о выборе видеокамеры для семьи мы писали о матрицах. Там мы коснулись этого вопроса легко, однако сегодня постараемся более детально описать обе технологии.

Что же такое матрица в видеокамере? Это микросхема, которая преобразовывает световой сигнал в электрический. На сегодняшний день существует 2 технологии, то есть 2 типа матриц – CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) . Они отличаются друг от друга, каждая имеет свои плюсы и минусы. Нельзя точно сказать, какая из них лучше, а какая – хуже. Они развиваются параллельно. Вдаваться с технические детали мы не будем, т.к. они будут банально непонятны, но общими словами определим их главные плюсы и минусы.

Технология CMOS (КМОП)

CMOS-матрицы в первую очередь хвастаются низким энергопотреблением, что плюс. Видеокамера с этой технологией будет работать чуть дольше (зависит от емкости аккумулятора). Но это мелочи.

Главное отличие и достоинство – это произвольное считывание ячеек (в CCD считывание осуществляется одновременно), благодаря чему исключается размазывание картинки. Возможно, вы когда-нибудь видели «вертикальные столбы света» от точечных ярких объектов? Так вот CMOS-матрицы исключают возможность их появления. И еще камеры на их основе дешевле.

Недостатки также есть. Первый из них – небольшой размер светочувствительного элемента (в соотношении к размеру пикселя). Здесь большая часть площади пикселя занята под электронику, поэтому и площадь светочувствительного элемента уменьшена. Следовательно, чувствительность матрицы уменьшается.

Т.к. электронная обработка осуществляется на пикселе, то и количество помех на картинке возрастает. Это также является недостатком, как и низкое время сканирования. Из-за этого возникает эффект «бегущего затвора»: при движении оператора возможно искажение объекта в кадре.

Технология CCD (ПЗС)

Видеокамеры с CCD-матрицами позволяют получить высококачественное изображение. Визуально легко заметить меньшее количество шумов на видео, отснятом с помощью видеокамеры на основе CCD-матрицы по сравнению с видео, отснятым на камеру CMOS. Это самое первое и важное преимущество. И еще: эффективность CCD-матриц просто потрясающая: коэффициент заполнения приближается к 100%, соотношение зарегистрированных фотонов равен 95%. Возьмите обычный человеческий глаз – здесь соотношение равно приблизительно 1%.

Высокая цена и большое энергопотребление – это недостатки данных матриц. Дело в том, что здесь процесс записи невероятно труден. Фиксация изображения осуществляется благодаря многим дополнительным механизмам, которых нет в CMOS-матрицах, поэтому технология CCD существенно дороже.

CCD-матрицы используются в устройствах, от которых требуется получение цветного и качественного изображения, и которыми, возможно, будут снимать динамические сцены. Это профессиональны видеокамеры в своем большинстве, хотя и бытовые тоже. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.

CMOS-матрицам применяются там, где нет особо высоких требований к качестве картинки: датчики движения, недорогих смартфонах…Впрочем, так было ранее. Современные матрицы CMOS имеют разные модификации, что делает их весьма качественными и достойными с точки зрения составления конкуренции матрицам CCD.

Сейчас сложно судить о том, какая технология лучше, ведь обе демонстрируют прекрасные результаты. Поэтому ставить тип матрицы как единственный критерий выбора, как минимум, глупо. Важно учитывать многие характеристики.

Пожалуйста, оцените статью:

{lang: ‘ru’}

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве .

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная цифрового фотоаппарата . О матрицах фотоаппаратов уже говорилось , теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы .

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:

Рис.1

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа - слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями - дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3 ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку. Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов объединяются в ПЗС-матрицу . Работа такой матрицы основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Рис.5.

Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

Вендоры сейчас предлагают огромный выбор камер для видеонаблюдения. Модели отличаются не только общими для всех камер параметрами - фокусным расстоянием, углом обзора, светочувствительностью и т. д.,- но и различными фирменными "фишками", которыми каждый производитель стремится оснастить свои устройства.

Поэтому зачастую краткое описание характеристик камеры для видеонаблюдения представляет собой пугающий перечень непонятных терминов, к примеру: 1/2.8" 2.4MP CMOS, 25/30fps, OSD Menu, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0.05 Lux и это еще далеко не все.

В предыдущей статье мы остановились на видеостандартах и классификации камер в зависимости от них . Сегодня мы разберем основные характеристики камер для видеонаблюдения и расшифровку обозначений специальных технологий, используемых для улучшения качества видеосигнала:

1. Фокусное расстояние и угол обзора
2. Апертура (число F) или светосила объектива
3. Регулировка диафрагмы (автодиафрагма)
4. Электронный затвор (AES, скорость затвора, выдержка)
5. Чувствительность (светочувствительность, минимальное освещение)
6. Классы защиты IK (Vandal-proof, антивандальные) и IP (от влаги и пыли)

Тип матрицы (CCD ПЗС, CMOS КМОП)

Существует 2 типа матриц камер видеонаблюдения: CCD (на русском - ПЗС) и CMOS (на русском - КМОП). Они отличаются как устройством, так и принципом действия.

CCD	CMOS
Последовательное считывание из всех ячеек матрицы	Произвольное считывание из ячеек матрицы, что уменьшает риск смиринга - появления вертикального размазывания точечных источников света (ламп, фонарей)
Низкий уровень шумов	Высокий уровень шума из-за так называемых темповых токов
Высокая динамическая чувствительность (больше подходят для съемки движущихся объектов)	Эффект "бегущего затвора" - при съемке быстро движущихся объектов могут возникать горизонтальные полосы, искажения картинки
Кристалл используется только для размещения светочувствительных элементов, остальные микросхемы нужно размещать отдельно, что увеличивает размеры и стоимость камеры	Все микросхемы можно расположить на одном кристалле, что делает производство камер с CMOS-матрицами простым и недорогим
Благодаря использованию площади матрицы только под светочувствительные элементы, возрастает эффективность ее использования - она приближается к 100%	Низкое энергопотребление (почти в 100 раз меньше, чем у ПЗС матриц)
Дорогое и сложное производство	Быстродействие

Долгое время считалось, что матрица CCD дает гораздо более качественное изображение, чем CMOS. Однако современные матрицы КМОП зачастую практически ничем не уступают ПЗС, особенно в том случае, если к системе видеонаблюдения нет слишком высоких требований.

Размер матрицы

Обозначает размер матрицы по диагонали в дюймах и пишется в виде дроби: 1/3", 1/2", 1/4" и т. д.

Стандартно считается, что чем больше размер матрицы, тем лучше: меньше шумов, четче картинка, больше угол обзора. Однако на самом деле лучшее качество изображения обеспечивает не размер матрицы, а размер ее отдельной ячейки или пикселя - чем он больше, тем лучше. Поэтому при выборе камеры для видеонаблюдения нужно рассматривать размер матрицы вместе с количеством пикселей.

Если матрицы с размерами 1/3" и 1/4" имеют одинаковое количество пикселей, то в этом случае матрица 1/3", естественно, будет давать лучшее изображение. А вот если на ней пикселей больше, то нужно брать в руки калькулятор и подсчитывать примерный размер пикселя.

