20 января 2012

Еще раз о разрешающей способности телевизионных камер

Журнал PROSystem CCTV No. 5(53) 2011 г
Авторы: Н. Е. Уваров, Е. П. Стивакин

Всегда ли разрешающая способность телевизионной камеры соответствует паспортным данным? Конечно же, нет! В паспорте на ТВ-камеру, как правило, записывают наилучшие показатели по параметру «разрешающая способность». В статье А.Н. Куликова [1] проиллюстрированы факторы, влияющие на снижение разрешающей способности в реальных условиях эксплуатации. Экспериментально показано, что на реальную разрешающую способность влияют многие фактору. Она зависит от расхождения пространственных частот и фаз штриховой миры (на отметке измерения) и чередующихся чувствительных элементов сенсора ТВ-камеры, от величины относительного отверстия диафрагмы объектива, определяющего (в соответствии с критерием Релея) диаметр кружка рассеяния объектива, от отношения сигнал/шум, от глубины коррекции введенной в камерном корректоре четкости изображения, от полосы пропускания тракта усиления и обработки видеосигнала в самой ТВ-камере и полосы пропускания телевизионного тракта от камеры до монитора.

Если не брать во внимание последний фактор, влияние на четкость полосы частот ТВ-тракта, то в конечном итоге, можно констатировать, что величина разрешающей способности есть функция от величины освещенности на объекте наблюдения. Попробуем детально исследовать эту функциональную зависимость и определить оптимальные алгоритмы совместной работы механизмов адаптации ТВ-камеры к изменениям освещенности [2], то есть оптимальные с точки зрения удержания телевизионной камеры в режиме наиболее высокого разрешения в наиболее широком интервале изменения освещенности.

Измерения разрешающей способности будем оценивать по переходной характеристике телевизионной камеры, то есть по такой характеристике, которая отображается в видеосигнале при воспроизведении границы черно-белого перепада тестовой таблицы ТИТ0249. Это позволит получить робастные оценки глубины модуляции для любого значения величины разрешающей способности в телевизионных линиях (ТВЛ), в отличие от неадекватной оценки этой величины по клиньям четкости на таблице ТИТ0249 из-за возникающей редукции пространственных частот.

Рис.1 Осциллограмма аппроксимации переходной характеристики синусоидальным сигналом

Суть метода измерения состоит в следующем. На Рис. 1 представлена переходная характеристика ТВ-камеры в направлении горизонтальной развертки (осциллограмма желтого цвета). Аппроксимируем черно-белый перепад видеосигнала полупериодом синусоидальной функции (осциллограмма голубоватого цвета). Тогда, как следует из осциллограммы, максимальная скорость нарастания переходной характеристики, в принципе, обеспечивает возможность отображения синусоидального изменения яркости по горизонтали на размах видеосигнала 0.56 В с периодом 0.6 мкс. Если принять размах черно-белого перепада в видеосигнале 0.6 В за 100%, то можно констатировать, что глубина модуляции на этой пространственной частоте изменения яркости составит (0.56 : 0.6)•100%=93%. А какой величине в телевизионных линиях (ТВЛ) будет соответствовать эта пространственная частота синусоидального изменения яркости на ПЗС-сенсоре? Известно, что период синусоидального сигнала соответствует двум ТВЛ, тогда нетрудно показать, что за время прямого хода строчной развертки (в соответствии с ГОСТ 7845-92 -52 мкс) на этой пространственной частоте по горизонтали будут воспроизводиться (52 : 0.6)•2=173 вертикальных черно-белых полос. При пересчете к высоте растра это составит порядка 130 ТВЛ. Таким образом, можно утверждать, что частотно-контрастная характеристика испытуемой телевизионной камеры на отметке 130 ТВЛ будет иметь глубину модуляции 98%. Очевидно, что все более высокие пространственные частоты синусоидального изменения яркости будут воспроизводиться в видеосигнале с меньшим размахом.

Произведем расчет частотно-контрастной характеристики телевизионной камеры по параметрам ее переходной характеристики. В соответствие с осциллограммой на Рис. 1 максимальная скорость нарастания переходной характеристики будет находиться в начале координат, в точке t=0, и величина скорости будет определятся производной от функции A×sin(2πt : T₀). Где A=0.28 В - амплитуда синусоидального сигнала аппроксимации фронта переходной характеристики, T₀ - период синусоидального сигнала аппроксимации, t - текущее время. Таким образом, скорость нарастания переходной характеристики, измеряемая в вольтах в микросекунду, будет равна V(t) = (A×2π) : T₀×Cos(2πt : T₀). Максимальная скорость нарастания достигается, когда cos(2πt : T₀) = l, то есть при t=0. Тогда Vmax = (A×2π) : T₀ = (0.28•2•3.14) : 0.6 = 2.93 В/мкс. Итак, максимальная скорость нарастания переходной характеристики составляет Vmax = 2.93 В/мкс.

