Автор: Николай ЧУРА, технический консультант, ООО «Фирма Видеоскан»
Современные тенденции ночного видеонаблюдения
Проблему ночного видеонаблюдения можно определить, прежде всего, как получение изображения при малой освещенности. В помещениях, как правило, всегда можно создать требуемое искусственное освещение, по крайней мере, дежурного характера. К сожалению, при наружном наблюдении не всегда возможно обеспечить должное освещение либо из-за слишком большой протяженности объекта, либо из соображений исключения светового загрязнения или световой экологии. В последние годы черно-белое изображение в чистом виде практически перестало использоваться для видеонаблюдения. Благодаря современным технологиям изготовления видеосенсоров CCD Super HAD II и Exview HAD II имеют чувствительности в 2–2,5 раза большие, чем у моделей цветного и черно-белого изображения прошлых лет. Аналогичные технологии применяются и другими производителями CCD, естественно, практически с аналогичными техническими результатами. Вместе с тем потребность в CCD с чересстрочной разверткой в последние годы неуклонно сокращается. Это обусловлено все большей популярностью у производителей телекамер видеосенсоров CMOS. Основной причиной этого является простота технологии и дешевизна производства, практически аналогичного производству другой микроэлектроники. Основным недостатком этой технологии видеосенсоров пока остается их существенно меньшая чувствительность. Современные технологии, такие как Exmor от SONY или MOS от PANASONIC, естественно приближают этот важнейший параметр к CCD, но пока не превысили его. Основным применением CMOS-сенсоров можно считать мегапиксельное видеонаблюдение, которое становится все более востребованным с развитием цифровой фотографии, HD-телевидения и мобильных устройств со встроенными HD-фото- и видеокамерами. Другими словами, привычка к качественному изображению в быту делает свое дело. Подобные камеры применяются как в цифровых системах IP и HD-SDI, так и в современных цифроаналоговых системах HD-CVI, HD-TVI и AHD. В таблице 1 приведены чувствительности видеосенсоров различных технологий для одного формата, близкого 1/3", с указанием размеров пикселя.
Из приведенных данных видно, что даже перспективная технология Exmor и ее аналоги при переходе к популярным форматам HD и Full HD существенно проигрывает CCD-матрицам. Переход к CMOS-матрицам с обратной засветкой (Exmor R и RS) позволяет еще на 20–35% улучшить чувствительность. Но эти модели изготавливаются в основном для мобильных устройств, а если и применяются в камерах наблюдения, то только в формате 4К, где размер пикселя уменьшается до 1,5–1,2 мкм. При этом чувствительность в 30 раз уступает современным CCD 752H и 960H. По всей видимости, мы еще не скоро увидим камеры 4K, пригодные для ночного наблюдения. Популярные сейчас камеры с CMOS-сенсорами чересстрочного разложения форматов 1/3", а тем более 1/4" технологии Pixel Plus в общем случае нельзя рекомендовать для использования при малой освещенности. Характерно, что производители подобных камер приводят данные о чувствительности с включенной АРУ (AGC). Даже в случае применения камеры со встроенной ИК-подсветкой желательно убедиться, что заявленная дальность освещения обеспечивается. Другими словами, подобные камеры можно рассматривать, как простейшие устройства нижнего ценового диапазона.
Сегодня производители телекамер стараются не раскрывать принципы, на которых основано повышение чувствительности или снижение минимальной освещенности работы их изделий. Это зачастую считается коммерческой тайной. Потребитель не всегда понимает, что скрывается за красивыми терминами: лунный или звездный свет, искатель света или ночной охотник. Но ведь от этого зависит, чего ждать при снижении освещенности: высокого шума, который ночью целиком заполнит архив, «смаза» движущегося объекта или сильного снижения разрешения. А может быть, и первого, и второго, и третьего сразу. Основная и наиболее используемая технология ночного наблюдения или увеличения чувствительности цветной телекамеры – это технология «день-ночь». В последние годы суррогатные методы уменьшения среза ИК-области спектра чувствительности до некоторого компромисса между качеством цветопередачи и чувствительностью используются значительно реже и только в дешевых моделях. В основном используется режим «подлинного» D&N или TDN с подвижным срезающим ИК-фильтром. Применение тонких пластиковых фильтров и простых компактных механизмов снизило стоимость этих устройств и увеличило их доступность. Подобный механизм представлен на фото 1. При сдвиге срезающего ИК-фильтра и использовании всей спектральной характеристики сенсоров Exmor, Super HAD II и Exview HAD II чувствительность вырастает более чем в три раза. И это при том, что производители обычно обещают порядок или даже больше. В подтверждение этого на рис. 1 приведены спектральные характеристики этих сенсоров с закрытым (синий цвет) и открытым (красный цвет) ИК-фильтром.