К примеру, из приведенных ниже расчетов размера ячейки матрицы можно увидеть, что во многих случаях размер пикселя на матрице 1/4" оказывается большим, чем на матрице 1/3", а значит, видеоизображение с 1/4" , хотя она и меньше по размеру, будет лучше.

Размер матрицы	Количество пикселей (млн)	Размер ячейки (мкм)
1/6	0.8	2,30
1/3	3,1	2,35
1/3,4	2,2	2,30
1/3,6	2,1	2,40
1/3,4	2,23	2,45
1/4	1,55	2,50
1 / 4,7	1,07	2,50
1/4	1,33	2,70
1/4	1,2	2,80
1/6	0,54	2,84
1 / 3,6	1,33	3,00
1/3,8	1,02	3,30
1/4	0,8	3,50
1/4	0,45	4,60

Фокусное расстояние и угол обзора

Эти параметры имеют большое значение при выборе камеры для видеонаблюдения, и они тесно связаны между собой. Фактически, фокусное расстояние объектива (часто обозначается f)- это расстояние между линзой и матрицей.

На практике же фокусное расстояние определяет угол и дальность обзора камеры:

• чем меньше фокусное расстояние, тем шире угол обзора и тем меньше деталей можно рассмотреть на объектах, расположенных вдали;
• чем больше фокусное расстояние, тем уже угол обзора видеокамеры и тем детальнее изображение удаленных объектов.

Если вам необходим общий обзор какой-то площади, и вы хотите использовать для этого как можно меньше камер - покупайте камеру с небольшим фокусным расстоянием и, соответственно, широким углом обзора.

А вот на тех участках, где требуется детальное наблюдение за сравнительно небольшой площадью, лучше поставить камеру с увеличенным фокусным расстоянием, направив ее на объект наблюдения. Это часто используется на кассах супермаркетов и банков, где нужно видеть номинал купюр и другие подробности расчетов, а также на въезде на автостоянки и прочие площадки, где необходимо различать автомобильный номер на большом расстоянии.

Самое распространенное фокусное расстояние - 3,6 мм. Оно примерно соответствует углу обзора человеческого глаза. Камеры с таким фокусным расстоянием используются для видеонаблюдения в небольших помещениях.

В представленной ниже таблице - информация и взаимосвязи фокусного расстояния, угла обзора, дистанции распознавания и т. д. для наиболее распространенных фокусов. Цифры примерные, так как зависят не только от фокусного расстояния, но и других параметров оптики камеры.

В зависимости от ширины угла обзора камеры для видеонаблюдения принято делить на:

• обычные (угол обзора 30°-70°);
• широкоугольные (угол обзора примерно от 70°);
• длиннофокусные (угол обзора менее 30°).

Буквой F, только обычно заглавной, обозначается также светосила объектива - поэтому при чтении характеристик обращайте внимание - в каком контексте употребляется параметр.

Тип объектива

Фиксированный (монофокальный) объектив - самый простой и недорогой. Фокусное расстояние в нем зафиксировано, и его нельзя поменять.

В варифокальных (вариофокальных) объективах можно менять фокусное расстояние. Его настройка производится вручную, обычно один раз, когда камера устанавливается на место съемки, а в дальнейшем - по необходимости.

Трансфакторные или зум-объективы также предоставляют возможность менять фокусное расстояние, но удаленно, в любой момент времени. Изменение фокусного расстояния производится с помощью электропривода, поэтому их также называют моторизированными объективами.

"Рыбий глаз" (fisheye, фишай) или панорамный объектив позволяет установить всего одну камеру и достичь при этом 360° обзора.

Конечно, в результате получаемое изображение имеет эффект "пузыря" - прямые линии искривлены, однако в большинстве случаев камеры с такими объективами позволяют разделять одно общее панорамное изображение на несколько отдельных, с корректировкой под привычное человеческому глазу восприятие.

Pinhole-объективы позволяют вести скрытое видеонаблюдение, благодаря своему миниатюрному размеру. Фактически, пинхол-камера не имеет объектива, а лишь миниатюрное отверстие вместо него. В Украине использование скрытого видеонаблюдения серьезно ограничено, как и сбыт устройств для него.

Это наиболее распространенные типы объектива. Но если вдаваться более глубоко, объективы разделяются также по другим параметрам:

Апертура (число F) или светосила объектива

Определяет способность камеры снимать качественную картинку в условиях плохой освещенности. Чем больше число F, тем менее открыта диафрагма и тем большая освещенность требуется камере. Чем меньше апертура, тем больше открыта диафрагма, а видеокамера может давать четкое изображение даже при плохом освещении.

Буквой f (обычно строчной) обозначается также фокусное расстояние, поэтому при чтении характеристик обращайте внимание - в каком контексте употребляется параметр. К примеру, на картинке выше апертура обозначена маленькой f.

Крепление объектива

Для крепления объектива к видеокамере существует 3 вида креплений: C, CS, M12.

• Крепление C сейчас используется редко. Объективы C можно установить на камеру с креплением CS при помощи специального кольца.
• Крепление CS - наиболее распространенный тип. Объективы CS несовместимы с камерами C.
• Крепление M12 используется для объективов небольшого размера.

Регулировка диафрагмы (автодиафрагма), АРД, ARD

Диафрагма отвечает за поступление света на матрицу: при усиленном потоке света она сужается, препятствуя таким образом засвечиванию картинки, а при недостаточном освещении, наоборот, раскрывается, чтобы на матрицу попадало больше света.

Различают две большие группы камер: с фиксированной диафрагмой (сюда же можно отнести камеры вообще без нее) и с регулируемой .

Регулировка диафрагмы в различных моделях камер для видеонаблюдения может осуществляться:

• Вручную.
• Автоматически видеокамерой с помощью постоянного тока, на основании количества света, попадающего на матрицу. Такая автоматическая регулировка диафрагмы (АРД) обозначается как DD (Direct Drive) или DD/DC .
• Автоматически специальным модулем, встроенным в объектив и отслеживающим световой поток, проходящий через относительное отверстие. Такой способ АРД в спецификациях видеокамер обозначается как VD (Video Drive) . Он эффективен даже при попадании в объектив прямых солнечных лучей, но камеры наблюдения с ним дороже.

Электронный затвор (AES, скорость затвора, выдержка, shutter)

У разных производителей этот параметр может обозначаться как автоматический электронный затвор, выдержка или скорость затвора, но по сути он обозначает одно и то же - время, в течение которого свет экспонируется на матрицу. Выражается он обычно в виде 1/50-1/100000s.

Действие электронного затвора чем-то схоже с автоматической регулировкой диафрагмы - он регулирует светочувствительность матрицы, чтобы подстроить ее под уровень освещенности помещения. На рисунке ниже можно увидеть качество изображения в условиях недостаточной освещенности при разной скорости затвора (на рисунке ручная настройка, в то время как AES делает это автоматически).

В отличие от АРД подстройка происходит не путем регулировки светового потока, попадающего на матрицу, а путем регулировки выдержки, длительности накопления электрического заряда на матрице.