Рис. 2 Расчетная частотно-контрастная характеристика телевизионной камеры

Из последнего выражения следует, что при конкретной максимальной скорости нарастания переходной характеристики однозначно определяется амплитуда, с которой ТВ-камера будет воспроизводить в видеосигнале ту или иную пространственную частоту синусоидального стопроцентного изменения яркости на ПЗС-сенсоре. То есть функция A_i= Vmac-T_i: 2π фактически позволяет рассчитать частотно-контрастную характеристику телевизионной камеры. Произведем расчет для отметки 300 ТВЛ. Как известно, 300 ТВЛ это 400 черно-белых полос, воспроизводимых ТВ-камерой по горизонтали и пересчитанных к высоте растра. Это соответствует 200 периодам синусоидального сигнала за время прямого хода строчной развертки, величина которого в соответствие с ГОСТ 7845-92 равна 52 мкс. Отсюда следует, что T₃₀₀ = 52 : 200 = 0.26 мкс. Подставив вычисленное значение для T₃₀₀ в выражения A_i = (Vmwc×T_i) : 2π, получим значение амплитуды A₃₀₀ синусоидального сигнала, воспроизводимого телевизионной камерой на отметке 300 ТВЛ. A₃₀₀= (Vmax•T₃₀₀) : 2π = (2.93-0.26) : (2-3.14) = 0.121 В. А размах в видеосигнале на отметке 300 ТВЛ (от пика до пика) обозначим его как AA₃₀₀, будет в два раза больше и составит 0.242 В. В процентном отношении это определит глубину модуляции на отметке 300 ТВЛ как (0.242:0.6)•100%=40%.

После анализа вышеизложенного несложно показать, что окончательная формула для расчета частотно-контрастной характеристики телевизионной камеры, будет иметь вид:

(1)

где M_tvl - глубина модуляции на отметке конкретного значения числа телевизионных линий N_tvl, в процентах, T_dls - время прямого хода строчной развертки (Time of the direct line scan) в микросекундах, K - формат кадра с соотношением сторон 3:4, A_tch - размах переходной характеристики в телевизионной камере (transfer characteristic) в вольтах, π = 3.14. Произведем расчет частотно-контрастной характеристики телевизионной камеры, имеющей переходную характеристику, представленную на Рис. 1. Данные расчета внесем в Таблицу 1 и построим кривую частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), как функцию М_tvl% = f (N_tvl) (см. Рис. 2). Полученная ЧКХ довольно точно будет отображать реальную характеристику телевизионной камеры, несмотря на то, что в расчетах предполагалась оценка реакции ТВ-камеры на синусоидальное изменение яркости по горизонтали. Действительно, даже если бы ТВ-камере предъявлялась мира из дискретного изменения яркости, ее отклик в видеосигнале на этих частотах ограничивался бы первой гармоникой. Так, как было показано выше, на отметке 300 ТВЛ период повторения первой гармоники импульсов в видеосигнале равен 0.26 мкс, а частота гармоники 3.85 МГц. Отсюда следует, что даже вторая гармоника 7.7 МГц лежит за полосой пропускания видеотракта телевизионной камеры, а если вспомнить что периодическая последовательность симметричных прямоугольных импульсов имеет в своем спектре только нечетные гармоники, то ближайшая третья гармоника 11.55 МГц оказывается далеко за полосой пропускания ТВ-тракта. На 200 ТВЛ третья гармоника составит 7.69 МГц. Таким образом, для скорости нарастания переходной характеристики телевизионной камеры (Рис. 1) ее ТВ-тракт - преобразования изображения сцены в электрический сигнал, его усиления и обработки - ведет себя как обычный низкочастотный фильтр со спадом ЧКХ на отметке 100 ТВЛ.

Таблица 1

N_tvl	100	130	200	300	400	500	600	700
AA_tvl,N	0.6	0.56	0.364	0.242	0.182	0.145	0.121	0.104
М_tvl%	100	93	60	40	30	24	20	17

Таблица 2

E, лк	0.01	0.1	1.0	10	100	1000	10000	100000
T_0,мкС	1.26	0.9	0.7	0.63	0.61	0.65	0.86	1.18
M_{tvl 40%}	150	210	270	300	310	290	220	160

Рис. 3 Экспериментально снятая зависимость разрешающей способности телевизионной камеры от освещенности на объекте

Итак, при экспериментальном исследовании зависимости разрешающей способности ТВ-камеры от величины освещенности на объекте наблюдения мы ограничились определением границы ЧКХ по разрешению с глубиной модуляции 40%. Как следует из характеристики (Рис. 2), это наиболее чувствительная точка к изменениям глубины модуляции в обе стороны, что позволяет уверенно регистрировать ее положение. В экспериментальных исследованиях для каждого конкретного значения величины освещенности на объекте, по вышеизложенной методике, определялась отметка по разрешающей способности с уровнем модуляции 40% от величины черно-белого перепада. N_{tvl 40%} 40% = f (E). Подставив в формулу (1) значение М_tvl = 40% и разрешив его относительно N_tvl, получим

(2)

Подставив в формулу (2) значение V_max = (A×2π) : T₀, учитывая что размах переходной характеристики A_tch, практически, равен размаху синусоидального сигнала аппроксимации 2A, получим окончательную формулу для расчета N_{tvl 40%} по замеру на осциллографе периода синусоидального сигнала аппроксимации T₀.

N_{tvl 40%} ≈ 190 : T₀ (3)

Оценка получится несколько завышенная, так как размах синусоидального сигнала аппроксимации, как правило, составляет 90-95% от размаха переходной характеристики. Однако для нас не особо важно в результате проведенных испытаний получить точное значение N_{tvl 40%}. Важно по измеренной величине N_{tvl 40%} оценить поведение параметра разрешающей способности телевизионной камеры в зависимости от изменения освещенности на объекте. И это допущение никак не скажется на оценке поведения параметра разрешающей способности, однако существенно упростит проведение испытаний.

Еще одно существенное замечание: все изложенные выше рассуждения справедливы для линейных систем преобразования, усиления и обработки сигналов. Поэтому все измерения проводились при отключении таких функций, как оконтуривание, компенсация засветки фона (BackLight Compensation), компенсация уровня черного (Automatic Black Level), выравнивание контраста (Wide Dynamic Range), гамма-коррекция (степень гамма-коррекции равна единице).

Для проведения испытаний была выбрана черно-белая телевизионная камера Bosch LTC0385/50 (оптический формат 1/3’’). Измерения проводились с объективом Computar HG0614AFCS (фокусное расстояние 6 мм, F/1.4, оптический формат 1/2’’, автодиафрагма). Разница в форматах объектива и ТВ-камеры была выбрана намеренно, чтобы уверенно почувствовать в экспериментальных исследованиях влияние величины показателя диафрагмы на разрешающую способность ТВ-камеры в целом. Измерения освещенности на таблице ТИТ0249 проводились люксметром LM1010 (производитель ELVOS GmbH). Регистрация и аппроксимация переходной характеристики производились осциллографом Tektronix TDS-1012 совместно с генератором сигналов специальной формы FG-506. На первый вход осциллографа подавался видеосигнал с телевизионной камеры LTC0385/50. Осциллограф устанавливался в режим развертки видеосигнала с выделением строки. На экране воспроизводился черно-белый перепад от черного прямоугольника таблицы ТИТ0249, расположенном в центре таблицы в квадратах Г4;Г5. На второй вход осциллографа подавался синусоидальный сигнал от генератора FG-506. Частота и амплитуда синусоидального сигнала подбиралась таким образом, чтобы достаточно точно аппроксимировать форму переходной характеристики полупериодом синуса. После чего кнопкой «ПУСК/ СТОП» осциллографа в режиме «СТОП» фиксировалось наложение сигналов друг на друга, как показано на Рис. 1. По зафиксированному изображению осциллограммы определялся период синусоидального сигнала аппроксимации - T0, и по формуле (3) вычислялась отметка в телевизионных линиях с 40% уровнем модуляции Ntvl 40%. Полученные данные измерений внесены в Таблицу 2. На графике (см. Рис. 3) представлена функциональная зависимость разрешающей способности телевизионной камеры ТC0385/50 от освещенности на объекте. Попытаемся объяснить поведение зависимости. По косвенным признакам удалось установить, что диафрагма объектива полностью открыта при уровнях освещенности таблицы начиная со значений 1-2 лк и ниже. При этом конструктивные возможности объектива обеспечивают глубину модуляции 40% на отметке порядка 270 телевизионных линий. При дальнейшем увеличении освещенности отверстие диафрагмы уменьшается, уровень аберраций уменьшается, а резкость объектива возрастает, но только до определенного предела. Далее резкость опять падает уже из-за влияния дифракции. Обычно объективы дают наивысшие показатели по разрешающей способности при относительном отверстии диафрагмы F/8-F/11. В эксперименте наилучшие результаты с глубиной модуляции 40% на отметке 300 телевизионных линий получены при уровнях освещенности 20-200 лк, что соответствует относительному отверстию диафрагмы используемого в эксперименте объектива в диапазоне F/8-F/16 (диапазон значений диафрагменных чисел был вычислен косвенно).

