Оценка чувствительности видеокамер: «маленькие хитрости» производителей.
Чувствительность видеокамер наблюдения наряду с их разрешением является основополагающим параметром — он показывает способность видеокамеры обеспечивать удовлетворительное изображение при всем многообразии условий естественного и искусственного освещения.
Непрерывной борьбой за улучшение этого параметра отмечен весь путь развития видеосенсоров, поскольку именно чувствительность самого приемника изображения и видеосенсора определяет эту характеристику видеокамеры.
Особенно сложной стало достижение высокой чувствительности видеокамеры с минимизацией форматов матриц (сенсоров) при одновременном росте разрешения изображения (числа пикселей). Тотальный переход с технологии CCD на более эффективную и экономичную CMOS только усугубил эти проблемы.
Типовое нормирование чувствительности видеокамер.
Традиционно чувствительность камер наблюдения нормируется величиной освещенности на матрице или на объекте для получения определенного уровня видеосигнала. Обычно это 50 или 30 IRE (50 или 30%) от номинального уровня 100 IRE, эквивалентного 0,7 В при стандартном значении синхроимпульсов 0,3 В. При этом предполагается, что черные и белые полосы измерительной таблицы имеют коэффициенты отражения не более 0,1 и не менее 0,9 соответственно. При нормировании чувствительности на объекте необходимо указать относительное отверстие или F-число используемого объектива. Обычно величины чувствительности для матрицы и объекта различаются почти на порядок.
В мировой практике более популярной является характеристика минимальной освещенности, при которой камера обеспечивает заданное качество изображения или то, о чем упоминалось выше. В первом приближении эту характеристику можно считать эквивалентной чувствительности, которая была более популярна в российской индустрии видеонаблюдения, особенно в первые 10-15 лет ее развития.
Источник освещения и ИК-коррекция.
Самое главное — чувствительность оценивалась при освещении объекта лампами накаливания с цветовой температурой 3200 К и обязательным использованием на матрице или объективе срезающего ИК-фильтра. Для традиционного телевидения это называлось ИК-коррекцией и обеспечивало высокую четкость типовой оптики и стандартную цветопередачу цветного изображения.
Можно обратить внимание на то, что термин «ИК-коррекция» в последнее десятилетие поменял свое значение на противоположное. Теперь он означает именно расширение спектрального диапазона чувствительности в ИК-область освещения как для камеры, так и для оптики. Для аналоговых камер оценить чувствительность достаточно просто, имея типовой осциллограф с полосой 5-10 МГц и кустарную таблцу с вертикальными полосами, выполненными черной тушью на ватмане.
С переходом на цифровые системы IP, HD-SDI и EX-SDI понятие уровня сигнала как критерия яркости и контраста изображения потеряло смысл. Теперь эти параметры можно оценить только с помощью специального оборудования. Оценка же изображения визуально по монитору на видеовыходе системы чревата ошибками из-за влияния амплитудной характеристики тракта и субъективности оценки контраста таблицы, даже при использовании фотометрических устройств для оценки яркости фрагментов изображения.
Современные проблемы с представлением чувствительности.
Со временем важнейшие условия оценки и нормирования чувствительности стали игнорироваться. Например, не всегда указывается уровень получаемого сигнала при 90% модуляции и F-число объектива. Достаточно часто дается чувствительность камеры при включенной автоматической регулировке усиления (АРУ) при одновременном отсутствии данных о ее максимальной глубине.
Широко известные и популярные в свое время камеры Vatec также нормировались по чувствительности с включенной АРУ. Однако каждому значению переключаемой максимальной АРУ давался свой конкретный показатель чувствительности.
Зачастую в современных камерах по умолчанию используется небольшое накопление по времени (DSS x 2-4), к тому же не всегда отключаемое. И это, к сожалению, подчас не находит отражение в технических характеристиках. Многие владельцы смартфонов хорошо знакомы с эффектом накопления, когда при недостаточном освещении изображение от камеры смазывается как при движении объекта, так и при смещении самого гаджета. Эти «маленькие хитрости» позволяют увеличивать заявляемое значение чувствительности или минимальной рабочей освещенности видеокамеры. Разумеется, в данном процессе самым мощным средством является стремление менеджмента представить свой товар лучше прочих. И здесь пределов практически нет. Мы уже добрались до десятитысячных и стотысячных долей люкса.