Однако возможности электронного затвора гораздо слабее, чем автоматической регулировки диафрагмы, поэтому на открытых пространствах, где уровень освещения изменяется от сумерек до яркого солнечного света, лучше использовать камеры с АРД. Видеокамеры с электронным затвором оптимальны для помещений, где уровень освещения в течение времени меняется незначительно.

Характеристики электронного затвора мало чем отличаются у различных моделей. Полезной фичей является возможность ручной регулировки скорости затвора (выдержки), так как в условиях плохой освещенности автоматически выставляются низкие значения, а это приводит к смазанности изображения движущихся объектов.

Sens-UP (или DSS)

Это функция накопления заряда матрицы в зависимости от уровня освещенности, т. е. увеличения ее чувствительности в ущерб скорости. Необходима для съемки качественной картинки в условиях плохой освещенности, когда отслеживание скоростных событий не критично (на объекте наблюдения нет быстро движущихся объектов).

Она тесно связана с описанной выше скоростью затвора (выдержкой). Но если скорость затвора выражается во временных единицах, то Sens-UP - в коэффициенте увеличения выдержки (xN): время накопления заряда (выдержка) увеличивается в N раз.

Разрешение

Тему разрешений камер видеонаблюдения мы немного затронули в прошлой статье . Разрешение камеры - это, фактически, размер получаемой картинки. Он измеряется либо в ТВЛ (телевизионных линиях), либо в пикселях. Чем больше разрешение, тем больше деталей вы сможете рассмотреть на видео.

Разрешение видеокамеры в ТВЛ - это количество вертикальных линий (переходов яркости), размещенных на картинке по горизонтали. Он считается более точным, поскольку дает представление именно о размере картинки на выходе. Тогда как разрешение в мегапикселях, указываемое в документации производителя, может вводить покупателя в заблуждение - оно часто относится не к размеру итоговой картинки, а к числу пикселей на матрице. В этом случае нужно обращать внимание на такой параметр, как "Эффективное количество пикселей"

Разрешение в пикселях - это размер картинки по горизонтали и вертикали (если он указывается в виде 1280×960) или общее количество пикселей на картинке (если он указывается как 1 МП (мегапиксель), 2 Мп и т. д.). Собственно, разрешение в мегапикселях получить очень просто: нужно умножить количество пикселей по горизонтали (1280) на количество по вертикали (960) и разделить на 1 000 000. Итого 1280×960 = 1,23 МП.

Как пересчитать ТВЛ в пиксели и наоборот? Точной формулы пересчета нет. Для определения разрешения видео в ТВЛ нужно использовать специальные тестовые таблицы для видеокамер. Для примерного представления соотношения можно воспользоваться таблицей:

Эффективные пиксели

Как мы уже сказали выше, часто размер в мегапикселях, указываемый в характеристиках видеокамер, не дает точного представления о разрешении получаемого изображения. Производитель указывает количество пикселей на матрице (сенсоре) камеры, но далеко не все из них участвуют в создании картинки.

Поэтому был введен параметр "Количество (число) эффективных пикселей", который как раз и показывает, сколько пикселей формируют итоговое изображение. Чаще всего он соответствует реальному разрешению получаемой картинки, хотя бывают и исключения.

ИК (инфракрасная) подсветка, IR

Позволяет проводить съемку в ночное время. Возможности матрицы (сенсора) камеры видеонаблюдения гораздо выше, чем человеческого глаза - к примеру, камера может "видеть" в инфракрасном излучении. Это свойство стали использовать для съемок в ночное время и в неосвещенных/слабоосвещенных помещениях. При достижении определенного минимума освещения видеокамера переходит в режим съемки в инфракрасном диапазоне и включает ИК-подсветку (IR).

Светодиоды IR встраиваются в камеру таким образом, чтобы свет от них не попадал в объектив камеры, а освещал угол ее обзора.

Изображение, полученное в условиях слабого освещения с помощью инфракрасной подсветки, всегда черно-белое. Цветные камеры, которые поддерживают ночную съемку, также переходят в черно-белый режим.

Значения ИК-подсветки в видеокамерах обычно даются в метрах - т. е. на сколько метров от камеры подсветка позволяет получить четкое изображение. IR-подсветку с большой дальностью называют ИК-прожектором.

Что такое Smart ИК, Smart IR?

Умная ИК-подсветка (Smart ИК) позволяет увеличивать или уменьшать мощность инфракрасного излучения в зависимости от дистанции до объекта. Это делается для того, чтобы объекты, оказавшиеся близко к камере, не были засвечены на видео.

ИК фильтр (ICR), режим день/ночь

Использование инфракрасной подсветки для съемок в ночное время имеет одну особенность: матрица таких камер выпускается с повышенной чувствительностью к инфракрасному диапазону. Это создает проблему для съемок в дневное время, так как матрица регистрирует инфракрасный спектр и днем, что нарушает нормальную цветность получаемого изображения.

Поэтому такие камеры работают в двух режимах - день и ночь. Днем матрицу закрывает механический инфракрасный фильтр (ICR), который отсекает инфракрасное излучение. Ночью фильтр сдвигается, позволяя лучам ИК-спектра беспрепятственно попадать на матрицу.

Иногда переключение режима день/ночь реализуется программно, однако такое решение дает менее качественные изображения.

Фильтр ICR может устанавливаться и в камерах без инфракрасной подсветки - для отсечения инфракрасного спектра в дневное время и улучшения цветопередачи видео.

Если в камере нет фильтра IGR, потому что она изначально не была предназначена для съемок в ночное время, ей нельзя добавить функцию ночной съемки, просто докупив отдельный модуль с ИК-подсветкой. В этом случае цветность дневного видео будет существенно искажаться.

Чувствительность (светочувствительность, минимальное освещение)

В отличие от фотокамер, где светочувствительность выражается параметром ISO, светочувствительность камер видеонаблюдения чаще всего выражается в люксах (Lux) и означает минимальное освещение, при котором камера способна давать видеоизображение хорошего качества - четкое и без шумов. Чем ниже значение этого параметра, тем выше чувствительность.

Камеры для видеонаблюдения подбираются в соответствии с теми условиями, в которых их планируется эксплуатировать: к примеру, если минимальная чувствительность камеры составляет 1 люкс, то четкого изображения в ночное время без дополнительной инфракрасной подсветки с нее получить не удастся.

Условия	Уровень освещенности
Естественное освещение на улице в безоблачный солнечный день	свыше 100 000 люкс
Естественное освещение на улице в солнечный день с легкими облаками	70 000 люкс
Естественное освещение на улице в пасмурную погоду	20 000 люкс
Магазины, супермаркеты:	750-1500 люкс
Офис или магазин:	50-500 люкс
Холлы гостиниц:	100-200 люкс
Стоянки автотранспорта, товарные склады	75-30 люкс
Сумерки	4 люкс
Хорошо освещенная автомагистраль ночью	10 люкс
Места зрителей в театре:	3-5 люкс
Больница в ночное время, глубокие сумерки	1 люкс
Полнолуние	0,1 - 0,3 люкс
Лунная ночь (четверть Луны)	0,05 люкс
Ясная безлунная ночь	0,001 люкс
Облачная безлунная ночь	0,0001 люкс

Соотношение сигнал/ шум (S/ N) определяет качество видеосигнала. Шумы на видеоизображении появляются в результате плохого освещения и выглядят как цветной или черно-белый снег или зернистость.

Параметр измеряется в децибелах. На картинке ниже довольно неплохое качество изображения показано уже при 30 Дб, но в современных камерах для получения качественного видео S/N должно быть не ниже 40 Дб.

Подавление шумов DNR (3D-DNR, 2D-DNR)

Естественно, что проблема наличия шумов в видео не осталась без внимания производителей. На данный момент существуют две технологии подавления шумов на картинке и соответствующего улучшения изображения:

• 2-DNR. Более старая и менее совершенная технология. В основном, убираются шумы только ближнего плана, кроме того, иногда изображение из-за чистки немного смазывается.
• 3-DNR. Новейшая технология, которая работает по сложному алгоритму и убирает не только ближние шумы, но и снег и зернистость на дальнем фоне.

Частота кадров, fps (скорость потока)

Частота кадров влияет на плавность видеоизображения - чем она выше, тем лучше. Для достижения плавной картинки необходима частота не менее 16-17 кадров в секунду. Стандарты PAL и SECAM поддерживают частоту кадров на уровне 25 к/с, а стандарт NTSC - 30 к/с. У профессиональных камер частота кадров может доходить до 120 к/с и выше.

Однако нужно учитывать, что чем выше частота кадров - тем больше места потребуется для хранения видео и тем больше будет загружен канал передачи.

Компенсация засветки (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Распространенными проблемами видеонаблюдения являются:

• отдельные яркие объекты, попадающие в кадр (фары, лампы, фонари), которые засвечивают часть изображения, и из-за которых невозможно рассмотреть важные детали;
• слишком яркое освещение на заднем плане (солнечная улица за дверями помещения или за окном и тому подобное), на фоне которого ближние объекты отображаются слишком темными.

Для их решения существует несколько функций (технологий), применяемых в камерах наблюдения.

HLC - компенсация яркой засветки. Сравните:

BLC - компенсация задней засветки. Реализуется путем увеличения экспозиции всего изображения, в результате чего объекты на переднем плане становятся светлее, однако задний фон получается слишком светлым, на нем невозможно рассмотреть детали.

WDR (иногда его называют также HDR) - широкий динамический диапазон. Также используется для компенсации задней засветки, но более эффективно, чем BLC. При использовании WDR все объекты на видео имеют примерно одинаковую яркость и четкость, что позволяет в деталях рассмотреть не только передний план, но и задний. Достигается это благодаря тому, что камера делает снимки с разной экспозицией, и потом совмещает их для получения кадра с оптимальной яркостью всех объектов.

D-WDR - программная реализация широкого динамического диапазона , которая несколько хуже, чем полноценный WDR.

Классы защиты IK (Vandal-proof, антивандальные) и IP (от влаги и пыли)

Этот параметр важен, если вы выбираете камеру для наружного видеонаблюдения или в помещение с высокой влажностью, пыльностью и проч.

Классы IP - это защита от попадания внутрь посторонних предметов различного диаметра, в том числе пылевых частиц, а также защита от влаги. Классы IK - это антивандальная защита, т. е. от механического воздействия.

Самыми распространенными среди наружных камер видеонаблюдения классами защиты являются IP66, IP67 и IK10.

• Класс защиты IP66 : камера полностью пыленепроницаема и защищена от сильных водяных струй (или морских волн). Внутрь вода попадает в незначительных количествах и не нарушает работу видеокамеры.
• Класс защиты IP67 : камера полностью пыленепроницаема и может выдержать кратковременное полное погружение под воду или долго находиться под снегом.
• Антивандальный класс защиты IK10 : корпус камеры выдержит попадание 5 кг груза с 40 см высоты (энергия удара 20 Дж).

Скрытые зоны (Privacy Mask)

Иногда возникает необходимость скрыть от наблюдения и записи некоторые участки, попадающие в поле зрения камеры. Чаще всего это связано с охраной неприкосновенности частной жизни. Некоторые модели камер позволяют настроить параметры нескольких таких зон, закрыв определенную часть или части изображения.

К примеру, на рисунке ниже на изображении с камеры скрыты окна соседнего дома.

Другие функции камер видеонаблюдения (DIS, AGC, AWB и др.)

OSD меню - возможность ручной настройки множества параметров камеры: экспозиции, яркости, фокусного расстояния (если есть такая опция) и т. д.

- съемка в условиях плохой освещенности без инфракрасной подсветки.

DIS - функция стабилизации изображения с камеры при съемке в условиях вибрации или движения

EXIR Technology - технология инфракрасной подсветки, разработанная Hikvision. Благодаря ей достигается большая эффективность подсветки: большая дальность при меньшем энергопотреблении, рассеивании и т. д.

AWB - автоматическая регулировка баланса белого цвета в изображении, с тем, чтобы цветопередача была как можно ближе к естественной, видимой человеческим глазом. Особенно актуальна для помещений с искусственным освещением и различными источниками света.

AGC (АРУ) - автоматическая регулировка усиления. Применяется для того, чтобы выходной видеопоток с камер всегда был стабильным, независимо от силы входного видеопотока. Чаще всего усиление видеосигнала требуется в условиях слабой освещенности, а уменьшение - наоборот, при слишком сильном освещении.

Детектор движения - благодаря этой функции камера может включаться и вести запись только при возникновении движения на объекте наблюдения, а также передавать сигнал тревоги при срабатывании детектора. Это помогает сэкономить место для хранения видео на видеорегистраторе, разгрузить канал передачи видеопотока, и организовать оповещение персонала о произошедшем нарушении.

Тревожный вход камеры - это возможность включить камеру, начать запись видео при наступлении какого-либо события: срабатывания подключенного датчика движения или другого подключенного к ней датчика.

Тревожный выход позволяет запустить реакцию на зафиксированное камерой тревожное событие, например, включить сирену, отправить оповещение по почте или SMS и т. д.

Не нашли характеристику, которую искали?

Мы постарались собрать все часто встречаемые характеристики камер для видеонаблюдения. Если вы не нашли здесь пояснение какого-то непонятного для вас параметра - напишите в комментариях, мы постараемся добавить эту информацию в статью.

сайт

Сенсор - главный элемент цифровой камеры

ердцем любой цифровой видео- или фотокамеры (в настоящее время границы между этими типами устройств постепенно стираются) является светочувствительный сенсор. Он преобразует видимый свет в электрические сигналы, используемые для дальнейшей обработки с помощью электронных схем. Из школьного курса физики известно, что свет можно рассматривать как поток элементарных частиц - фотонов. Фотоны, попадая на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, способны приводить к образованию электронов и дырок (напомним, что дыркой в полупроводниках принято называть вакантное место для электрона, образующееся в результате разрыва ковалентных связей между атомами полупроводникового вещества). Процесс генерации электронно-дырочных пар под воздействием света возможен только в том случае, когда энергии фотона достаточно, чтобы «оторвать» электрон от «родного» ядра и перевести его в зону проводимости. Энергия фотона напрямую связана с длиной волны падающего света, то есть зависит от так называемого цвета излучения. В диапазоне видимого (то есть воспринимаемого человеческим глазом) излучения энергии фотонов оказывается достаточно для того, чтобы порождать генерацию электронно-дырочных пар в таких полупроводниковых материалах, как, например, кремний.

