CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии - Владо Дамьяновски

Кроме того, светособирающая площадь матрицы меньше, чем у ПЗС-матриц, поэтому эти устройства менее чувствительны к свету.

Рис. 5.55. Современные КМОП-матрицы позволяют проводить аналого-цифровое преобразование в самой матрице

Впрочем, за последние пять лет удалось решить многие проблемы КМОП-матриц. За время, прошедшее между двумя изданиями этой книги, в развитии КМОП-технологии наметился существенный прогресс. Стремительный рост спроса на цифровые фотоаппараты заставил производителей значительно улучшить качество изображения, получаемое с помощью КМОП-матриц и сократить стоимость их производства. Некоторые крупные производители, как Canon и Kodak, уже выпустили КМОП-матрицы с 10 млн. пикселов с очень высоким качеством изображения. Кроме повышения разрешающей способности КМОП-матриц, имеются и другие технологические достижения. Одно из таких усовершенствований КМОП-технологий позволяет избавиться от т. н. "фиксированного рисунка шумов". Такой метод позволяет считать для каждого пиксела свой уровень шума и сохранить такую структуру для каждой матрицы, как ее уникальную характеристику. Затем производится коррекция видеосигнала, при которой соответствующие значения этой структуры вычитаются из каждого значения, полученного в пикселе, что позволяет значительно снизить шумы КМОП-матрицы.

Еще одна новая разработка в сфере КМОП-технологии, которая еще недавно рассматривалась только гипотетически, теперь стала реальностью и представляет особый интерес с точки зрения видеонаблюдения. Компания Pixim разработала новый тип КМОП-матрицы, которая преобразует аналоговые зарядовые пакеты в цифровой поток данных сразу же на матрице. Эта революционная и очень перспективная концепция позволяет избавиться от многих недостатков КМОП-технологии.

Например, здесь удалось добиться очень точного управления экспонированием индивидуально для каждого пиксела, что позволяет значительно расширить динамический диапазон. Новая разработка от Pixim также позволяет учитывать собственный темновой шум матрицы, что улучшает отношение сигнал/шум.

ПЗС-матрицы оказались гораздо более эффективными в условиях минимальной освещенности, чем телекамеры с передающими трубками, но и они имеют пределы по минимальной освещенности. Черно/белая телекамера в условиях низкой освещенности «видит» примерно так же, как и человеческий глаз. В технических терминах это звучит так: стандартная черно/белая ПЗС-телекамера охватывает диапазон освещенности от 105 лк до 102 лк.

Этот диапазон интенсивностей света называется областью фотопического зрения.

В особых случаях возникает необходимость в еще более чувствительных к низким уровням света телекамерах. Уровни освещенности ниже 102  лк относятся к области скотопического зрения. Глаз человека не способен разглядеть что-либо при таких низких уровнях освещенности, но некоторые телекамеры посредством интеграционных функций способны формировать изображения при уровнях много ниже 102 лк. Эти функции характеризуются более продолжительным временем экспозиции — более 1/50 с (1/60 с для EIA). Понятно, что в этом случае мы теряем эффект реального времени, и телекамера реально становится устройством с накоплением заряда. Это может быть неприемлемо для наблюдения за движущимися объектами при низких уровнях освещенности, но для наблюдения за медленно движущимися в темноте объектами вполне подходит. Если же мы хотим наблюдать реальное движение в скотопической области зрения, то можно использовать специальный тип телекамеры — усиленную LLL-телекамеру (low light level, низкий уровень освещенности) с фотоумножителем.

Такая телекамера имеет дополнительный элемент — фотоумножитель, обычно устанавливаемый между объективом и телекамерой. Фотоумножитель — это трубка, которая преобразует очень слабый свет, неразличимый ПЗС-матрицей, в уровень света, который матрица может «увидеть». Вначале объектив проецирует изображение слабо освещенного объекта на специальную пластину, которая работает подобно электронному умножителю: буквально каждый фотон световой информации усиливается до сигнала значительного уровня. Усиление основано на лавинном эффекте (лавинном умножении электронов), вызванном фотонами в статическом поле высокого напряжения. Результирующие электроны ударяются о люминофорное покрытие на конце трубки, люминофор светится, и получается видимый свет (так же, как электронный луч заставляет светиться экран черно-белого кинескопа). Это (теперь видимое) изображение проецируется на ПЗС-матрицу. Вот так телекамера видит слабо освещенные объекты. Из-за специфики инфракрасного диапазона длин волн, а также из-за монохромного люминофорного покрытия экрана фотоумножителя, LLL-телекамера способна давать только черно-белое изображение.