Объективные причины завышения чувствительности.
Еще в конце 1990-х гг. ряд российских специалистов (еще советской школы и опыта ВПК) во многих публикациях убедительно показали, что даже при заявленной чувствительности порядка 0,01 лк на типовой тогда пиксель от 70 кв. мкм (1/2″) до 40 кв. мкм (1/3″) могло приходиться не более нескольких фотонов. А ведь уже в то время квантовая эффективность фотоприемников была практически максимально возможной. Площадь же пикселей с ростом разрешения и уменьшением форматов только сокращалась и сейчас редко превышает 9 или даже 2 кв. мкм. Конечно, оптимизация конструкции матрицы (HAD, Super HAD и Exview HAD в CCD и Exmor, BSI или STARVIS в CMOS) несколько увеличила эффективность преобразования света в электрический сигнал. Но здесь речь может идти о разах, а не о порядках. Это подтверждают величины удельной чувствительности матриц для разных технологий, полученные расчетным путем из данных производителей сенсоров и представленные в таблице.
| Технология | Super HAD |
Exview HAD |
Exview HAD II |
CMOS | Exmor | Exmor R | STARVIS (Exmor R) |
Super HAD II |
| Чувствительность, мВ/кв. мкм |
24 | 28-30 | 58 | 77 | 27-35 | 69-96 | 62-82 | 70-150 |
Основной фактор увеличения чувствительности сенсоров и телекамер.
Современный выигрыш в чувствительности мы должны отнести в основном за счет расширения спектрального диапазона в область ИК-излучения. И здесь нет смысла говорить о видимом свете и освещенности в люксах. При этом мы использовали несколько противоречивое сочетание «видимый свет», поскольку свет может быть только видимым.
Более того, все светотехнические единицы жестко привязаны к реакции человеческого глаза, а значит и к его спектральной характеристике чувствительности или кривой видности глаза. Соответственно, измеритель освещенности должен иметь (и, как правило, имеет) близкую глазу спектральную характеристику.
На заре развития телевидения аналоговые люксметры редко имели нижний диапазон измерения освещенности менее нескольких люксов, в результате и чувствительность не превышала десятых долей люкса. Изготавливались подобные люксметры на основе селеновых фотоэлементов. Спектральная характеристика их чувствительности в целом была подобна кривой видности глаза и если и требовала коррекции, то лишь в области ближнего ультрафиолета. Это видно на рис. 1. Применялись подобные приборы в основном для оценки освещенности на рабочих местах или на телевидении и в кинематографе, где требуемые освещенности достаточно велики.
Рис. 1. Кривая видности глаза и спектральная Рис. 2. Характеристики поглощения нейтральных стекол НС
характеристика чувствительности селенового фотоэлемента
Прямая оценка чувствительности типовым методом.
При прямой оценке чувствительности все более усовершенствованных видеокамер применялись нейтральные стеклянные светофильтры серии НС, чтобы снизить освещенность матрицы до требуемых предельных значений. Однако указанные светофильтры нормированы по пропусканию света исключительно в видимом диапазоне. Это наглядно видно по типовым характеристикам пропускания этих фильтров, приведенных на рис 2.
Нас интересует прежде всего ближняя ИК-область до 1000 нм практической границы чувствительности телекамер. На графиках наглядно показано, что поглощение фильтров для излучения более 700 нм существенно уменьшается. (Как, впрочем, и в ближнем ультрафиолетовом диапазоне выше 400 нм.) Именно этот эффект, по мнению уже упомянутых специалистов, был причиной совершенно нереального завышения чувствительности или минимальной освещенности для камер наблюдения. Другими словами, чувствительность в люксах на самом деле соответствует комплексной чувствительности в люксах (видимый диапазон) и в ваттах на единицу площади для ближнего ИК-диапазона.
Изображение от ИК или видимого света: какая разница?
Потребителю, строго говоря, неважно, каким излучением (видимым или ИК) строится изображение, особенно если это изображение черно-белое. А в современных камерах при недостаточной освещенности оно почти всегда черно-белое благодаря режиму «день/ночь». Естественно, предполагается, что это режим с подвижным срезающим ИК-фильтром (ICR или IRC). К счастью, из-за существенного упрощения и удешевления подобных устройств такой режим применяется почти повсеместно, за исключением разве что совсем миниатюрных камер.