Поскольку количество образующихся фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности светового потока, появляется возможность математически связывать количество падающего света с величиной порождаемого им заряда. Именно на этом простом физическом явлении и основан принцип действия светочувствительных сенсоров. Сенсор выполняет пять основных операций: поглощает фотоны, преобразует их в заряд, накапливает его, передает и преобразует в напряжение. В зависимости от технологии изготовления различные сенсоры осуществляют задачи хранения и накопления фотоэлектронов по-разному. Кроме того, могут использоваться различные методы преобразования накопленных электронов в электрическое напряжение (аналоговый сигнал), которое, в свою очередь, преобразуется в цифровой сигнал.

ПЗС-сенсоры

Исторически первыми в качестве светочувствительных элементов для видеокамер были использованы так называемые ПЗС-матрицы, массовое производство которых началось в 1973 году. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью; в английской литературе используется термин CCD (Charge-Coupled Device). Простейший ПЗС-сенсор представляет собой конденсатор, способный под воздействием света накапливать электрический заряд. Обычный конденсатор, состоящий из двух разделенных слоем диэлектрика металлических пластин, здесь не подойдет, поэтому используют так называемые МОП-конденсаторы. По своей внутренней структуре такие конденсаторы представляют собой сандвич из металла, оксида и полупроводника (от первых букв используемых компонентов они и получили свое название). В качестве полупроводника используется легированный кремний p-типа, то есть такой полупроводник, в котором за счет добавления атомов примеси (легирования) образуются избыточные дырки. Над полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху - слой металла, выполняющий функцию затвора, если следовать терминологии полевых транзисторов (рис. 1).

Как уже отмечалось, под воздействием света в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары. Однако наряду с процессом генерации происходит и обратный процесс - рекомбинация дырок и электронов. Поэтому следует предпринять меры, чтобы разделить образующиеся электроны и дырки и сохранять их в течение необходимого времеми. Ведь именно количество образованных фотоэлектронов несет информацию об интенсивности поглощенного света. Для этого и предназначены затвор и слой изолирующего диэлектрика. Предположим, что на затвор подан положительный потенциал. В этом случае под воздействием созданного электрического поля, проникающего сквозь диэлектрик в полупроводник, дырки, являющиеся основными носителями заряда, начнут сдвигаться в сторону от диэлектрика, то есть в глубь полупроводника. На границе полупроводника с диэлектриком образуется обедненная основными носителями, то есть дырками, область, причем размер этой области зависит от величины приложенного потенциала. Именно эта обедненная область и является «хранилищем» для фотоэлектронов. Действительно, если полупроводник подвергнуть воздействию света, то образующиеся электроны и дырки будут двигаться в противоположных направлениях - дырки в глубь полупроводника, а электроны к обедненному слою. Так как в этом слое нет дырок, то электроны будут сохраняться там без процесса рекомбинации в течение требуемого времени. Естественно, что процесс накопления электронов не может происходить бесконечно. По мере увеличения количества электронов между ними и положительно заряженными дырками возникает наведенное электрическое поле, направленное противоположно полю, создаваемому затвором. В результате поле внутри полупроводника уменьшается до нуля, после чего процесс пространственного разделения дырок и электронов становится невозможным. Как следствие - образование электронно-дырочной пары сопровождается ее рекомбинацией, то есть число «информационных» электронов в обедненном слое перестает увеличиваться. В этом случае можно говорить о переполнении емкости сенсора.

Рассмотренный нами сенсор способен выполнять две важные задачи - преобразовывать фотоны в электроны и накапливать их. Осталось решить задачу передачи этих информационных электронов в соответствующие блоки преобразования, то есть задачу съема информации.

Представим себе не один, а несколько близко расположенных затворов на поверхности одного и того же диэлектрика (рис. 2). Пусть в результате фотогенерации под одним из затворов накоплены электроны. Если на соседний затвор подать более высокий положительный потенциал, то электроны начнут перетекать в область более сильного поля, то есть перемещаться от одного затвора к другому. Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, можно перемещать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Именно на этом простом принципе и основаны приборы с зарядовой связью.

Замечательное свойство ПЗС состоит в том, что для перемещения накопленного заряда достаточно всего трех типов затворов - одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причем одноименные затворы таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3). Это и есть простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.

До сих пор мы рассматривали ПЗС-сенсор только в одной плоскости - вдоль бокового разреза. Вне поля нашего зрения остался механизм удержания электронов в поперечном направлении, при котором затвор подобен длинной полоске. Учитывая, что освещение полупроводника неоднородно в пределах такой полоски, скорость образования электронов под воздействием света будет меняться по длине затвора. Если не принять мер по локализации электронов вблизи области их образования, то в результате диффузии концентрация электронов выравняется и информация об изменении интенсивности света в продольном направлении будет утеряна. Естественно, можно было бы сделать размер затвора одинаковым как в продольном, так и поперечном направлении, но это потребовало бы изготовления слишком большого числа затворов на ПЗС-матрице. Поэтому для локализации образующихся электронов в продольном направлении используют так называемые стоп-каналы (рис. 4), представляющие собой узкую полоску полупроводника с повышенным содержанием легирующей примеси. Чем больше концентрация примеси, тем больше дырок образуется внутри такого проводника (каждый атом примеси приводит к образованию дырки). Но от концентрации дырок зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область. Интуитивно понятно, что чем больше концентрация дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь.

Рассмотренная нами структура ПЗС-матрицы носит название ПЗС с поверхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается накопленный заряд, находится на поверхности полупроводника. Поверхностный способ передачи имеет ряд существенных недостатков, связанных со свойствами границы полупроводника. Дело в том, что ограничение полупроводника в пространстве нарушает идеальную симметрию его кристаллической решетки со всеми вытекающими отсюда последствиями. Не вникая в тонкости физики твердого тела, заметим, что подобное ограничение приводит к образованию энергетических ловушек для электронов. В результате накопленные под воздействием света электроны могут захватываться этими ловушками, вместо того чтобы передаваться от одного затвора к другому. Помимо прочего такие ловушки могут непредсказуемо высвобождать электроны, причем не всегда, когда это действительно нужно. Получается, что полупроводник начинает «шуметь» - иначе говоря, количество накопленных под затвором электронов не будет точно соответствовать интенсивности поглощенного излучения. Избежать подобных явлений можно, но для этого сам канал переноса нужно отодвинуть в глубь проводника. Такое решение было реализовано специалистами фирмы Philips в 1972 году. Идея заключалась в том, что в поверхностной области полупроводника p-типа создавался тонкий слой полупроводника n-типа, то есть полупроводника, в котором основными носителями заряда являются электроны (рис. 5).