Рис. 5.56. Другое решение — телекамера для низких уровней освещенности с обратным расположением матрицы

Рис. 5.57. LLL-телекамера с фотоумножителем

Рис. 5.58. LLL-телекамера

Как и следует ожидать, из-за люминофорного покрытия срок службы фотоумножителя (или точнее среднее время наработки на отказ) невелико. Оно обычно составляет пару тысяч часов.

Чтобы продлить время жизни телекамеры, необходимы объективы с высоким F-числом (по меньшей мере F/1200), особенно если телекамера будет эксплуатироваться круглые сутки. Кроме того, в этом случае более приемлемым является объектив с инфракрасной коррекцией.

В современных специализированных телекамерах для связи между люминофорным экраном фотоумножителя и ПЗС-матрицей используется оптоволоконная пластина. Эта технология позволяет избежать дальнейших потерь света и улучшает четкость изображения.

Нет нужды говорить о том, что для создания сильного электростатического поля, необходимого для ускорения электронов, требуется соответствующий источник питания. Фотоумножитель такого типа можно купить отдельно и установить в телекамеру, но качество работы специализированных интегрированных телекамер намного лучше.

Еще один интересный и инновационный проект был предложен компанией PixelVision Inc. — ПЗС-камера с обратным расположением матрицы, которая работает без фотоумножителя. Эта телекамера, по утверждениям производителя, способна давать качественное изображение при низких уровнях освещенности, что раньше было под силу только телекамерам с фотоумножителем. В обычной телекамере матрица освещается спереди, что накладывает некоторые ограничения на характеристики телекамеры. В проекте специального устройства освещение и формирование заряда происходит через тыловую поверхность, благодаря чему фотоны беспрепятственно попадают на ПЗС, что дает высокую эффективность распознавания света в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.

Производитель обещает более высокую разрешающую способность в условиях низкой освещенности — благодаря увеличению чувствительности, лучшее опознавание цели — благодаря повышенной контрастности и разрешению, низкую стоимость и длительный ресурс — благодаря увеличению надежности.

Рис. 5.59. Современная LLL-телекамера

Типичная ПЗС-телекамера потребляет около 3…4 Вт. Это значит, что для телекамеры с питанием 12 В требуется источник постоянного тока, обеспечивающий 300 мА. Телекамере с питанием от сети 24 В требуется не более 200 мА. По мере развития технологии телекамеры будут потреблять все меньше энергии.

Если несколько телекамер подсоединены к центральной линии электроснабжения, то следует принимать во внимание падение напряжения и не перегрузить блок питания.

Еще один важный фактор, который необходимо проверять при использовании блоков питания постоянного тока, это проверка — стабилизированный блок питания или нет. Например, если используется блок питания постоянного тока 12 В/2 A DC, то рекомендуется иметь запас примерно 25–30 % мощности для уменьшения перегрева. Тщательно выбирайте блок питания. Когда некоторые производители заявляют характеристику 12 В/2 А, то 2 А может означать лишь максимальное значение. Это обычно определено для кратковременных пиковых нагрузок. Другими словами, вы не можете рассчитывать на постоянный ток 2 А от любого источника с маркировкой 2 А. Это действительно зависит от изготовителя и от модели. Часто блок питания 12 В постоянного тока имеет выход 13.8 В, используемый для зарядки аккумуляторов. Учтите все это для уменьшения перегрева телекамеры, особенно если кабель, соединяющий телекамеру с блоком питания, короткий. Обычно, если кабель питания имеет длину пару сотен метров, никакого вмешательства не требуется из-за падения напряжения на проводах, но если телекамера находится поблизости от источника, то избыточная энергия где-то должна рассеиваться, и обычно это происходит в самой телекамере.