Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности

2.3. параметры телевизионных камер

ГОСТ Р 51558-2000 предусматривает обязательную проверку трёх технических характеристик телекамер: разрешение, рабочий диапазон освещённостей и отношение сигнал/шум. В то же время в спецификациях на передающее телевизионное оборудование приводится гораздо большее число параметров. Ниже анализируются те параметры телевизионных камер, которые влияют на работу СФЗ в целом и опускаются особенности электропитания, конструктивного исполнения и устойчивости к внешним воздействиям. Чувствительность.
Важнейшей характеристикой телекамеры, характеризующей её способность преобразовывать кванты света в электрический сигнал, является чувствительность, т. е. нижняя граница рабочего диапазона освещённостей. В системах охранного телевидения она определяется в виде параметра, доступного для измерения пользователем: чувствительность – это минимальная освещённость на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения. Измерение чувствительности телекамеры производится при известных контрасте испытательной таблицы (примерно 90%), цветовой температуре источника света, светосиле объектива и при максимальном усилении видеотракта (включённой автоматической регулировке усиления). Как правило, производители телекамер под чувствительностью понимают минимальную освещённость тест-таблицы, при которой амплитуда полного видеосигнала составляет 1 В.


Иногда для уточнения понятия минимальной освещённости используют так называемую шкалу IRE (аббревиатура от названия Institute of Radio Engineers). В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0.7 В принимается за 100 единиц IRE. Полный видеосигнал со стандартной амплитудой 1В содержит 0.3 В синхросигнала и 0,7В сигнала изображения. Различные производители указывают чувствительность телекамер для разных значений по шкале IRE от 20 до 5 При таком уменьшении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого (usable picture).

Чувствительность телекамеры зависит от крутизны её светосигнальной характеристики, представляющей собой зависимость выходного сигнала от освещённости сцены – чем больше крутизна, тем больше чувствительность при выбранном пороге (рис. 2.1 .

В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня произ-водители фотоприёмников в качестве параметра, характери-зующего чувствительность, часто используют другие показатели. Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение выходного сигнала при заданном уровне освещённости, типе источника, светосиле объектива и уровне шума. Другим широко используемым параметром является крутизна светосигнальной характеристики – выходное напряжение, нормированное на экспозицию В/(лк·с). Размерность этой характеристики отражает действие закона взаимозаместимости освещённости и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС, в то время как освещённость (число фотонов в секунду) и время накопления могут быть разными.

Для определения основных параметров телевизионной системы необходимо знание чувствительности телекамер в виде минимально допустимой освещённости матрицы ПЗС, так как в этом случае можно учесть светосилу используемого объектива, расстояние до объекта, его контраст и т. д. Освещённость на объекте _Ео и на матрице Е_м. связаны соотношением

(2.

где : k_o – коэффициент отражения объекта (тест-таблицы в белом); τ – коэффициент пропускания света объективом; m – отношение фокусного расстояния объектива к расстоянию до объекта; F – отношение фокусного расстояния f объектива к диаметру D его входного зрачка.

Общее ослабление света объективом связано с квадратом его относительного отверстия (апертуры F) и коэффициентом пропускания τ.

В ряде руководств по прикладному телевидению используют специальное название для отношения F/√τ – коэффициент передачи, или transmission ratio (см. 3. .

На практике освещённости на объекте и на матрице отличаются на порядок.Фундаментальным фактором, ограничивающим чувствительность, является шум, имеющий по крайней мере два источника: шум квантовой структуры света и собственный шум телекамеры. При идеальной нешумящей телекамере её чувствительность зависит только от фотонного шума – флуктуаций числа фотонов относительно среднего значения. В силу независимости фотонов в потоке света количество фотонов в элементе разложения в конкретном кадре подчинено статистике Пуассона. В результате достижимое отношение сигнала к фотонному шуму пропорционально корню квадратному из числа фотонов, принятых телекамерой от объекта наблюдения (в первом приближении из рассмотрения исключена зависимость энергии излучения, коэффициентов отражения и квантового выхода от длины волны). Сюжет в поле зрения ТВ-камеры характеризуется коэффициентами отражения объекта k_о и фона k_ф; способность фотоприёмника к накоплению определяется площадью элемента разложения Δ², квантовым выходом ŋ, усреднённым по длине волны, и временем накопления Т_н . Для телекамер, используемых в составе СФЗ, важно также задать пороговое отношение сигнал/шум Ψ_пор, обеспечивающее заданную достоверность принятия решения наблюдателем (см. 1. .

Учет этих параметров и формулы (2. позволяет найти выражение для предельной чувствительности, т. е. пороговой освещенности сцены для реальной ситуации обнаружения и опознавания малоконтрастных объектов:

(2.

где N=2*10¹² – потенциально доступное ПЗС количество фотонов на 1 см² в 1 секунду при равномерном спектре и освещённости в видимом диапазоне 1 лк. При большой разнице в коэффициентах отражения объекта и фона в числитель формулы (2. вместо коэффициента отражения фона k_ф следует подставлять полусумму коэффициентов отражения объекта и фона.

Управление численными значениями большинства входящих в формулу (2. параметров либо недоступно, либо может осуществляться в небольших пределах. Так, светосила лучших современных асферических объективов (F = 0.8…0.7 в ближайшем будущем вряд ли будет заметно увеличена. Квантовый выход большинства серийных ПЗС приближается к 0.5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК. Площадь элемента разложения в матрицах ПЗС имеет тенденцию к уменьшению, а параметры микролинз близки к теоретическому пределу. Подстановка типовых значений характеристик наблюдаемых сцен и матриц ПЗС позволяет получить оценку предельной чувствительности телекамеры в реальных условиях: Е_пор = 0.2лк, что хуже паспортных данных, приводимых в спецификациях. Более подробно этот вопрос рассмотрен в 2.5.

Чувствительность телекамер ограничивается не только фотонным шумом, но и рядом дополнительных факторов .



Во-первых, происходит рассеяние света в объективе (см. рис. 2.1 . Часть фотонов света, падающих на входной зрачок объектива, рассеивается и создаёт дополнительный фон. Этот фон снижает контраст полезного объекта и вносит дополнительный фотонный шум.

Во-вторых, в ПЗС всегда присутствуют собственные шумы – считывания, темнового сигнала и т. д. Кроме того, чувствительность матриц ПЗС снижается из-за свечения транзисторов выходного устройства. Это явление впервые наблюдалось в охлаждаемой астрономической ПЗС камере и было расценено как уникальное. С тех пор чувствительность матриц ПЗС возросла в 100 раз и этот эффект вносит вклад в снижение чувствительности телекамер на ПЗС аналогично рассеянному в объективе свету.

Постоянный рост чувствительности телекамер сконцентрировал внимание производителей и пользователей на этом параметре, отодвинув на второй план другой важный параметр – отношение сигнал/шум. Однако его роль для практики первостепенна, поскольку именно отношением сигнал/шум определяется вероятность правильного опознавания изображений, потенциальная разрешающая способность и количество градаций яркости, воспроизводимых телевизионной системой.

Понятие отношение сигнал/шум основано на измерении отношения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума. Различия в форме записи отношения сигнал/шум связаны с использованием линейной либо логарифмической шкалы. Два способа задания этого параметра связаны соотношением



Здесь под U_с понимается амплитуда сигнала, а под U_ш – среднеквадратичное значение шума. Именно отношение сигнала к среднеквадратичному значению шума при номинальной амплитуде видеосигнала (0.7 В или 100 IRE) и приводится в спецификациях на телекамеры. В практике телевизионных измерений осциллографическим методом пиковое значение шума определяется по размаху шумовой дорожки на уровне чёрного. Обычно шум считают гауссовским и для перехода к среднеквадратичному значению используют пик-фактор, равный 6.

Рассмотрим подробнее составляющие шума ТВ-камеры на ПЗС. Уровень шумов ПЗС принято оценивать среднеквадратичным числом шумовых электронов σ, представляющем собой среднеквадратичное отклонение числа носителей в каждом зарядовом пакете.

Шумы ПЗС имеют несколько независимых причин, вследствие чего среднеквадратичное число шумовых электронов ПЗС определяется геометрической суммой составляющих: σ= √∑_iσ² _i




Читайте далее:
Анонс журнала best of security №16 ,апрель, 2006
Анонс журнала бди №2 ,71, 2007
Банкомат
Анонс журнала бди № 5 ,74, 2007
Анонс журнала бди №6 ,75, 2007
Анонс журнала алгоритм безопасности № 1, 2008
14 апреля выходит в свет очередной номер журнала тз ,технологии защиты,
Анонс журнала алгоритм безопасности № 4, 2008
18 - 24 апреля 2005 года
3 апреля 2006 года выходит в свет №2 журнала все о вашей безопасности
20 декабря выходит в свет №6 журнала все о вашей безопасности
1-го ноября выходит в свет №5-2007 журнала тз
4 февраля выходит в свет очередной номер журнала тз ,технологии защиты,
20 декабря 2005 года выходит в свет очередной 6-й номер журнала все о вашей безопасности
20 сентября выходит в свет 4-й номер журнала все о вашей безопасности