Хорошо известно, что контакт двух полупроводников с различными типами проводимости приводит к образованию обедненного слоя на границе перехода. Происходит это за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной области. Характерно, что теперь сама обедненная область, или емкость для фотоэлектронов, находится не на поверхности, а следовательно, отсутствуют и поверхностные ловушки для электронов. Такой канал переноса называется скрытым, и все современные ПЗС изготавливаются именно со скрытым каналом переноса.

Рассмотренные нами основные принципы функционирования ПЗС-сенсора используются для построения различных по архитектуре ПЗС-матриц. Конструктивно можно выделить две основные схемы матриц: с покадровым переносом и с межстрочным переносом.

В матрице с покадровым переносом имеются две равнозначные секции с одинаковым числом строк: накопления и хранения. Каждая строка в этих секциях образована тремя затворами (передающий, принимающий и изолирующий). Кроме того, как уже отмечалось выше, все строки разделены множеством стоп-каналов, формирующих ячейки накопления в горизонтальном направлении. Таким образом, наименьший структурный элемент ПЗС-матрицы (пиксел) создается из трех горизонтальных затворов и двух вертикальных стоп-каналов (рис. 6).

За время экспозиции в секции накопления образуются фотоэлектроны. После этого тактовые импульсы, подаваемые на затворы, переносят накопленные заряды из секции накопления в затененную секцию хранения, то есть фактически происходит передача всего кадра целиком. Поэтому такая архитектура и получила название ПЗС с покадровым переносом. После переноса секция накопления очищается и может повторно накапливать заряды, в то время как из секции памяти заряды поступают в горизонтальный регистр считывания. Структура горизонтального регистра аналогична структуре ПЗС-сенсора - те же три затвора для переноса заряда. Каждый элемент горизонтального регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за каждый тактовый импульс из секции накопления в регистр считывания поступает вся строка целиком, которая после этого передается в выходной усилитель для дальнейшей обработки.

Рассмотренная схема ПЗС-матрицы имеет одно несомненное достоинство - высокий коэффициент заполнения (fill factor). Этим термином принято называть отношение фоточувствительной площади матрицы к ее общей площади. У матриц с покадровым переносом коэффициент заполнения достигает практически 100%. Такая особенность позволяет создавать на их основе очень чувствительные приборы.

Кроме рассмотренного преимущества матрицы с покадровым переносом обладают и рядом недостатков. Прежде всего отметим, что сам процесс переноса не может осуществляться мгновенно. Именно это обстоятельство приводит к ряду негативных явлений. В процессе переноса заряда из секции накопления в секцию хранения первая остается освещенной и в ней продолжается процесс накопления фотоэлектронов. Это приводит к тому, что яркие участки изображения успевают внести свой вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, в течение которого он проходит через них. В результате на кадре появляются характерные искажения в виде вертикальных полос, простирающихся через весь кадр от ярких участков изображения. Конечно, для борьбы с подобными явлениями можно применять различные ухищрения, однако наиболее радикальным способом является разделение секции накопления и секции переноса, с тем чтобы перенос протекал в затененной области. Матрицы такой архитектуры получили название ПЗС с межстрочным переносом (рис. 7).

В отличие от описанной ранее матрицы с покадровым переносом, в качестве элементов накопления заряда здесь выступают фотодиоды (более подробно фотодиоды будут рассмотрены позже). Заряды, накопляемые фотодиодами, передаются в затененные ПЗС-элементы, которые осуществляют дальнейший перенос заряда. Обратим внимание, что перенос всего кадра от фотодиодов в вертикальные ПЗС-регистры переноса происходит за один такт. Возникает закономерный вопрос: почему такая архитектура получила название межстрочного переноса (встречается также термин «чересстрочный перенос»)? Чтобы разобраться в происхождении названия межстрочного, а также и покадрового переноса, вспомним основной принцип вывода изображения на экран формирования видеосигнала. Кадровый сигнал состоит из сигналов строк, разделенных межстрочным промежутком, то есть временем, необходимым для того, чтобы электронный луч, сканирующий по экрану, успел переместиться от конца одной строки к началу следующей. Имеются также межкадровые промежутки - время, необходимое для перемещения луча от конца последней строки к началу первой строки (переход на новый кадр).

Если вспомнить архитектуру ПЗС-матрицы с межкадровым переносом, то становится понятно, что перенос кадра из секции накопления в секцию хранения происходит во время межкадрового промежутка видеосигнала. Это и понятно, так как для переноса всего кадра потребуется значительный интервал времени. В архитектуре с межстрочным переносом передача кадра происходит за один такт, и для этого достаточно небольшого промежутка времени. Далее изображение поступает в горизонтальный регистр сдвига, причем передача происходит по строкам во время межстрочных интервалов видеосигнала.

Помимо двух рассмотренных типов ПЗС-матриц существуют и иные схемы. Например, схема, объединяющая межкадровый и межстрочный механизм (строчно-кадровый перенос), получается при добавлении к ПЗС-матрице межстрочного переноса секции хранения. При этом перенос кадра от фоточувствительных элементов происходит за один такт во время межстрочного интервала, а во время межкадрового интервала кадр передается в секцию хранения (межкадровый перенос); из секции хранения кадр передается в горизонтальный регистр сдвига во время межстрочных интервалов (межкадровый перенос).

В последнее время получили распространение так называемые супер-ПЗС (Super CCD), использующие оригинальную сотовую архитектуру, которую образуют восьмиугольные пикселы. За счет этого увеличивается рабочая поверхность кремния и повышается плотность пикселов (количество пикселов ПЗС). Кроме того, восьмиугольная форма пикселов увеличивает площадь светочувствительной поверхности.

КМОП-сенсоры

Принципиально другим типом сенсора является так называемый КМОП-сенсор (КМОП - комплиментарный металл-оксид-полупроводник; в англоязычной терминологии - CMOS).

Внутренняя архитектура КМОП-сенсоров может быть различной. Так, в качестве фоточувствительного элемента могут выступать фотодиоды, фототранзисторы или фотовентили. Независимо от типа фоточувствительного элемента неизменным остается принцип разделения дырок и электронов, получаемых в процессе фотогенерации. Рассмотрим наиболее простой тип фотодиода, на примере которого легко понять принцип действия всех фотоэлементов.

Простейший фотодиод представляет собой контакт полупроводников n- и p-типов. На границе контакта этих полупроводников образуется обедненная область, то есть слой без дырок и электронов. Такая область формируется в результате диффузии основных носителей зарядов во взаимно противоположных направлениях. Дырки движутся из p-полупроводника (то есть из области, где их находится в избытке) в n-полупроводник (то есть в область, где их концентрация мала), а электроны движутся в противоположном направлении, то есть из n-полупроводника в p-полупроводник. В результате такой рекомбинации дырки и электроны исчезают и создается обедненная область. Кроме того, на границах обедненной области оголяются ионы примеси, причем в n-области ионы примеси имеют положительный заряд, а в p-области - отрицательный. Эти заряды, распределенные по границе обедненной области, образуют электрическое поле, подобное тому, что создается в плоском конденсаторе, состоящем из двух пластин. Именно это поле выполняет функцию пространственного разделения дырок и электронов, образующихся в процессе фотогенерации. Наличие такого локального поля (его также называют потенциальным барьером) является принципиальным моментом в любом фоточувствительном сенсоре (не только в фотодиоде).

