Важнейшей характеристикой видеокамеры системы наблюдения, характеризующей её способность преобразовывать кванты света в электрический сигнал, является чувствительность, или, другими словами, нижняя граница рабочего диапазона освещённостей.
В системах видеонаблюдения она определяется в виде параметра, доступного для измерения пользователем. Таким образом чувствительность — это минимальная освещённость на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения.
Существуют несколько способов улучшения чувствительности видеокамер:
- Применение высокочувствительных матриц CCD и светосильных объективов.
- Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения.
- Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда.
- Увеличение площади единичного чувствительного элемента, просуммировав соседние
- пиксели 2х2; 4х4 и сократив разрешение изображения;
- Увеличение времени экспозиции больше стандартного межкадрового временного интервала (DSS или Sens-Up)., т.е использовав медленный электронный затвор.
Основные факторы, ограничивающие чувствительность в современных видеокамерах, следующие:
- Потери света в объективе. Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к матрице. Часть из них рассеивается, а часть поглощается материалом линз.
- Потери из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции.
- Потери при преобразовании фотон/электрон.
- Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD.
- Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства матрицы.
Для ограничения этих проблем и повышения чувствительности камер видеонаблюдения используют несколько способов. Начнем с введения адаптивных режимов накопления и считывания заряда в матрице
В настоящее время, используя новые матрицы, не составляет труда значительно превзойти характеристики человечекого глаза. Правда, в основном это возможно только в рамках диапазона рабочих освещенностей и контрастной чувствительности. По другим параметрам до глаза еще очень далеко.
Все существующие способы увеличения чувствительности камер видеонаблюдения основываются на одном принципе, а именно на накопления энергии сигнала. Этот принцип базируется на коренном отличии сигнала от шума.
Сигнал всегда однополярный и имеет ограниченную полосу частот. Шум всегда дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со значительно более широкой полосой частот.
В результате простое накопление порций «сигнал плюс шум» будет приводить к линейному росту уровня сигнала и только к замедленному росту среднего отклонения размаха шума.
Каждые 100 сложений улучшают отношение сигнал/шум в 10 раз. Принцип накопления энергии сигнала используется во всех способах повышения чувствительности, будь это пространственно-временное суммирование или низкочастотная фильтрация.
Адаптивные свойства матриц видеокамер позволяют применить в них уникальный способ повышения чувствительности, который можно условно назвать «накопление до воздействия шума».
Суть его в том, что дополнительное накопление сигнала производится в самой матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания.
В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве ПЗС один раз на каждую сумму сигналов.
В результате четырехкратное сложение приводит к четырехкратному росту отношения сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как при обычных методах. Этот режим эффективен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания значительно превосходит фотонный шум и последний практически не оказывает влияния на результат накопления.
Другим вариантом адаптивного накопления сигнала является суммирование зарядов с соседних элементов матрицы. Изменяя режим синхронизации можно обеспечить сложение зарядов соседних элементов на затворе выходного транзистора и соседних строк на электродах выходного регистра.
Также, как и в первом способе происходит сложение сигнала до воздействия шума и десятикратное сложение приводит к десятикратному улучшению чувствительности.
В современных цветных камерах видеонаблюдения используются следующие способы увеличения чувствительности:
- Выключение сигнала цветности.
- Удаление ИК фильтра, установленного перед матрицей.
- Увеличение коэффициента усиления видеотракта перед АЦП и увеличение разрядности тракта обработки сигнала.
- Интегрирование заряда по площади и времени в матрице ПЗС.
Наилучшей чувствительностью среди камер обладают те, в которых используются все указанные выше методы увеличения чувствительности.
