Рассуждения о телевизионных камерах

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

• на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);
• на полукадр (матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки);

Качество современных ПЗС матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется.

Основными параметрами, ПЗС матриц являются:

• размерность в пикселях;
• физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т.д.). При этом сами цифры не определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют класс прибора;
• чувствительность.

• 512*576;
• 768*576.

Для обьективов, сделанных под 1/3 дюймовые матрицы, это значение должно быть еще выше, хотя это, как ни странно, не отражается на стоимости и таком параметре как светосила, поскольку эти объективы делают с учетом необходимости формирования изображения на меньшем светочувствительном поле матрицы. Отсюда следует и то, что объективы для матриц меньшего размера не подходят к большим матрицам из-за существенно ухудшающихся характеристиках на краях больших матриц. В тоже время объективы для больших матриц могут ограничить разрешение изображений, получаемых с меньших матриц.

К сожалению, при всем современном изобилии обьективов для телекамер, информацию по их разрешающей способности получить очень тяжело.

Вообще, мы не часто занимаемся подбором объективов, поскольку почти все наши Заказчики устанавливают видеосистемы на уже имеющуюся оптику: микроскопы, телескопы и т.д., поэтому наши сведения о рынке объективов носят характер заметок. Можно только сказать, что разрешающая способность простых и дешевых обьективов находится в диапазоне 50-60 пар линий на мм, что вообще- то недостаточно.

С другой стороны у нас есть информация, что специальные объективы производства Zeiss с разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000$.

Так, что при покупке объектива необходимо провести предварительное тестирование. Надо сказать, что большинство Московских продавцов дают объективы на тестирование. Здесь ещё раз уместно вспомнить об эффекте муара, наличие которого, как отмечалось выше, может ввести в заблуждение относительно разрешающей способности матрицы. Так вот, наличие муара на изображении участков таблицы со штрихами выше 600 телевизионных линий в отношении объктива свидетельствует о некотором запасе разрешающей способности последнего, что, конечно, не помешает.

Еще одно, может быть, важное замечание для тех, кого интересуют геометрические измерения. Все объективы в той или иной степени имеют дисторсию (подушкообразное искажение геометрии изображения), причем чем короткофокуснее объектив, тем эти искажения, как правило, больше. По нашему представлению приемлимую дисторсиии для 1/3" и 1/2" камер имеют объективы с фокусными расстояниями больше 8-12 мм. Хотя уровень "приемлимости", конечно, зависит от задач, которые должна решать телекамера.

В отличии от таких светоприемников ПЗС матрицы имеют дискретную топологию, поэтому оптимальная частота оцифровки для них определяется как частота сдвига выходного регистра матрицы. При этом важно, что бы АЦП контроллера работал синхронно с выходным регистром ПЗС матрицы. Только в этом случае может быть достигнуто наилучшее качество преобразования как с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений так и с точки зрения минимизации шумов от тактовых импульсов и переходных процессов.

Начиная с 1994 года мы используем в своих устройствах кард-камеры фирмы SONY на основе ПЗС матрицы ICX039. В описании SONY на это устройство указана чувствительность 0.25 лк на объекте при светосиле обьектива 1.4. Уже несколько раз, мы встречали камеры с похожими параметрами (размер 1/2 дюйма, разрешение 752*576) и с декларируемой чувствительностью в 10 а то и в 100 раз большей чем у "нашей" SONY.

Мы несколько раз проверяли эти цифры. В большинстве случаях в камерах разных фирм мы обнаруживали туже самую ПЗС матрицу ICX039. При этом все микросхемы "обвязки" были тоже SONY-вские. Да и сравнительное тестирование показало почти полную идентичность всех этих камер. Так в чем вопрос?

А весь вопрос в том, при каком соотношении сигнал/шум (с/ш) определяется чувствительность. В нашем случае компания SONY добросовестно показала чувствительность при с/ш=46 дб, а другие фирмы либо не указали это, либо указали так, что непонятно при каких условиях производились эти измерения.

Дело в том, что при уменьшении требования к соотношению с/ш чувствительность камеры возрастает обратно пропорционально квадрату требуемого отношения с/ш:

где:
I - чувствительность;
K - коэффициент пересчета;
с/ш - отношение с/ш в линейных единицах,

поэтому у многих фирм появляется соблазн указывать чувствительность камер при заниженном отношении с/ш.

Можно сказать, что способность матриц лучше или хуже "видеть" определяется количеством зарядов, преобразованных из падающих на её поверхность фотонов и качеством доставки этих зарядов на выход. Количество накопленных зарядов зависит от площади светочувствительного элемента и квантовой эффективности ПЗС матрицы, а качество траспортировки определяется множеством факторов, которые часто сводят к одному - шуму считывания. Шум считывания для современных матриц составляет величину порядка 10-30 электронов и даже менее!