Однако при использовании камер с чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне подразумевается, что данное излучение присутствует. При ИК-подсветке, отдельной или встроенной, это обеспечивает большую дальность наблюдения.
Кстати, в технических характеристиках видеокамер можно встретить нулевую чувствительность или минимальную освещенность. Если в первом случае это полный абсурд, поскольку чувствительность является внутренним параметром камеры, которым она обладает и с закрытой крышкой объектива, то во втором это говорит о наличии собственной подсветки, для которой всегда должна указываться дальность наблюдения.
Всегда ли помогает ИК-чувствительность?
При естественных условиях наличие ИК-чувствительности проявляется несколько иначе в связи с недостаточной интенсивностью природного фонового ИК-излучения. Реальным единственным источником света в ночных условиях можно считать только Луну с отраженным солнечным светом. При этом освещенность варьируется в зависимости от фазы Луны, географического места и погодных условий. Изменения максимальной освещенности от фазы Луны представлены на рис. 3, а спектральный состав — на рис. 4. Примечательно, что в основном это излучение является видимым.
Рис. 3. Освещенность земной поверхности Луной Рис. 4. Спектральная характеристика лунного освещения
Длина волны излучения нм
В городах, а теперь и в небольших населенных пунктах можно рассчитывать на рассеянное уличное освещение. Однако в настоящее время произошло существенное изменение типов осветителей. Практически перестали применяться тепловые источники (лампы накаливания и галогенные осветители), которые одновременно являлись мощными источниками ИК-излучения. Повсеместно стали использоваться газоразрядные осветители (ртутные, натриевые, металлогалогенные и ксеноновые лампы). Все более широко устанавливаются светодиодные осветители и прожекторы, а все эти устройства почти полностью лишены ИК-составляющей в излучении. Поэтому ИК-чувствительность в видеокамере не будет использована. Для справки на рис. 5 приведены примерные спектры вышеупомянутых осветителей.
К сожалению, чувствительность видеокамеры наблюдения в ИК-области, если она не имеет встроенную ИК-подсветку, совершенно неизвестна пользователю и упоминается в характеристиках на уровне «есть/нет».
Как при прямых измерениях можно сильно ошибиться.
Многие современные производители, приводя величины чувствительности или минимальной освещенности, исходят из прямых экспериментальных измерений освещенности. Они производятся чувствительным цифровым люксметром, поэтому проблемы с неравномерным пропусканием фильтров уже не могут влиять на результаты. Но остается все тот же источник освещения — лампа накаливания. Причем для регулировки освещенности используется типовой диммер, изменяющий средний ток накала ламп. Инфракрасная составляющая, естественно, весьма высока. В конечном итоге типовая лампочка отдает в видимый свет лишь 4%, а спектральный максимум излучения лежит в диапазоне от 943 нм для типовых ламп накаливания с температурой 2800 °С до 885 нм для галогенных ламп. Понятно, что все эти осветители являются «позавчерашним днем». Однако чувствительность сенсоров до сих пор указывается для тепловых источников света с температурой 3200 К. По всей видимости, это удобнее, учитывая большую любовь производителей сенсоров и камер к инфракрасному диапазону, когда он описывается люксами. Для примера на рис. 6 приведено изображение стоп-кадра, полученного на испытаниях видеокамеры известного южнокорейского бренда.
Внизу монитора расположен цифровой люксметр, датчик которого размещен рядом с телевизионной таблицей, видной на экране монитора. Таблица установлена в темной комнате и освещается регулируемыми с помощью диммера лампами накаливания. Этот видеоматериал должен был доказать реальность полученной чувствительности в тысячные доли люкса.
Для сравнения на рис. 7 показаны изображения от подобной видеокамеры (CMOS FullHD), размещенной в темной камере. Освещение обеспечивается регулируемым светодиодным осветителем, совершенно лишенным ИК-составляющей. Видеокамера, как и в предыдущем опыте, работает с включенной АРУ. Первое изображение сделано при освещенности 4,6 лк, второе — при 0,4 лк. Очевидно, что освещенность в десятые доли «реального» люкса явно недостаточна для получения удовлетворительного изображения.