Предположим, что фотодиод освещается светом, причем свет падает на n-полупроводник, а p-n-переход перпендикулярен лучам света (рис. 8). Фотоэлектроны и фотодырки будут диффундировать в глубь кристалла, и некоторая их доля, не успевшая рекомбинировать, достигнет поверхности p-n-перехода. Однако для электронов существующее электрическое поле является непреодолимым препятствием - потенциальным барьером, поэтому электроны не смогут преодолеть p-n-переход. Дырки же, напротив, ускоряются электрическим полем и проникают в p-область. В результате пространственного разделения дырок и электронов n-область заряжается отрицательно (избыток фотоэлектронов), а p-область - положительно (избыток фотодырок).

Основное отличие КМОП-сенсоров от ПЗС-сенсоров заключается не в способе накопления заряда, а в способе его дальнейшего переноса. Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на кристалле, на котором расположена фоточувствительная матрица. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП-сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, имеется возможность создавать программируемые КМОП-сенсоры, следовательно, можно получить очень гибкое многофункциональное устройство.

Столь широкий набор функций, выполняемых одной микросхемой, - основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом сокращается количество необходимых внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП-сенсора позволяет устанавливать на освободившееся место другие чипы - например, цифровые сигнальные процессоры (DSP) и аналого-цифровые преобразователи.

Бурное развитие КМОП-технологий началось в 1993 году, когда были созданы активные пиксельные сенсоры. При этой технологии у каждого пиксела имеется свой считывающий транзисторный усилитель, что и позволяет преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Кроме того, появилась возможность для произвольного доступа к каждому пикселу сенсора (подобно тому, как работает оперативная память с произвольным доступом). Считывание заряда с активных пикселов КМОП-сенсора производится по параллельной схеме (рис. 9), что позволяет считывать сигнал с каждого пиксела или с колонки пикселов напрямую. Произвольный доступ позволяет КМОП-сенсору считывать не только всю матрицу целиком, но и выборочные области (метод оконного считывания).

Несмотря на кажущиеся преимущества КМОП-матриц перед ПЗС (основным из которых является более низкая цена), они обладают и рядом недостатков. Наличие дополнительных схем на кристалле КМОП-матрицы приводит к появлению ряда помех, таких как транзисторные и диодные рассеивания, а также эффект остаточного заряда, то есть КМОП-матрицы на сегодняшний день являются более «шумными». Поэтому в профессиональных цифровых камерах в ближайшее время будут использовать качественные ПЗС-матрицы, а КМОП-сенсоры осваивают рынок более дешевых устройств, к которому, в частности, относятся Web-камеры.

Как получается цвет

Рассмотренные выше фоточувствительные сенсоры способны реагировать лишь на интенсивность поглощаемого света - чем выше интенсивность, тем больший заряд накапливается. Возникает закономерный вопрос: как же получается цветное изображение?

Чтобы камера могла различать цвета, непосредственно на активный пиксел накладывается массив цветных фильтров (CFA, color filter arrays). Принцип действия цветного фильтра очень прост: он пропускает свет только определенного цвета (иначе говоря, только свет с определенной длиной волны). Но сколько же таких фильтров потребуется, если количество различных цветовых оттенков практически не ограниченно? Оказывается, любой цветовой оттенок можно получить смешиванием в определенных пропорциях нескольких основных (базовых) цветов. В наиболее популярной аддитивной модели RGB (Red, Green, Blue) таких цвета три: красный, зеленый и синий. Значит, и цветных фильтров потребуется всего три. Отметим, что цветовая модель RGB не единственная, но в подавляющем большинстве цифровых Web-камер используется именно она.

Наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). В этой системе красные, зеленые и синие фильтры расположены в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными (рис. 10).

Такое соотношение зеленых, красных и синих фильтров объясняется особенностями зрительного восприятия человека: наши глаза более чувствительны к зеленому цвету.

В ПЗС-камерах совмещение трех цветовых каналов производится в устройстве формирования изображения уже после преобразования сигнала из аналогового вида в цифровой. В КМОП-сенсорах это совмещение может происходить и непосредственно в чипе. В любом случае первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цвета соседних фильтров. Следовательно, для того чтобы получить истинный цвет пиксела изображения, необходимо знать не только интенсивность света, прошедшего через светофильтр этого пиксела, но и значения интенсивностей света, прошедшего через светофильтры окружающих пикселов.

Как уже отмечалось, в цветовой модели RGB используется три основных цвета, с помощью которых можно получить любой оттенок видимого спектра. сколько же всего оттенков позволяют различать цифровые камеры? Максимальное количество различных цветовых оттенков определяется глубиной цвета, которая, в свою очередь, определяется количеством битов, используемых для кодирования цвета. В популярной модели RGB 24 с глубиной цвета 24 бита для каждого цвета отводится по 8 битов. С помощью 8 битов можно задать 256 различных цветовых оттенков соответственно красного, зеленого и синего цветов. Каждому оттенку присваивается значение от 0 до 255. К примеру, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (255) до черного (0). Максимальное значение кода соответствует чистому цвету, а код каждого цвета принято располагать в следующем порядке: красный, зеленый и синий. Например, код чистого красного цвета записывается в виде (255, 0, 0), код зеленого цвета - (0, 255, 0), а код синего цвета - (0, 0, 255). Желтый цвет можно получить смешением красного и зеленого, и его код записывается в виде (255, 255, 0).

Кроме модели RGB широкое применение нашли также модели YUV и YСrCb, которые похожи друг на друга и основаны на разделении сигналов яркости и цветности. Сигнал Y - это сигнал яркости, который определяется смешением красного, зеленого и синего цветов. Сигналы U и V (Cr, Cb) являются цветоразностными. Так, сигнал U близок к разности между синими и желтыми компонентами цветного изображения, а сигнал V близок к разности между красными и зелеными компонентами цветного изображения.

Основное достоинство модели YUV (YCrCb) заключается в том, что этот метод кодирования хотя и более сложен, чем RGB, однако требует меньшей полосы пропускания. Дело в том, что чувствительность человеческого глаза к яркостному Y-компоненту и цветоразностным компонентам неодинакова, поэтому вполне допустимым представляется выполнение этого преобразования с прореживанием (интерливингом) цветоразностных компонентов, когда для группы из четырех соседних пикселов (2×2) вычисляются Y-компоненты, а цветоразностные компоненты используются общие (так называемая схема 4:1:1). Нетрудно подсчитать, что уже схема 4:1:1 позволяет сократить выходной поток вдвое (вместо 12 байтов для четырех соседних пикселов достаточно шести). При кодировании по схеме YUV 4:2:2 сигнал яркости передается для каждой точки, а цветоразностные сигналы U и V - только для каждой второй точки в строке.