Рис. 4 Семейство временных реализаций переходных характеристик

Итак, дифракция - нарушение прямолинейного закона распространения лучей света при прохождении вблизи непрозрачных препятствий - приводит к тому, что та часть лучей света, которая проходит вблизи диафрагмы, несколько меняет свое направление, в итоге приводя к размытию изображения. При достаточно открытых значениях диафрагмы влияние дифракции практически незаметно, так как количество лучей, которые проходят через центр отверстия напрямую, значительно больше количества лучей, дифрагируюших по краю отверстия диафрагмы. Поэтому на открытых диафрагмах явлением дифракции можно пренебречь, но это не значит, что его нет. Тем не менее, поскольку при диафрагмировании длина окружности диафрагмы уменьшается гораздо медленнее, чем ее площадь, доля «пострадавших» от дифракции лучей увеличивается. Поэтому резкость большинства объективов не будет хороша ни в одном из крайних значений диафрагмы, то есть как при полностью открытой, так и при полностью закрытой. Это достаточно убедительно и подтвердили результаты эксперимента.

В диапазоне уровней освещенности ниже 1 лк, разрешающая способность телевизионной камеры ухудшается за счет маскирования мелких деталей и контуров объектов возрастающими шумами. Шумы приводят к дрейфу истинного положения фронта переходной характеристики от строки к строке смазывая линию черно-белого перехода на воспроизводимом изображении тестовой таблицы. На Рис. 4 представлены семь наложенных друг на друга временных реализаций переходных характеристик ТВ-камеры в направлении горизонтальной развертки при уровне освещенности испытательной таблицы 0.05 лк. Представленные осциллограммы позволяют констатировать, что шумы в видеотракте ТВ-камеры «размывают» временное положение фронта переходной характеристики, изменяя его крутизну нарастания случайным образом по всем горизонтальным сечениям. В работе [3] показано, что величина среднеквадратичного смещения фронта импульса обратно пропорциональна крутизне фронта импульса и отношению сигнал/шум. Действительно, как видно из семейства осциллограмм (см. Рис. 4), дрейф фронта импульса в области «черного», где уровень шума выше, значительно больше, чем в области «белого», и минимален в центре перепада, где крутизна фронта максимальна. В связи с этим в эксперименте при вычислении разрешающей способности аппроксимация фронта переходной характеристики производилась синусоидальным сигналом, наложенным на семейство переходных характеристик по линии с минимальной крутизной, как показано на Рис. 4. Как видно из графика Рис. 3, экспериментально вычисленная таким образом характеристика разрешающей способности ТВ-камеры в диапазоне уровней освещенности ниже 1 лк спадает пропорционально отношению сигнал/шум.

Итак, анализируя поведение функции на Рис. 3 мы можем сделать следующие выводы:

Высокое разрешение ТВ-камеры при изменении освещенности поддерживается в интервале 8-300 лк, что примерно соответствует относительному отверстию диафрагмы в диапазоне F/4-F/22.
При возрастании освещенности выше 300 лк разрешающая способность ТВ-камеры падает из-за увеличения влияния дифракции в объективе.
В диапазоне освещенностей ниже 8 лк, разрешающая способность ТВ-камеры падает за счет маскирования мелких деталей и контуров объектов возрастающими шумами.

При экспериментальных исследованиях были проанализированы возможности средств адаптации к изменениям освещенности, реализованных в ТВ-камере Bosch LTC0385/50. Были экспериментально сняты зависимости разрешающей способности ТВ-камеры при изменении освещенности для трех фиксированных значений времени экспозиции (1/50 с, 1/500 с и 1/5000 с). В результате выяснилось, что фактически функциональная зависимость, представленная на Рис. 3, при уменьшении времени экспозиции на порядок смещается на порядок в направлении роста уровней освещенностей. На Рис. 5 представлены три зависимости для значений времени экспозиции t = 1/50 с, t = 1/500 с и t = 1/5000 с. Из анализа поведения зависимостей очевидно, что в ТВ-камере имеется возможность как минимум на два порядка расширить зону удержания телевизионной камерой режима наиболее высокого разрешения при изменении освещенностей.

Рис. 5 Характеристики разрешающей способности ТВ-камеры для различных времен экспозиции

Механизм адаптации к изменениям освещенностей необходимо модернизировать путем правильного распределения функций между контурами управления чувствительностью ТВ-камеры, то есть автоматической диафрагмой и автоматическим управлением временем экспозиции [2]. Из графиков (Рис. 5) очевидно, что при увеличении уровня освещенности нормированный по размаху видеосигнал на выходе ТВ-камеры должен поддерживаться автоматической диафрагмой. При выходе диафрагмы на значения, соответствующие максимальному разрешению объектива, и дальнейшем росте уровня освещенности нормированный уровень видеосигнала должен поддерживать автоматический контур управления временем экспозиции. Однако не следует контуру управления экспозицией выходить на времена более короткие, чем 1/5000 с, так как при значительных уровнях освещенности на ПЗС-сенсоре происходит растекание зарядов в сенсоре и затекание их под закрытые от света каналы переноса. Это в конечном итоге ведет к падению разрешения ТВ-камеры и снижению контраста, то есть будет наблюдаться эффект «выбеливания» картинки. Поэтому при достижении времени экспозиции 1/5000 с, функцию управления чувствительностью ТВ-камеры должна снова взять на себя автоматическая диафрагма.

Модернизация алгоритма управления чувствительностью ТВ-камеры задача не такая уж простая, но ее уже удалось решить совместными усилиями специалистов Axis Communications из Швеции и японского производителя объективов Kowa для мегапиксельных и сетевых телекамер [4]. Разработанная система включает в себя объектив с технологией P-Iris и специализированное программное обеспечение камеры. Эта программа управляет шаговым двигателем объектива с технологией P-Iris, обеспечивая точнейшее автоматическое управление раскрытием диафрагмы. Главной задачей управления P-Iris является не постоянная подстройка светового потока через объектив, а улучшение качества изображения путем оптимизации степени раскрытия диафрагмы до значения, которое обеспечивает использование только самой эффективной центральной части линзы в более широком интервале изменения уровней освещенности. При этом изменения условий освещения в этом интервале парируются традиционными электронными средствами - усилением уровня сигнала и изменением времени экспозиции. Это позволяет удерживать нормированный уровень сигнала на выходе телекамеры. В тех ситуациях, когда предпочтительный уровень раскрытия диафрагмы электронные средства камеры не могут адекватно корректировать, камера с технологией P-Iris автоматически изменяет уровень раскрытия диафрагмы.

Такая модернизация алгоритма управления чувствительностью была бы полезна и для телевизионных камер систем охранного телевидения. Но особо остро нуждаются в такой модернизации скоростные купольные телекамеры с автоматической фокусировкой объектива. Известно, что алгоритм автоматической фокусировки объектива базируется на нахождении такого положения объектива относительно ПЗС-сенсора, при котором размах высокочастотных составляющих в видеосигнале будет максимальным. В летние дни при ясной солнечной погоде, когда освещенность для средней полосы России достигает значений близких к 50000 лк, дифракция в объективе при закрытой диафрагме настолько ухудшает разрешающую способность ТВ-камеры, что высокочастотные составляющие в видеосигнале пропадают совсем. Это приводит к тому, что автоматическая фокусировка ТВ-камеры фиксируется в одном положении и изображение на экране монитора воспроизводится расфокусированным. Достаточно в ручном режиме управления диафрагмой чуть приоткрыть ее отверстие, как сразу же восстанавливается работа контура автоматической фокусировки объектива. Доработка алгоритма адаптации купольных ТВ-камер позволила бы избежать таких нештатных ситуаций, приводящих иногда операторов к растерянности, что совершенно недопустимо при охране важных и особо важных объектов.

Нет сомнений, что описанные выше алгоритмы адаптации чувствительности ТВ-камер к изменениям освещенности будут внедряться в новые модели камер систем охранного телевидения. Однако уже сейчас совершенно ясно, что такая модернизация была бы весьма полезна для ТВ-камер существующего парка охранного телевидения. По-видимому, это возможно в ТВ-камерах с цифровой обработкой видеосигнала и контроллером управления. Вероятно, в таких камерах не потребуется введение в электрическую схему каких-либо дополнительных электронных средств, а достичь цели удастся только доработкой программного обеспечения и сменой прошивки.

А. Н. Куликов. Реальная разрешающая способность телевизионной камеры. «Специальная Техника», № 2, 2002 г.
Н. Е. Уваров. Средства управления чувствительностью ТВ-камер. «Алгоритм безопасности» № 1, 2003 г.
Н. Е. Уваров. Фотоэлектрические преобразователи датчиков положения в автоматических установках совмещения. «Электросвязь», № 11, 1974 г.
P-Iris. New iris control improves image quality in megapixel and HDTV network cameras.

Просмотров: 5471