Адаптация камера к изменению освещенности

Адаптация камера к изменению освещенности | Прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD), который используется, как правило, в качестве преобразователя «свет — сигнал» (« датчика изображения») в телевизионных камерах систем видеонаблюдения, имеет линейную характеристику преобразования (динамический диапазон) в очень небольших пределах. При увеличении освещенности преобразователь переходит в режим насыщения вследствие ограниченной глубины потенциальной ямы элемента ПЗС матрицы. Для предотвращения растекания фотозаряда («заплывания») применяются специальные меры, которые называются антиблюмингом. 

Типовое значение величины освещенности насыщения для стандартной ПЗС матрицы формата 1/3’’ составляет 0,3-0,5 лк. Рабочую точку на световой характеристике обычно выбирают на уровне 0,7 от освещенности насыщения ПЗС матрицы. При этом схема формирования выходного видеосигнала должна обеспечивать стандартное значение 1 В на нагрузке 75 Ом. 

Уменьшение освещенности на входе преобразователя «свет — сигнал», естественно, приводит к уменьшению амплитуды выходного сигнала, что должно компенсироваться изменением коэффициента усиления тракта формирования выходного сигнала (схемой АРУ). 

К сожалению, уменьшение освещенности на матрице невозможно компенсировать увеличением коэффициента усиления схемы АРУ, так как при больших коэффициентах усиления в тракте одновременно усиливается и шум, создаваемый активными элементами, т. е. уменьшается отношение « сигнал-шум», что приводит к визуальным эффектам типа «снега». Применение специальных мер, типа охлаждения ПЗС, и предварительного усилителя большого эффекта не дает, в связи с этим максимальный коэффициент усиления схемы АРУ обычно не превышает 5-10.

При увеличении освещенности на сцене необходимо принимать меры по снижению освещенности (стабилизации экспозиции) на матрице, для того чтобы поддерживать освещенность на матрице в пределах динамического диапазона ПЗС. Обычно уменьшение освещенности достигается применением объективов, у которых можно менять относительное отверстие. Относительное отверстие объектива обычно изменяется при помощи ирисовой механической диафрагмы, хотя периодически предпринимаются попытки применить оптические фильтры с изменяемой плотностью, например электрохромные светофильтры, рассеченные призмы (коэффициент пропускания которых меняется в зависимости от расстояния в зазоре) и т. п. При помощи специальных мер, а именно нанесением на линзу так называемых «спот»-фильтров, оптическая плотность которых меняется от периферии к центру, удается при помощи диафрагмы добиться изменения относительного отверстия в 300 и более раз. При этом освещенность на матрице изменяется по квадратичному закону, т. е. в 10 000 раз и более. Для того чтобы схема автоматического регулирования диафрагмы объектива была линейной во всем диапазоне изменения входного светового потока, необходимо, чтобы зависимость изменения светосилы объектива от угла поворота ириса была экспоненциальной, т. е. при линейно-изменяющемся сигнале управления коэффициент пропускания оптической части должен изменяться по экспоненте. К сожалению, на практике добиться этого очень трудно, поэтому при применении не очень качественных объективов с автоирисом возможна неустойчивая работа всей системы, что проявляется в мерцании «картинки» на мониторе. Кстати, единственный оптический прибор, обладающий требуемой характеристикой светопропускания, — рассеченная по диагонали шестигранная призма, у которой коэффициент пропускания является экспоненциальной функцией от величины зазора.

В принципе ПЗС матица, если отвлечься от физики процессов, очень похожа на фотопластинку. Поэтому величину экспозиции можно регулировать двумя способами:

- регулированием светового потока (диафрагма объектива, фильтр с регулируемой оптической плотностью);

- изменением времени накопления, что в фотоаппарате достигается изменением времени выдержки (механический затвор), а в ТВ-камерах — изменением времени накопления (электронный затвор, «шуттер»).

Время накопления в ПЗС матрицах может изменяться в не очень больших пределах: от 1/50 секунды до 1/100 000 секунды, т. е. всего в 2000 раз. Поэтому максимальный коэффициент перекрытия по освещенности всего 2000, что явно недостаточно, так как диапазон изменения входной освещенности — семь порядков, 107. Поэтому в реальных ТВ-камерах, как правило, применяются обе схемы управления экспозицией. При этом, так как обе схемы регулирования обладают астатизмом первого порядка, постоянная времени в контурах регулирования светового потока и времени накопления должна отличаться, как минимум, на порядок, что, как известно из курса теории систем автоматического регулирования, приводит к снижению быстродействия всего контура регулирования.

При одновременном использовании обоих методов регулирования экспозиции основную функцию выполняет обычно контур регулирования светового потока, а контур регулирования времени накопления играет вспомогательную роль. Однако при использовании ТВ-камер во внутренних помещениях, где диапазон изменения освещенности невелик, можно применять ТВ-камеры с ручной регулировкой диафрагмы, а функцию регулирования экспозиции в этом случае полностью выполняет контур автоматического регулирования времени накопления. В этом случае стоимость ТВ-камеры с объективом значительно снижается.

Совершенствование технологии преобразователей «свет — сигнал» привело к тому, что в последнее время появились приборы, в которых время накопления регулируется индивидуально для каждого пикселя матрицы преобразователя. Естественно, это предоставляет огромные возможности разработчикам ТВ-камер. В таких камерах можно реализовать давнюю мечту всех специалистов — локальное выравнивание гистограммы, что позволит значительно увеличить динамический диапазон ТВ-камеры. В стандартных камерах регулируется общая экспозиция, т. е. измеряется пиковое значение освещенности на сцене и, в соответствии с измеренным значением, устанавливается величина экспозиции. Если же возможно устанавливать экспозицию индивидуально для каждого участка наблюдаемой сцены, то это позволяет «подавлять» чрезмерно яркие участки и «вытягивать» темные участки, что и называется локальным выравниванием гистограммы. В общем, телевизионная техника развивается, и в ближайшем будущем нас, видимо, ждут новые чудеса.

 


О компании

Объединив команду профессионалов различных специальностей, способных реализовать различные проекты, компания ПРОКСИМА предлагает комплекс услуг, включающий проектирование, подбор, поставку, монтаж, гарантийное и сервисное обслуживание систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализаций, систем контроля доступа, оповещения, мини АТС, антикражных систем, учета посетителей, ВОЛС, СКС, ЛВС, домофонных систем, электромонтажных работ, автоматических ворот. Наша задача предоставить вам решение, максимально удовлетворяющее вашим потребностям.