Автор: Николай ЧУРА, технический консультант, ООО «Фирма Видеоскан»
Еще один «многообещающий технологический тупик»
Видеонаблюдение при большом контрасте сцены всегда было большой проблемой для телекамер вне зависимости от типа системы. Причем эти проблемы усугубились при уменьшении форматов матриц в результате уменьшения площади пикселя, а, соответственно, снижения перегрузочной способности сенсора и его динамического диапазона. Конечно, за этим следовало непрерывное снижение стоимости телекамер. Теперь базовый формат матриц около 1/3" вне зависимости от типа сенсора и его разрешения. Для бюджетных моделей и поворотных камер используются и сенсоры форматом 1/4". Типовое отношение сигнал/шум подобных матриц вне зависимости от типа сенсора составляет 45–48 дБ. Сейчас наиболее популярно более простое значение 50 дБ. Возможно, это достижения современных технологий, а, может быть, усилий маркетологов. Матрицы с форматами 1/2" и 2/3" применяются теперь только в профессиональной телевизионной технике. Там отношение сигнал шум достигает 60–65 дБ. Соответственно, и динамический диапазон при едином времени накопления для всех пикселей кадра не может превышать этих значений. Реальный динамический диапазон зависит еще от уровней квантования сигнала сенсора при оцифровке. Переход на 10- и даже 12-битное квантование позволяет за счет цифровой обработки несколько улучшить передачу контраста в темных и светлых местах. Подобная технология используется для реализации цифрового расширения динамического диапазона (WDR). Например, в процессорах SONY Effio-E для функции ATR Особенно проблемными при видеонаблюдении являются ситуации со встречным светом. Это наблюдение объекта на фоне окна или проема двери, автомобиля с включенными фарами или попытки из экономии использовать одну камеру для наблюдения и помещения и прилежащей территории через проем открытой двери или ворот. Первые попытки все-таки рассмотреть затененный объект привели к созданию функции «компенсации заднего света» (BLC), которая основана на назначении сюжетно важной части кадра для управления временем экспонирования. В этом случае яркие объекты за пределами этой зоны просто пересвечиваются и теряют контраст. Более современная функция HLC или HSBLC, закрашивающая черным, а иногда другим выбранным цветом пересвеченные (перенасыщенные) области кадра (сенсора). К сожалению, этот метод практически мало что дает, поскольку насыщение пикселей матрицы все равно происходит, угловые размеры ярких объектов увеличиваются, маскируя собой близкие к источнику света фрагменты. Причем этот эффект усиливается при увеличении контраста изображения, т. е. именно тогда, когда мы ожидаем помощи от этой функции. На фото 1 приведен стоп-кадр подобного печального результата. Наиболее эффективный метод расширения динамического диапазона (WDR) телекамер основан на двойном сканировании матрицы с различными временами экспонирования. Для этого использовались полукадры стандартной чересстрочной системы с фиксированными временами накопления в 1/50 и 1/4000 с. Общая подстройка телекамеры под текущее значение интегральной освещенности осуществлялась автодиафрагмой камеры. Из двух фрагментов полукадров с адекватной контрастностью цифровым методом составлялся единый кадр, содержащий хорошо проработанные яркие и темные фрагменты. На фото 2 приведены три стоп-кадра, полученные типовой видеокамерой (NORMAL), камерой с одним из цифровых режимов WDR – ATR и камерой с режимом WDR двойного сканирования (Double Skan). При этом разница в освещенности на улице и в помещении всего лишь чуть более 100 (1500 лк и 10 лк) соответственно. По изображениям видно некоторое улучшение контраста в двери и на улице. Но эффект значительно меньше ожидаемого для такого перепада освещенностей, особенно когда обещают и 90 и 120 дБ.
Камеры подобного рода отличала лучшая передача высококонтрастных сцен. Но за это приходилось платить существенно большей стоимостью, меньшей чувствительностью и снижением динамического разрешения из-за неполного использования полукадров. В результате погрешности при сложении фрагментов росло количество цветовых артефактов. Эти проблемы, включая необходимость использования специальных и весьма недешевых CCD, свели практически на нет применение этой технологии в типовом видеонаблюдении. Почти повсеместный переход на мегапиксельное наблюдение с прогрессивным сканированием и возможностью повышения частоты кадров до 50–60 к/с, особенно для формата HD (720р), привел к появлению камер с WDR двойного сканирования. И опять идут щедрые обещания в 120 дБ динамического диапазона, но реальное использование это не подтверждает. А ведь это отношение освещенности или яркости в миллион раз. Самый эффективный метод расширения динамического диапазона камеры основан на практически индивидуальном регулировании каждого пикселя. Он получил имя компании разработчика – PIXIM. Эта технология возможна только на сенсорах CMOS, где может быть реализовано индивидуальное управление практически каждым пикселем. По большому счету можно отрегулировать коэффициенты передачи пикселей до превращения картинки в ровный серый фон. В реальности, конечно, пиксели регулируются не индивидуально, а группами по пяти значениям экспозиции. Картинка, естественно, получается более ровной, со значительно меньшим количеством артефактов. Но применение CMOS в те уже далекие времена рождало большой проигрыш в чувствительности. Особенно на том технологическом уровне матриц CMOS. К сожалению, эффективно использовать эту технологию другим производителям практически не удалось. Во всяком случае, камеры тайваньских и корейских производителей с технологией PIXIM, попадавшиеся мне за эти годы, не могли вызвать ничего кроме разочарования. Видимо, у разработчика была какая-то очень секретная тайна. Только дважды мне довелось наблюдать на выставках поразительный эффект широкого динамического диапазона. Первый раз – это демонстрация галогенного 500-ваттного прожектора и рядом фигурки кукол в ящике с освещенностью там не более 5–10 лк. Причем прожектор настоящий (не с хозяйственного рынка), от которого слезятся глаза. При этом на экране монитора была хорошо видна нить накаливания лампы прожектора с достаточно яркими и четкими фигурками рядом. Второй раз это была сравнительная демонстрация типовой CCD-камеры и WDR-камеры PIXIM SEAWOLF. Демонстрация проводилась с помощью метрологической установки, где использовалась специальная телевизионная таблица с рирпроекцией. Изображение этой таблицы приведено на фото 3. По данным разработчика, на этой установке можно получить контраст около 120 дБ. По визуальным ощущениям это очень похоже на правду.
Лет пять назад камеры с технологией PIXIM SEAWOLF, несмотря на свою высокую стоимость, получили достаточно широкое распространение, особенно в специальных применениях. Особенно они были популярны в системах видеонаблюдения с ДПЛА (дронов). Это совершенно понятно, поскольку обычно наблюдаемые ландшафты и объекты имеют при дневном освещении очень высокий контраст, а относительно низкая чувствительность камеры для дневной работы не существенна. Внешне подобные устройства совершенно не отличаются от типовых миниатюрных или модульных видеокамер. Существенное отличие имеет только сама CMOS-матрица с процессором управления показанная на фото 4.
Пока камеры подобного типа встречаются на рынке. Во всяком случае в виде предложений. Но, поскольку компания PIXIM в 2012 г. была куплена отделением SONY, а на сайте концерна никаких следов этой технологии нет, можно предположить, что она успешно «утонула» в недрах этого огромного концерна. Остались только замечательные демонстрационные картинки работы технологии PIXIM, которые часто используются в каталогах для иллюстрации, например цифровых методов WDR.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru