НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ЯРКОМ СОЛНЕЧНОМ СВЕТЕ

А. Куликов

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. Считается, 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.

Режимы расширения максимального наблюдаемого контраста

1. Гамма коррекция

Гамма коррекция является обязательным элементом любой телевизионной камеры. С помощью этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование логарифмического закона восприятия освещенностей человеческим глазом с линейной зависимостью свет-сигнальных характеристик телекамеры и видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в дополнительном усилении слабых уровней сигнала. В телекамерах используют различные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45.

Рис. 1. Амплитудные характеристики узла гамма коррекции в микросхеме CXA1310AQ (SONY), которая применяется во многих современных черно-белых телевизионных камерах [3]

При работе камеры в условиях солнечного света нужно устанавливать меньшее из возможных значений гамма коррекции - 0,45, что позволит несколько расширить диапазон наблюдаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, создает комфортное, "правильное" визуальное соотношение освещенностей, и сдвигает вверх нижний уровень наблюдаемых освещенностей. Но указанное преимущество достигается ценой следующих недостатков:

• В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.
• Ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.

Поэтому, при включенной гамма коррекции, несмотря на расширение визуально наблюдаемого диапазона освещенностей становится большей вероятность пропуска появившегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней освещенностью.

2. Режим наблюдения против света "Back Light Compensation"

Появившийся несколько лет назад и активно рекламируемый режим "BLC" предназначен для наблюдения объектов в сложных условиях - против света. Схемотехнически он выполняется в виде переключения порогов срабатывания электронного затвора (или опорного уровня в АРД объективе) и системы АРУ так, что они становятся на 10 - 20% выше обычного. В результате, самые яркие объекты (например, светлое окно) "зарезаются в белом", а объекты среднего уровня (лицо человека, стоящего перед окном) усиливаются и становятся хорошо видимыми. Таким образом, режим "Back light compensation" не расширяет динамический диапазон, а сдвигает его с целью лучшего наблюдения более темных объектов, ценой потери ярких объектов. Существуют модификации режима в виде дополнительного переключения "окон", в которых срабатывают схемы автоматического регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант реализации режима BLC с преобразованием верхних уровней сигнала в "негативное изображение" (телекамеры фирмы JAI).

Режим "BLC" полезен в ряде случаев телевизионного наблюдения, но, к сожалению его нельзя использовать в автоматическом виде, так как камера "не знает", когда оператора интересует объект перед ярко освещенной поверхностью, а когда важным является изображение самой этой поверхности. В настоящее время появились дистанционно управляемые телекамеры, в которых оператор может быстро включить или выключить режим "BLC".

3. Цифровая обработка сигнала и камеры "Super dynamic"

Несомненно, будущее за цифровой обработкой сигнала в телевизионных камерах. Но есть серьезные препятствия, не позволяющие современным черно-белым камерам с цифровой обработкой сигнала стать бесспорными лидерами телевизионного рынка. В первую очередь это ограничения по стоимости, габаритам и энергопотреблению. Если установить в телекамеру процессор уровня Pentium IV, 16-ти разрядные АЦП и ЦАП, ОЗУ большого объема и т.д., она станет недосягаемой для 99% применений. Поэтому в камеры устанавливают упрощенные специализированные процессоры DSP и АЦП с небольшой разрядностью, как правило 8, иногда 10. Результатом является низкая эффективность цифровой обработки сигнала и отсутствие заметных преимуществ цифровых камер над аналоговыми, за исключением сервисных.

Три года назад я был удивлен низкому качеству изображения накрученной камеры WV-BP-510 с цифровым процессором, детектором движения, режимом повышения чувствительности Sensitivity Enhancer. По качеству изображения в дневных условиях она значительно уступала предшествующей аналоговой модели WV-BP-310 той же фирмы Panasonic. Причина - малое число уровней квантования в АЦП и ЦАП в этой камере, что визуально наблюдалось в виде грубого квантованного изображения с характерным "квадратно-гнездовым" шумом. Еще одним примером недостаточно высокой эффективности цифровой обработки сигнала является знаменитый комплект "Super dynamic"- матрица CCD и DSP процессор той же фирмы, использованный в камере WV-BP-554 и других камерах. Великолепная идея получения в одном телевизионном поле двух сигналов, суммарный динамический диапазон которых в 40 раз превышает стандартный, эффектно изображенная в рекламных проспектах, понравилась даже неспециалистам.

