Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности

2.5.наблюдение при ярком солнечном свете

При построении телевизионных систем, особое внимание обращают на наблюдение ночью, часто забывая об особенностях наблюдения днем. Однако, при ярком солнечном свете возникают ситуации, когда на изображении, формируемом охранной телекамерой возможна потеря как больших участков, таки всего изображения .

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, когда объекты освещены рассеянным светом ночного неба, абсолютный контраст может быть менее 10



Днем абсолютный контраст увеличивается до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения телевизионной камеры и до миллиона раз (рис.2.2 . Такое увеличение контраста вызвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света – Солнца. Ни одна телевизионная камера не в состоянии воспроизвести одновременно (в одном поле зрения) изображения объектов, 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.

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% , поэтому различимый абсолютный контраст не превосходит 5 Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности.

Телевизионная камера, обычно, закреплена неподвижно, поэтому, в ее поле зрения объекты с большим и малым абсолютным контрастом могут попадать одновременно. В случае отображения видеосигнала на ТВ мониторе неизбежна потеря видеоинформации на ярких и темных участках сцены вследствие ограниченного динамического диапазона кинескопа. Дополнительное сужение наблюдаемого контраста происходит из-за недостаточной яркости экрана монитора и искусственного освещения внутри помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитора менее 500 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.

Ограничения контраста изображения в одном поле телевизионной камеры. Световое изображение проецируется объективом на фоточувствительные элементы матрицы ПЗС. Максимальный контраст определяется отношением максимального и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называется управляющей способностью ПЗС , 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 750 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; для матриц серии EXWAWEHAD значения максимального контраста нужно увеличить в 1,3 раза (cм. табл.2. .


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.

Ограничение контраста в режиме электронного затвора. При использовании объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности используют режим электронного затвора. 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 стандартных матрицах ПЗС препятствует смаз (Smear) изображения (рис.2.2 . На параметр Smear равный 0,005% для стандартных матриц CCD обычно не обращают внимания, как на малозначительный. Однако, столь малая величина смаза получается только при полном времени накопления равном 20 мс. При экспозиции 1/100000 секунды сигнал смаза возрастает в 2000 раз и становится равным 10%, что проявляется в виде хорошо заметных белых полос сверху и снизу ярких объектов на изображении. Если же, освещенность объекта выше максимальной освещенности более чем в 10 раз, то величина смаза превышает 100% и возникает эффект растекания заряда по поверхности матрицы ПЗС – блюминга (Blooming). В 1999 году фирма SONY освоила в производстве новое поколение матриц ПЗС под торговой маркой EXWAVEHAD. В рекламе на эти матрицы максимальное внимание обращалось на их повышенную чувствительность, но не было отмечено другое преимущество новых матриц – в 30 раз меньший уровень смаза при наблюдении ярких объектов.



Значительно меньшая величина смаза от ярких объектов улучшает качество изображения в телекамерах на новых матрицах SONY при работе днем в условиях световых перегрузок. Однако, нужно отметить, что в большинстве новых камер не реализованы все преимущества матриц серии EXWAVEHAD. Это объясняется тем, что другие комплектующие изделия телекамер (синхрогенераторы, драйверы, усилители) рассчитаны на работу в стандартных режимах, соответствующих обычным матрицам ПЗС.



Из рис.2.25 видно, что в EXWAVEHAD ПЗС можно на порядок уменьшить минимальное время экспозиции в режиме электронного затвора, по сравнению со стандартными ПЗС, что позволит расширить диапазон рабочих освещенностей в камере с объективом с постоянной диафрагмой до 100000 люкс. Этого значения достаточно для надежного наблюдения объектов при солнечном освещении.

Влияние режима матрицы ПЗС на устойчивость к световым перегрузкам. Качество работы телевизионной камеры при сильных световых перегрузках (Солнце или прожектор в поле зрения) зависит не только от размера фоточувствительной ячейки (формата и числа элементов матрицы ПЗС) и типа объектива. В значительной степени, способность выдерживать перегрузки определяется методикой настройки и схемой телевизионной камеры. Многие производители телекамер в погоне за низкой себестоимостью упрощают схемы, исключая подстроечные элементы. В результате, из-за разброса параметров матриц ПЗС, камеры одной и той же модели значительно отличаются друг от друга по перегрузочной способности.



Помимо оптимальной настройки режимов, заметное влияние на качество наблюдения при ярком свете оказывает схема управления матрицей ПЗС. При перегрузке в несколько раз возрастает ток по цепям вторичного питания, поэтому от их мощности и стабильности зависит точность поддержания режима, а следовательно и степень проявления эффекта растекания заряда (рис.2.2 . Следует отметить, что, как правило, режимы, обеспечивающие оптимальность наблюдения ночью и днем различны. В результате разработчики камер выбирают компромиссный режим, что приводит к дополнительным потерям изображения при перегрузках. Например, для улучшения точности схемы привязки уровня черного при малой освещенности, в камерах на матрицах SONY, Samsung, SHARP фиксация уровня выполняется как по передним, так и по задним холостым элементам ПЗС. При световых перегрузках, растекающийся заряд попадает в задние холостые элементы, что приводит к искажению работы схемы фиксации, вплоть до полной потери изображения, в случаях, когда изображение яркого объекта проецируется на правый край матрицы ПЗС. Поэтому для расширения диапазона рабочих освещенностей телекамер, нужно изменять режим работы матрицы ПЗС днем и ночью.

Ограничение контраста в объективах. Важнейшим элементом телевизионной камеры, определяющим качество изображения при ярком солнечном свете, является объектив. Различия в качестве объективов, даже в рамках одного класса очень велико. Следует отметить, что для эффективной работы днем в условиях световых перегрузок, важными становятся некоторые параметры объективов, не регламентированные в их паспортных данных. Минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива (см. Главу обычно указывается в паспортных данных и находится в пределах Fмин.= (32.....36 . Диапазон регулирования освещенности с помощью диафрагмы равен квадрату отношения минимального и максимального относительных отверстий. Для стандартных объективов при полностью открытой диафрагме обычно Fмакс.=1, Учитывая, что максимальная рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (выключенный режим электронного затвора), составляет примерно 20 люкс, можно определить максимальную допустимую освещенность, обеспечиваемую данным объективом.



Из таблицы 2.5 видно, что простые объективы с минимальными относительными отверстиями F32 и F64 непригодны для использования при ярком солнечном свете. Нужно отметить, что для надежной работы камеры в условиях световых перегрузок необходим не только широкий диапазон регулирования освещенности в объективе, но и линейность регулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. При недостаточной линейности возможно самовозбуждение цепи автоматического регулирования в системе камера – объектив при максимальных уровнях освещенности. Лучшими по линейности являются широкодиапазонные объективы с миниатюрными спот-фильтрами (см. раздел 3. .

Дополнительное ограничение на возможность наблюдения максимального контраста в одном поле накладывает рассеяние света в линзах и переотражение света внутренних элементов объектива, которые проявляются как дополнительный фон, ухудшающий передачу изображения:

• возрастает шум в темных участках изображения, так как к шуму считывания выходного устройства добавляется значительно больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, при этом безвозвратно теряются темные детали изображения.
• происходит заметное расширение границ ярких объектов, при этом расширенные границы маскируют и не позволяют наблюдать близлежащие темные объекты (рис.2.2 .

К сожалению, характеристики светорассеяния также не приводятся в паспортных данных на объективы, поэтому, также необходимо вести статистический учет по этому параметру самостоятельно. Нужно отметить, что светорассеяние в объективах с пластмассовыми линзами заметно больше, чем в стеклянных, поэтому целесообразно использовать объективы только со стеклянными линзами. Меньшее светорассеяние оказывается и в объективах с встроенными отрезающими ИК-фильтрами. Однако, использование таких объективов не всегда допустимо, так как с ними в 2 -3 раза ухудшается чувствительность черно-белых камер ночью.

Дополнительные способы защиты от световых перегрузок. Важно не только правильно выбрать телевизионную камеру и объектив, но и наилучшим образом ее установить.




Читайте далее:
Новая серия оборудования аутросэйф
Противодействие внешним ит-угрозам. задачи и способы решения ,часть 2.,
Шедевры
Аау повышает свою актуальность как для прошлого, так и для будущего
Мы и деревья
Построение системы видеонаблюдения и управления доступом в аэропорту пулково
Система мониторинга арм пользователей фракталь-экран 2
Многоканальные системы записи переговоров стелс лайн
Системы ip видеонаблюдения – будущее cctv
Куб. что в имени тебе моем?
Особенности национального монтажа
Удобство администрирования сзи от нсд как составляющая эффективности защиты информации в корпоративн
Особенности проектирования одномодовых волоконно-оптических линий связи
Этапы большого пути, или важные кирпичики системы ip-видеонаблюдения ,video over ip- voip,
Грудничковые хроники доктора пилюлькина