Чувствительность

Чувствительностью камеры называется минимальная освещенность, при которой камера работоспособна.

Обратите внимание, что параметров, называемых общим словом чувствительность, очень много. Во-первых, может быть приведена освещенность, при которой камера дает "приемлемое изображение" (usable picture) или "полный видеосигнал" (full video). Во-вторых, освещенность может быть приведена на объекте (Scene illumination) или на матрице (Imager illumination). Привожу формулу, связывающую эти два значения:

I_imager=I_scene * R/(π * A²),

где R = reflectance (коэфф. отражения объекта)
A = aperture (относительное отверстие объектива)


При указании освещенности на объекте обычно подразумевается некая "стандартная" отражающая способность объекта, например, 75% и некий "стандартный" объектив, например, со светосилой 1.4. При этом значение чувствительности "на объекте" получается примерно в 10 раз меньше, чем "на матрице". Обратите внимание, что отражательная способность реальных объектов заметно ниже.

Примерные значения освещенностей "на объекте" В помещении Склад 20-75 Пожарная лестница 30-75 Коридоры и лестницы 75-200 Магазин 75-300 Офис 200-500 Сборочный конвейер 300-1000 На улице Яркий солнечный день 10000-1000000 Пасмурный день 100-10000 Сумерки 1-10 Полная луна 0.1-1 Пасмурная ночь 0.01-0.1 Звезды, ясно 0.001 - 0.01 Звезды, пасмурно 0.0001 - 0.001

При сравнении параметров камер, наиболее объективным критерием "хорошести" камеры является чувствительность "на матрице". Однако при измерениях на местности люксметром, вы получаете значение освещенности "на объекте".

Тесно связанным с чувствительностью параметром является "отношение сигнал/шум" (часто обозначается S/N = signal/noise). Измеряется в децибелах, т. е. S/N = 20*log({видеосигнал}/{шум}). Таким образом, сигнал/шум 60 дБ означает, что сигнал в 1000 раз больше шума. Для ориентировки привожу субъективные ощущения от наблюдения на экране монитора при разных значениях сигнал/шум: 50 дБ и более - чистая картинка без видимых признаков шума, 40 дБ - критическому взгляду заметны иногда мелькающие точки, 30 дБ - откровенный "снег" по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную "снежную" пелену разглядеть еще можно.

Примерные значения отражательной способности Объект R (%) Пустой чистый асфальт 5 Вспаханная земля 7 Трава / кусты / деревья 20 Цемент 27 Красный кирпич 35 Площадка, заполненная автомобилями 40 Застекленные поверхности 70 Снег ( новый/старый) 85/65 Краска белая (новая/старая) 75/55

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенных цепях автоматической регулировки усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и Г-коррекции, больше.

Нередко чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, что отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

Другой способ определения "приемлемого" сигнала - шкала IRE (Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0.7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. "Приемлемым" считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, в частности, BURLE, указывает для 25 IRE, некоторые для 50 IRE (уровень сигнала -6 дБ). Выбор "приемлемого" уровня определяется отношением "сигнал/шум". Нетрудно усилить электронный сигнал. Беда, что шум усилится тоже. Реально чувствительность определяется. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового производства ныне обладают Hyper-HAD матрицы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камер высокого качества. Разброс параметров построенных на их основе камер означает в основном разнобой в подходах производителей к определению понятия "приемлемый сигнал".

Есть еще один нюанс: кинескоп в мониторе имеет степенную зависимость яркости от сигнала (Y=X^g, где g=2.2), что приводит к уменьшению контрастности в темных участках и к увеличению в ярких; в то же время современные ПЗС-матрицы производят линейный сигнал. Для компенсации общей нелинейности, в камеру обычно встраивается устройство (гамма-корректор), предыскажающее сигнал с показателем степени 1/2.2, т.е. 0.45. Некоторые камеры предоставляют выбор коэффициента g, например, вариант 0.60 приводит к субъективному повышению контрастности, что нередко нравится конечному пользователю (производит впечатление более "четкой" картинки). Побочный эффект - гамма-коррекция означает дополнительное усиление слабых сигналов (в частности, шума), т.е. одна и та же камера с включенной Г=0.4 будет примерно вчетверо "чувствительнее", чем при Г=1. Однако не забывайте, никакой усилитель не может увеличить отношение сигнал/шум. Тем более, Г-коррекция означает дополнительное усиление шума в темных областях.

Цветные камеры, поскольку для каждого элемента изображения в них присутствует 3 (или хотя бы 2) светочувствительных ячейки, имеют площадь каждой ячейки в несколько раз меньше, чем у аналогичной черно-белой. Кроме того, чувствительность каждой такой ячейкой установлен соответствующий цветной фильтр, также не повышающий общую чувствительность камеры. В результате, чувствительность цветных камер существенно (в 5-10 раз) ниже, чем у черно-белых.

Дополнительная проблема связана с тем, что, единица измерения "люкс" определена для монохромного излучения с длиной волны 550нм. Поэтому немаловажная характеристика - спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев, чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами. Спектральная чувствительность цветных камер совпадает с человеческим глазом.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь - ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность во 100 - 10000 раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне - там теплое человеческое тело само светится), но и уникальной капризностью - время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафракмы до F/1000 или более. Во время работы, камеры необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать "вжигания" изображения. Для этого применяют специальные двухкоординатные устройства управления, которые никогда не стоят на месте, а елозят вверх-вниз/влево-вправо. Разумеется, если вам необходимо полностью скрытое наблюдение, так чтобы противник, экипированный ночными прицелами не смог его обнаружить, альтернативы нет. Во всех же остальных случаях десять обычных камер, даже с ИК-прожекторами, будут дешевле одной "ночной".