Топология стандартной и "Super dynamic" матриц ПЗС

Механизм преобразования сигналов в DSP процессоре

Из рекламного проспекта фирмы Panasonic

Рис. 2. Иллюстрация способа расширения динамического диапазона для камер серии "Super dynamic"

Только потом возникли вопросы: а как это получается при 10-ти разрядных АЦП и ЦАПах? Не мешает ли обработке рассеяние света в объективах и т.д.? Кроме того, динамический диапазон каждого элемента матрицы "Super dynamic" должен быть, как минимум, в 2 раза меньше стандартного и соответствовать матрицам формата 1/5 дюйма. Последнее обусловлено тем, что сигналы двух полей одновременно хранятся в одной матрице ПЗС формата 1/3 дюйма (рис. 2 б). После испытания знаменитой камеры оказалось, что только путем длительной настройки удается получить динамический диапазон такой же, как у обычных третьдюймовых камер. Камеры на матрицах 1/2 дюйма однозначно превосходили "Super dynamic" по всем параметрам, несмотря на заложенную интересную идею и все хитросплетения цифровых методов обработки. Жаль, а так хотелось чуда... Вспоминается старая шутка, которую любили мастера лампового телевидения 60-х годов: "Гамма коррекция хороша тем, что ее можно выключить". К сожалению, это изречение вполне актуально и для режимов BLC и Super Dynamic.

Советы по установке камеры и выбору угла поля зрения. Защитные козырьки, бленды и светофильтры

Важно не только правильно выбрать объектив и телевизионную камеру, но и наилучшим образом ее установить. Перечислим практические правила, обеспечивающие лучшую защиту камеры от световых перегрузок:

• Угол поля зрения объектива по возможности следует выбирать минимальным.
• На камеру нужно установить светозащитный козырек с темной матовой внутренней поверхностью. Его длина должна быть максимальной, такой, чтобы его верхний край был чуть-чуть виден на изображении.
• Камеру следует установить как можно выше, так, чтобы она смотрела сверху вниз, и площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
• При очень узких углах поля зрения (менее 10 угловых градусов) непосредственно на объектив следует надевать светозащитную бленду с матовой темной внутренней поверхностью. Бленда заметно уменьшает рассеяние света в линзах объективов.
• Если в поле зрения камеры есть небо, и в некоторые моменты времени может попадать Солнце, на верхнем краю защитного козырька целесообразно закреплять нейтральный светофильтр с ослаблением 5 -10 раз так, чтобы на изображении он перекрывал небо, или, как минимум, зону возможного прохождения Солнца.
• В камерах на стандартных комплектах микросхем фирм SONY, Samsung, Sharp следует прикрывать непрозрачным материалом правый край изображения (место расположения задних холостых элементов CCD).
• Перед установкой на объект камеру с установленным объективом нужно проверить на устойчивость при наблюдении прямого Солнца, ярких облаков и нити лампы накаливания, наблюдаемой "в упор". В случае самовозбуждения системы объектив-камера, следует увеличить порог срабатывания диафрагмы объектива, что позволит ценой некоторого ухудшения качества изображения гарантировать устойчивость ее работы.

Выводы

Для обеспечения надежного телевизионного наблюдения в условиях солнечного освещения и световых перегрузок следует:

1. Использовать объективы с автоматической диафрагмой, выбирая модели с минимальным значением относительного отверстия не хуже F(360), с малым светорассеянием и бликами, линейной регулировочной характеристикой.

2. Применять телекамеры с матрицами ПЗС форматов не менее 1/2 - 1/3 дюйма, желательно серии EXWAVEHAD фирмы SONY, имеющие наименьший "смаз" изображения от ярких объектов. Учитывать, что матрицы стандартного разрешения в полтора раза превосходят матрицы высокого разрешения по максимальному наблюдаемому контрасту.

3. При необходимости установки объективов с постоянной диафрагмой, следует выбирать камеры с электронным затвором, реализующие минимальную экспозицию 1/1000000 секунды и имеющие систему автоматического переключения режимов ПЗС "ночь - день". Такие камеры обеспечат минимальные потери информации при наблюдении в условиях световых перегрузок.

4. Использовать светозащитные козырьки или бленды максимально возможной длины с темным матовым внутренним покрытием.

5. Камеры на местности устанавливать как можно выше, чтобы площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.

6. В наиболее сложных условиях наблюдения целесообразно применение телекамер с дистанционно регулируемыми параметрами, которые позволят операторам быстро и оптимально подстраивать режимы камер к изменяющимся условиям наблюдения.

7. Для наблюдения высококонтрастных изображений следует выбирать черно-белые видеомониторы больших размеров с максимальной яркостью свечения экрана.

Список литературы

1. Телевидение: Учеб. Пособие для вузов /Р.Е. Быков, В.М. Сигалов, Г.А. Эйсенгардт; Под ред. Р.Е. Быкова - М.: Высш. Шк., 1988. - 248 с.: ил.

2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса. - М.: Мир. 1978. - 327 с.

3. Single Chip Processing for CCD Monochrome Camera CXA1310AQ. Data book "CCD Area Image Sensor", SONY Corporation Semiconductor Company, 1996. P 1200 - 1212.

Взято с www.sec.ru