Площади элементов ПЗС матриц различны, но типовое значение для 1/2 дюймовых матриц для телекамер - 8.5мкм*8.5мкм. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размером самих матриц, что повышает их стоимость не столько за счет собственно увеличения цены производства, сколько за счет того, что серийность таких устройств на несколько порядков меньше. Кроме того на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы в той степени сколько процентов к общей поверхности кристалла занимает чувствительная площадка (фактор заполнения). В некоторых специальных матрицах фактор заполнения заявляется 100%.

Квантовая эффективность (на сколько в среднем изменяется заряд чувствительной ячейки в электронах при падении на её поверхность одного фотона) у современных матриц равна 0.4-0.6 (у отдельных матриц без антиблюминга она достигает 0.85).

Таким образом видно, что чувствительность ПЗС камер, отнесенная к определенному значению с/ш, вплотную подошла к физическому пределу. По нашему заключению типичные значения чувствительности камер общего применения при с/ш=46 лежат в диапазоне 0.15-0.25 лк освещенности на обьекте при светосиле обьектива 1.4.

В связи с этим мы не рекомендуем слепо доверять цифрам чувствительности, указанным в описаниях телекамер, тем более, когда не приведены условия определения этого параметра и, если вы видите в паспорте камеры ценой до 500 $ чувствительность 0.01-0.001 лк в телевизионном режиме, то перед вами образец, мягко говоря, некорректной информации.

Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Можно утверждать с достаточной точностью, что чувствительность ПЗС камер прямо пропорциональна времени экспозиции.

Например, чувствительность при выдержке 1 сек по отношению к исходной 1/50с увеличится в 50 раз т.е. будет лучше - 0.005 лкс.

Конечно на этом пути есть проблемы, и это, прежде всего, темновой ток матриц, который приносит заряды, накапливаемые одновременно с полезным сигналом. Темновой ток определяется во-первых, технологией изготовления кристалла, во-вторых, уровнем технологии и, конечно, в очень большой степени рабочей температурой самой матрицы.

Обычно для достижения больших времен накопления, порядка минут или десятков минут, матрицы охлаждают до минус 20-40 град. С. Сама по себе задача охлаждения матриц до таких температур решена, но сказать, что это сделать просто нельзя, поскольку всегда есть конструктивные и эксплуатационные проблемы, связанные с запотеванием защитных стекол и сброса тепла с горячего спая термоэлектрического холодильника.

В тоже время технологический прогресс производства ПЗС матриц коснулся и такого параметра, как темновой ток. Здесь достижения весьма значительны и темновой ток некоторых хороших современных матриц очень невелик. По нашему опыту камеры без охлаждения позволяют при комнатной температуре делать экспозиции в пределах десятков секунд, а при компенсации темнового фона и до нескольких минут. Для примера здесь приведена фотография планетарной туманности М57, полученная видеоситемой VS-a-tandem-56/2 без охлаждения с экспозицией 20с.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Рис.2 Спектральные характеристики различных матриц

Для некоторых областей применения, важным фактором является спектральная чувствительности ПЗС матриц. Поскольку все ПЗС изготавливаются на основе кремния, то в "голом" виде спектральная чувствительность ПЗС соответствует этому параметру у кремния (см. рис. 2).

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Рис. 3 Типичная спектральная характеристика черно-белых матриц SONY.

Фирма SONY все свои черно-белые матрицы выпускает со следующей спектральной характеристикой (см рис. 3). Как видно их этого рисунка чувствительность ПЗС в ближнем ИК значительно уменьшена, но зато матрица стала воспринимать синюю область спектра.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).

Здесь также необходимо отметить и то, что по некоторым данным, которые мы сами не проверяли, матрицы с антиблюмингом имеют в 2 раза более низкую квантовую эффективность, чем матрици без антиблюминга. В связи с этим, в системах, требующих очень высокой чувствительности, возможно имеет смысл применять матрицы без антиблюминга (обычно это специальные задачи типа астрономических).

Существуют 2 способа формирования цветного сигнала:

• 1. использование одноматричной камеры.
• 2. использование системы из 3 ПЗС матриц с цветоделительной головкой для получения R, G, B компоненов цветного сигнала на этих матрицах.

В большинстве случаев используются одноматричные ПЗС камеры. Рассмотрим их принцип работы.

Как явствует из достаточно широкой спектральной характиристики ПЗС матрицы, она не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность. Поэтому для того, чтобы вводить цветное изображение перед каждым элементом ПЗС матрицы устанавливается светофильтр. При этом общее число элементов матрицы остается прежним. Фирма SONY, например, выпускает совершенно одинаковые ПЗС матрицы для черно-белого и цветного варианта, которые отличаются только наличием у цветной матрицы сетки светофильтров, нанесенных непосредственно на чувствительные площадки. Существуют несколько схем раскраски матриц. Вот одна из них.

Далее для определения цвета производятся следующие операции.
Суммированием 4-х соседних пикселей получают яркостный сигнал Y:

В строке A1 получают "красный" цветоразностный сигнал как:

а в строке A2 получают "голубой" цветоразностный сигнал:

Отсюда ясно, что пространственное разрешение цветной ПЗС матрицы по сравнению с такой же черно-белой обычно в 1.3-1.5 раза хуже по горизонтали и по вертикали. За счет применения светофильтров чувствительность цветной ПЗС также хуже, чем у черно-белой. Таким образом можно сказать, что, если имеется одноматричный приемник 1000*800, то реально можно получить около 700*550 по яркостному сигналу и 500*400 (возможен вариант 700*400) по цветному.

Отвлекаясь от технических вопросов хочется заметить, что с рекламными целями многие фирмы-изготовители электронных фотоаппаратов сообщают совершенно непонятные данные по своей технике. Например, фирма "Кодак" обьявляет разрешение у своего электронного фотоаппарата DC120 1200*1000 при матрице 850х984 пикселей. Но господа - информация из пустого места не возникает, хотя визуально смотрится и неплохо!

О постранственном разрешении цветового сигнала (сигнала который несет информацию о цвете изображения) можно сказать, что она как минимум в 2 раза хуже, чем разрешение по черно-белому сигналу. Кроме того "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат обработки яркостей различных элементов исходной картинки. Грубо говоря, за счет резкого различия яркостей соседних элементов объекта может быть вычислен цвет, которого вовсе здесь и нет, при этом незначительное смещение камеры приведет к резкому изменению выходного цвета. Для примера: граница темного и светлого поля серого цвета будет выглядеть, состоящей из разноцветных квадратиков.

Все эти рассуждения касаются только физического принципа получения информации на цветных ПЗС матрицах, при этом надо учесть, что обычно видеосигнал на выходе цветных камер представлен в одном из стандартных форматов PAL, NTSC, реже S-video.

Форматы PAL и NTSC хороши тем, что могут сразу быть воспроизведены на стандартных мониторах с видеовходом, но при этом надо помнить, что этими стандартами для сигнала цветности предусмотрена существенно более узкая полоса, поэтому правильнее здесь говорить о раскрашенном, а не о цветном изображении. Ещё одной неприятной особенностью камер с видеосигналами, несущими цветовую компоненту, является появление, упомянутых выше, разводов на изображении, полученных черно-белыми фраймграберами. И дело здесь в том, что сигнал цветности находится почти в середине полосы видеосигнала, создавая помеху при вводе кадра изображения. Мы же не видим эту помеху на телевизионном мониторе потому, что фаза этой "помехи" через четыре кадра изменяется на противоположную и усредняется глазом. Отсюда недоумении Заказчика, получающего изображение с помехой, которую он не видит.

Из этого следует, что, если вам необходмо проводить какие-то измерения или дешифровку объектов по цвету, то к этом у вопросу надо подойти с учетом, как сказанного выше, так и других особенностей вашей задачи.

Действительно, кремний является светочувствитерным элементом и любое полупроводниковое изделие можно использовать как датчик. Использование CMOS технологии дает несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционной.

Во-первых, технология CMOS хорошо освоена и позволяет выпускать элементы с большим выходом годных изделий.

Во-вторых технология CMOS позволяет разместить на матрице кроме светочувствительной области и различные устройства обрамления (вплоть до АЦП), которые раньше устанавливались "снаружи". Это позволяет выпускать телекамеры с цифровым выходом "на одном кристале".

Благодаря этим преимуществам становиться возможен выпуск значительно более дешевых телевизионных камер. Кроме этого значительно расширяется круг фирм производящих матрицы.

В настоящий момент выпуск телевизионных матриц и камер на CMOS технологии только налаживается. Информация о параметрах таких устройств весьма скудна. Можно лишь отметить, что параметры этих матриц не превосходят достигнух сейчас, что же касается цены, то тут их преимущества неоспоримы.

Приведу в качестве примера однокристальную цветную камеру фирмы Photobit PB-159. Камера выполнена на одном кристале и имеет следующие технические параметры:

• разрешение - 512*384;
• размер пикселя - 7.9мкм*7.9мкм;
• чувствительность - 1люкс;
• выход - цифровой 8-ми битный SRGB;
• корпус - 44 ноги PLCC.

Поскольку эти фотоаппараты основаны на ПЗС и CMOS матрицах, то все рассуждения в этой статье о чувствительности, о принципах формирования цветного сигнала действительны и для них.

• технология производства ПЗС матриц с точки зрения чувствительности и шумов весьма близка к физическим пределам;
• на рынке телевизионных камер можно найти камеры приемлемого качества, хотя для достижения более высоких параметров возможно потребуется подрегулировка;
• не следует обольщаться цифрам высокой чувствительности, приведенным в проспектах на камеры;
• и ещё, цены на абсолютно одинаковые по качеству и даже на просто одинаковые камеры у разных продавцов могут отличаться более чем в два раза!