Некоторые производители в борьбе за чувствительность в цветном режиме используют не полностью срезающий ИК-область фильтр. К сожалению, подобный компромисс только ухудшает цветопередачу в дневном режиме, когда чувствительность камеры практически не востребована. Естественным развитием этого процесса можно считать появление камер с цветным изображением при минимальной освещенности. Учитывая повышенную информативность цветного изображения, это выглядит очень привлекательно. Особенно это стало популярным в мегапиксельном наблюдении с CMOS-сенсорами. При ночном наблюдении, предпочтительно при освещении газоразрядными или LED осветителями или только при естественном освещении, можно даже смириться с некоторыми цветовыми искажениями, и использовать всю, включая ИК, спектральную характеристику чувствительности. Кроме того, в таких режимах всегда используется максимальное усиление (глубокая АРУ) с эффективным шумоподавлением, незначительное накопление (х2–6), а иногда и суммирование соседних пикселей (бининг). Это, естественно, снижает как статическое, так и динамическое разрешение, но при малой освещенности из-за снижения контраста и роста шума оно и так снижается. На фото 2 представлены изображение от одной из первых подобных цветных камер в сравнении с типовой камерой цветного изображения
В заключение хочется еще раз предостеречь от применения многократного накопления. Производители соревнуются друг перед другом в его кратности. Общим местом стало накопление в 512 раз. Уже встречаются модели с DSS (Sens-Up) до х1024. Причем можно обратить внимание, что увеличение чувствительности или снижение минимальной освещенности часто не соответствует такой кратности относительно этой характеристики без такой функции. Но представим себе, что камера работает с накоплением в 512 раз. При этом обновление изображения будет происходить раз в 20 секунд. Другими словами, неподвижные объекты, которые при видеонаблюдении нас обычно не очень интересуют, будут отлично воспроизводиться, и даже в цвете. А вот те, кто прошел или тем более проехал, будут просто отсутствовать. На фото 3 приведены два кадра от камеры без накопления и с накоплением всего лишь около х4. Автомобиль движется в поперечном направлении со скоростью 40–50 км/ч. Из изображений понятно, что подобная функция, особенно при большой кратности, имеет в основном маркетинговый смысл. В завершение рассмотрим несколько конструктивных новинок в телекамерах для ночного наблюдения. Наиболее популярной моделью в настоящее время можно считать камеры «день-ночь» со встроенной ИК-подсветкой. Производитель определяет минимальную освещенность в ночном режиме для таких камер, как 0 лк. Забавно, но наши продавцы зачастую транслируют этот параметр как «чувствительность 0 лк». Вместе с тем чувствительность как внутренний параметр камеры не может быть нулевой. Все-таки телекамера работает со светом.
В последнее время все реже встречаются наружные телекамеры с общим иллюминатором для объектива и осветителя. Это, наконец-то, снизило прямую засветку объектива от рассеяния на иллюминаторе. С купольными камерами все оказалось значительно сложнее. В скоростных поворотных моделях отделить осветитель от объектива невозможно ни блендами, ни перегородками и раздельными стеклами. Поэтому поворотные купольные камеры со встроенной подсветкой как бы вынужденно вернулись на 10–15 лет назад. У таких камер опять появились подвижные сочленения, в которые потенциально может попасть вода, проникнуть внутрь или заклинить механизм при ее замерзании. На фото 4 показаны примеры подобных камер. Из последних новинок можно отметить купольную камеру с раздельными сегментами купола для объектива и подсветки, свободную от неизбежных бликов, упомянутых выше. На фото 5 представлен подобный образец. Но даже в этом случае при хорошей защите камеры от бликов осветителя не обошлось без вынужденных недостатков. Купольная камера перестала быть камерой условно скрытого наблюдения, поскольку по границе сегментов можно однозначно определить направление ее визирования. То есть можно сделать вывод что, несмотря на впечатляющие успехи современных технологий, ночное видеонаблюдение до сих пор остается весьма непростой задачей.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru