов составляет 20 - 40 [1], ибо определяется, в основном, типичной для всех кристаллов ПЗС техникой исполнения выходного устройства преобразования заряда пикселя в напряжение. Максимальная же величина зарядового пакета прямо пропорциональна объёму потенциальной ямы пикселя, зависящему от геометрической площади пикселя и от потенциала накопления.
Таким образом, при прочих равных условиях, то есть одинаковой технике исполнения топологических структур ПЗС сенсоров, равном количестве элементов разложения изображения и одинаковых потенциалах накопления, ПЗС сенсор большего формата будет иметь большую величину максимального зарядового пакета и как следствие большее отношение сигнал/шум. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что объём потенциальной ямы ПЗС сенсора с межстрочным переносом, форматом 1/2 дюйма и числом активных элементов 752H x 528V при полном заполнении вмещает порядка 200000 электронов [2]. То есть, при 25 шумовых электронов динамический диапазон по контрасту составит 8000 раз. В ПЗС сенсорах аналогичных по разрешению, но меньших по формату динамический диапазон по контрасту будет меньше. Для ПЗС 1/3 дюйма в два раза, для 1/4 дюйма в четыре раза.
Из выше изложенного следует, что видеокамеры с форматом 1/2 дюйма с некоторым запасом позволяют перекрыть динамический диапазон исходных световых контрастов в солнечный день и вообще воспроизводить чёткое контрастное изображение при больших перепадах по освещённости в рамках растра. Видеокамеры высшей категории, например LTC 0500 фирмы PHILIPS, за счёт пониженного уровня собственных шумов, имеет динамический диапазон по контрасту более 10000. Это обстоятельство позволило осуществить полную цифровую обработку видеосигнала и, в частности, организовать такие виды уровневой обработки как глубокая гамма-корекция (0,25 - 1 настраиваемая с шагом 0,05), компенсация фоновой засветки и компрессия локальных пересветок. Управление названными параметрами осуществляется дистанционно через порт RS 232. Так, например, управляемая гамма-корекция позволяет как бы сжать исходный динамический диапазон освещённостей и согласовать его и с динамическим диапазоном воспроизведения контрастов монитора и с контрастной чувствительностью зрительного аппарата человека, наблюдающего изображение на мониторе. Очевидно, что упомянутые виды обработки весьма проблематично реализовать в видеокамерах с форматом сенсора 1/3 дюйма и не возможно на видеокамерах с форматами сенсоров 1/4 дюйма и меньше.
Из изложенного выше можно сделать следующие основные выводы:
- Для получения надёжной видеоинформации в уличных условиях следует применять видеокамеры с форматом ПЗС сенсоров 1/2 дюйма.
- Путём выбора ракурса и угла поля зрения видеокамеры при установке последней добиваться по возможности равномерного распределения яркости воспроизводимого изображения. Не следует в уличных условиях применять весьма широкоугольные объективы.
- Следует избегать попадания в поле зрения камеры прямых солнечных засветок, больших участков неба, бликов, засветок от источников оптического излучения.
- Следует, по возможности, отказываться от использования на улице цветных видеокамер, имеющих значительно меньший динамический диапазон по контрасту в сравнении с черно-белыми камерами, да и световая чувствительность у них значительно хуже. Кроме того, динамика воспроизведения контраста у черно-белых мониторов значительно лучше в сравнении с цветными.
Литература
- J. Janesick, K. Klaasen and T. Elliott "CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique" in Solid State Imaging Arrays, K. N. Prettyjohns and E. L. Dtrtniak, eds., Proc. SPIE 570, 7-19 (1985)
- С.И. Неизвестный, О.Ю. Никулин "Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС", "Специальная техника", №5, 1999.
Об авторе: Уваров Николай Егорович, начальник учебного центра "ЗАО КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ", кандидат технических наук
Источник: Статья поступила в редакцию от автора