Как работают цифровые

Web-камеры

ринцип работы всех типов цифровых камер примерно одинаков. Рассмотрим типичную схему наиболее простой Web-камеры, основное отличие которой от других типов камер - наличие USB-интерфейса для подключения к компьютеру.

Помимо оптической системы (объектива) и светочувствительного ПЗС- или КМОП-сенсора обязательным является наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговые сигналы светочувствительного сенсора в цифровой код. Кроме того, необходима и система формирования цветного изображения. Еще одним важным элементом камеры является схема, отвечающая за компрессию данных и подготовку к передаче в нужном формате. К примеру, в рассматриваемой Web-камере видеоданные передаются в компьютер по интерфейсу USB, поэтому на ее выходе должен наличествовать контроллер USB-интерфейса. Структурная схема цифровой камеры изображена на рис. 11 .

Аналого-цифровой преобразователь предназначен для дискретизации непрерывного аналогового сигнала и характеризуется частотой отсчетов, определяющих промежутки времени, через которые производится замер аналогового сигнала, а также своей разрядностью. Разрядность АЦП - это количество битов, используемых для представления каждого отсчета сигнала. Например, если используется 8-разрядный АЦП, то для представления сигнала используется 8 битов, что позволяет различать 256 градаций исходного сигнала. При использовании 10-разрядного АЦП имеется возможность различать уже 1024 различных градаций аналогового сигнала.

Из-за низкой пропускной способности USB 1.1 (всего 12 Мбит/с, из которых Web-камера использует не более 8 Мбит/с) перед передачей в компьютер данные необходимо сжимать. Например, при разрешении кадра 320×240 пикселов и глубине цвета 24 бита размер кадра в несжатом виде будет составлять 1,76 Мбит. При ширине полосы пропускания канала USB 8 Мбит/с максимальная скорость передачи несжатого сигнала составит всего 4,5 кадров в секунду, а для получения качественного видео необходима скорость передачи 24 или более кадров в секунду. Таким образом, становится понятно, что без аппаратного сжатия передаваемой информации нормальное функционирование камеры невозможно.

В соответствии с технической документацией данная КМОП-матрица имеет разрешение 664×492 (326 688 пикселов) и может функционировать со скоростью до 30 кадров в секунду. Сенсор поддерживает как прогрессивный, так и строчной тип развертки и обеспечивает отношение «сигнал/шум» более 48 дБ.

Как видно из блок-схемы, блок цветоформирования (аналоговый сигнальный процессор) имеет два канала - RGB и YСrCb, причем для модели YСrCb яркостный и цветоразностные сигналы вычисляются по формулам:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Аналоговые сигналы RGB и YCrCb, формируемые аналоговым сигнальным процессором, обрабатываются двумя 10-битными АЦП, каждый из которых работает на скорости 13,5 MSPS, что обеспечивает синхронизацию с пиксельной скоростью. После оцифровки данные поступают на цифровой преобразователь, формирующий видеоданные в 16-битном формате YUV 4:2:2 или 8-битном формате Y 4:0:0, которые направляются в выходной порт по 16-битной или 8-битной шине.

Кроме того, рассматриваемый КМОП-сенсор обладает широким спектром возможностей по коррекции изображения: предусмотрены установка баланса белого цвета, управление экспозицией, гамма-коррекцией, цветовой коррекции и т.д. Управлять работой сенсора можно по интерфейсу SCCB (Serial Camera Control Bus).

Микросхема OV511+, блок-схема которой показана на рис. 13 , представляет собой USB-контроллер.

Контроллер позволяет передавать видеоданные по USB-шине со скоростью до 7,5 Мбит/с. Нетрудно подсчитать, что такая полоса пропускания не позволит передавать видеопоток с приемлемой скоростью без предварительного сжатия. Собственно, компрессия - это и есть основное назначение USB-контроллера. Обеспечивая необходимую компрессию в реальном времени вплоть до степени сжатия 8:1, контроллер позволяет передавать видеопоток со скоростью 10-15 кадров в секунду при разрешении 640×480 и со скоростью 30 кадров в секунду при разрешении 320×240 и меньшем.

За компрессию данных отвечает блок OmniCE, реализующий фирменный алгоритм сжатия. OmniCE обеспечивает не только необходимую скорость видеопотока, но и быструю декомпрессию при минимальной загрузке центрального процессора (по крайней мере, по утверждению разработчиков). Степень сжатия, обеспечиваемая блоком OmniCE, варьируется от 4 до 8 в зависимости от требуемой скорости видеопотока.

КомпьютерПресс 12"2001

Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red), зелёного (Green), синего (Blue) или жёлтого (Yellow), пурпурного (Magenta), бирюзового (Cyan). А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ

Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.

Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).

На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

Для пикселя присущи следующие характеристики:

• Ёмкость потенциальной ямы - это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
• Спектральная чувствительность пикселя - зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
• Квантовая эффективность (измеряется в процентах) - физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
• Динамический диапазон - отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.

УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА

ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p +), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.

Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).

Классификация ПЗС-матриц по цветности:

• Чёрно-белые
• Цветные

Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:

Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым - непрозрачные области.

Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:

• Эффективность передачи заряда - отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
• Коэффициент заполнения - отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
• Темновой ток - электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
• Шум считывания - шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.

Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).

Преимущества: Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами; Время считывания ниже, чем у матрицы с полнокадровым переносом; Смазывание меньше, чем в ПЗС-матрице с полнокадровым переносом; Имеет преимущество рабочего цикла по сравнению полнокадровой архитектурой: ПЗС-матрица с кадровым переносом всё время собирает фотоны. Недостатки: При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания; Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда; Изготовление и производство данных матриц дороже, чем устройств с полнокадровым переносом.

Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).
	Преимущества: Нет необходимости применять затвор; Отсутствует смазывание. Недостатки: Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%. Скорость считывания ограничена скоростью работы регистра сдвига; Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом.

Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).

Преимущества: Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены; Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса; Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт; Отсутствует смазывание; Интервал между экспонированиями минимален и подходит для записи видео. Недостатки: Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%; Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом; Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ

	НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для спектроскопии; для микроскопии; для кристаллографии; для рентгеноскопии; для естественных наук; для биологических наук.
	КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ в телескопах; в звёздных датчиках; в спутниках слежения; при зондировании планет; бортовое и ручное оборудование экипажа.
	ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для проверки качества сварных швов; для контроля равномерности окрашенных поверхностей; для исследования износостойкости механических изделий; для считывания штрих-кодов; для контроля качества упаковки продукции.
	ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ в жилых квартирах; в аэропортах; на строительных площадках; на рабочих местах; в «умных» камерах, распознающих лицо человека.
	ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ в профессиональных фотоаппаратах; в любительских фотоаппаратах; в мобильных телефонах.
	МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ в рентгеноскопии; в кардиологии; в маммографии; в стоматологии; в микрохирургии; в онкологии.
	АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для автоматического распознавания номерных знаков; для контроля скорости; для управления транспортным потоком; для пропуска на стоянку; в полицейских системах наблюдения.

Как возникают искажения при съёмке движущихся объектов на сенсор со строковым затвором: