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, считая, 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. 1. Абсолютный контраст изображения. Главной причиной, приводящей к ухудшению качества видеонаблюдения в дневных условиях, является высокий абсолютный контраст изображения, то есть, отношение освещенностей самого яркого и самого темного из наблюдаемых объектов. Ночью абсолютный контраст может быть менее 100, в случае, когда объекты освещены рассеянным светом ночного неба. Рис 1. Иллюстрация увеличения контраста изображения при увеличении освещенности. Днем абсолютный контраст увеличивается до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения телевизионной камеры и до миллиона раз. Такое увеличение контраста вызвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света – Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшаться до 100 люкс и менее, при освещенности светлых поверхностей под прямым солнцем более 100000 люкс. Освещенность бликов от блестящих поверхностей и воды может доходить до 10 люкс, а эквивалентная освещенность люкс, то есть 100 миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не в состоянии наблюдать одновременно (в одном поле зрения) объекты, отличающиеся по освещенности в десятки и сотни тысяч раз. В таких ситуациях неизбежны потери видеоинформации на некоторых участках изображения. Задача проектировщика состоит в сведении к минимуму потерь, возникающих при работе телевизионной системы в условиях световых перегрузок. 2. Отличия естественного и телевизионного наблюдений. Диапазон воспринимаемых глазом освещенностей приближается к миллиарду. Однако, днем мы не видим звезд на небе, хотя абсолютный контраст небо – звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительность человеческого глаза всего 2% [ 1 ] , поэтому различимый абсолютный контраст не превосходит 50. Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности. Наблюдая за местностью, человек по очереди переводит взгляд с одного объекта на другой. Если объект яркий, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдатель защищает глаза от слепящего Солнца ладонью. Наблюдение большого диапазона освещенностей человеческим глазом возможно только путем перевода взгляда с темных на яркие объекты и обратно. Телевизионная камера, обычно, закреплена неподвижно. Поэтому, в ее поле зрения объекты с большим абсолютным контрастом могут попадать одновременно. Оператор телевизионной системы наблюдает изображение на видеомониторе небольших размеров. В результате, система ” не обладает преимуществами, возникающими при естественном наблюдении за счет перевода взгляда и поочередного рассматривания ярких и темных объектов. Далее мы будем обсуждать возможность телевизионного наблюдения объектов с различной освещенностью одновременно, то есть “в одном телевизионном поле”. В этом случае неизбежна потеря видеоинформации на ярких и темных участках сцены. Дополнительное сужение наблюдаемого контраста происходит из-за недостаточной яркости экрана монитора и искусственного освещения внутри помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитора менее 50

0 люкс, что ухудшает контрастную чувствительность глаза, максимальную только в области нескольких тысяч люкс. При наблюдении изображений на цветных, и тем более компьютерных видеомониторах (эквивалентная освещенность экрана последних менее 100 люкс) диапазон наблюдаемых освещенностей глазом уменьшается еще больше. Поэтому, при телевизионном наблюдении освещенных Солнцем территорий и объектов, необходимо использовать мониторы с максимальной яркостью свечения экрана. Высококонтрастный монитор с большим размером экрана расширит диапазон наблюдаемых освещенностей и уменьшит вероятность потери части изображения при сложных условиях освещения. 3. Ограничения контраста изображения в одном поле телевизионной камеры. Световое изображение проецируется объективом на фоточувствительные элементы матрицы ПЗС. Динамический диапазон элементов определяет диапазон рабочих освещенностей телевизионной камеры в одном поле. Фотоны света, преобразуются в фотоэлектроны, попадая в фоточувствительные ячейки, поэтому при расчете сигнальных и шумовых характеристик удобно использовать единицу измерения заряда – электрон. 3.1 Зависимость максимального контраста от площади фоточувствительного элемента. Максимальный контраст определяется отношением максимального и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называется управляющей способностью ПЗС [ 2 ] , которая пропорциональна геометрической площади и глубине потенциальной ямы элемента. В матрицах ПЗС зарядовые пакеты, перемещаясь к выходному устройству, проходят несколько секций переноса заряда. Наименьшими потенциальными ямами обладают элементы секций накопления и хранения, которые в первую очередь ограничивают уровень заряда. В современных матрицах ПЗС форматами 1/6 – 1/2 дюйма с объемным каналом переноса заряда управляющая способность элемента находится в пределах от 12000 до 300000 электронов. Минимальное количество электронов, определяется среднеквадратическим значением шума считывания матрицы ПЗС и составляет 20 – 40 электронов в зависимости от емкости затвора первого транзистора выходного устройства. Следовательно, динамический диапазон современных ПЗС камер находится в пределах от 600 до 7500. Чтобы получить значения максимальных контрастов, следует разделить эти значения на 10, так как, только начиная с такого отношения сигнал/шум можно различать объекты на изображении. Подставляя из справочных данных площадь фоточувствительных элементов, можно найти максимальный контраст для матриц ПЗС разных форматов и разрешения. Таблица 1. Максимальный контраст, реализуемый в стандартных матрицах ПЗС фирмы SONY в зависимости от площади фоточувствительного элемента*. Для матриц серии еXWаWеHаD значения максимального контраста нужно умножить в 1,3 раза. Из таблицы 1 видно, что телекамеры с фотоприемниками формата 1/2 дюйма, обеспечивают максимальный диапазон рабочих освещенностей, то есть обеспечивают минимальные потери информации при наблюдении контрастных изображений в солнечные дни. Однако, высокая стоимость телекамер на полдюймовых матрицах ПЗС не позволяет применять их в большинстве систем охраны. При ограниченных средствах оптимально использование камер с матрицами ПЗС формата 1/3 дюйма стандартного разрешения, лучшей из которых по диапазону рабочих освещенностей в настоящее время является ICX255аL фирмы SONY. 3.2 Ограничение контраста в режиме электронного затвора. “Смаз” и растекание зарядового изображения в матрице ПЗС. При использовании объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности используют режим электронного затвора (еlеctronic shuttеr). В этом режиме при увеличении освещенности автоматически уменьшается время накопления заряда в матрице ПЗС, а значит и чувствительность. Современные камеры обеспечивают минимальное время экспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды. Но даже последнего значения недостаточно для надежного наблюдения объектов, освещенных солнечным светом. При установке в камеру стандартного малогабаритного объектива с резьбой М12 и относительным отверстием F 1,8, при экспозиции 1/100000 матрица ПЗС перестает видеть при освещенности на объекте более 30000 люкс, что недостаточно для наблюдения при солнечном освещении. При наблюдении будут потеряны изображения белых стен зданий, снега, облаков, и тем более, блестящих на Солнце объектов. Казалось бы, можно уменьшить время накопления до одной миллионной секунды и менее, что схемотехнически не сложно. Но уменьшению времени накопления в стандарт

11.04.2021