Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Сложные условия освещения. Вызовы для видеонаблюдения и технологии

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Сложные условия освещенияВызовы для видеонаблюдения и технологии

Видеонаблюдение для безопасности практически всегда происходит в сложных условиях освещения. Этим данное направление телевидения отличается как от вещательного (для него формируется такое освещение, чтобы обеспечить максимальное качество изображения), так и от технического (здесь проблема освещения упрощается хотя бы постоянством условий и известностью процесса)
Николай Чура
Технический консультант
ООО "Система СБ" и
ООО "Микровидео Группа"

При видеонаблюдении для безопасности уже изменения освещенности создают определенные проблемы. А наличие в кадре ярких источников света одновременно с затемненными фрагментами, создающими слишком высокий контраст в кадре, вынуждают применять специальные технологии расширения динамического диапазона камер. Другими словами, телекамера наблюдения, вне зависимости от типа используемой системы (CCTV, IP или HDcctv), должна обеспечивать хотя бы удовлетворительное изображение при любом характере и интенсивности освещения.

Сильная освещенность

Со слишком большой освещенностью довольно хорошо справляются объективы с автодиафрагмой, ставшие сейчас весьма доступными и широко распространенными, а также современный эффективный автоматический электронный затвор телекамер. В современных CCD практически устранено растекание заряда (blooming), приводившее к постепенному увеличению размеров яркого источника света с последующим заливанием всего кадра.

Существенно снижен "смаз" (smear), проявляющийся в виде вертикальных светлых столбов, проходящих через яркие фрагменты кадра. Например, в последних самых эффективных CCD Sony Super HAD II и Ex-View HAD II он менее 115 дБ.

Высокий контраст в кадре

Есть определенные успехи и в технологиях расширения динамического диапазона передачи контраста (WDR). Особенно это стало востребованным с переходом на матрицы меньших форматов (от 2/3" и 1/2" к 1/3" и 1/4") со сниженным динамическим диапазоном – из-за уменьшения размеров светочувствительных пикселей. Технологии PIXIM, Double Scan CCD и ATR от Sony, Super Dynamic III–IV от Panasonic, WideLux от Vision Hi-Tech и Super Digital WDR на процессорах Winer V и A1 от Samsung существенно улучшают возможности наблюдения высококонтрастных сцен. Хотя, как правило, обещания в расширении диапазона до 90–120 дБ на практике не подтверждаются. Очевидно, это происходит еще и оттого, что исходный динамический диапазон типовой телекамеры весьма далек от предполагаемого в 50–60 дБ для CCD. В любом случае, как-то решить проблемы высокого контраста в кадре можно путем применения нескольких камер и оптимальным подбором их места установки и визирования. Требования же к высокой чувствительности всегда были актуальными, поскольку от нее зависит качество изображения при низкой освещенности, которого "всегда не хватает" при видеонаблюдении. Тем более с повсеместным переходом на цветное и мегапиксельное наблюдение.

Повышение чувствительности

Еще более 10 лет назад я прочел статью одного из серьезных специалистов по видеонаблюдению, Александра Николаевича Куликова, посвященную видеонаблюдению в сложных условиях освещения. В то время только появилась технология повышения чувствительности Sony Ex-View HAD, которая тогда называлась Exwave HAD.

В статье рассматривались различные методы повышения чувствительности телекамеры. Это и весьма специальные системы с использованием усилителей яркости (ЭОП), и все еще редко применяемое суммирование нескольких соседних пикселей (binning), а также ставшее теперь типовым накопление заряда в пикселях по времени. В то время еще широко применялось черно-белое изображение, и камеры с матрицами стандартного разрешения (500х582 PAL) технологии Exwave HAD (в современной итерации Ex-View HAD) имели явное преимущество по чувствительности в сравнении с камерами высокой чувствительности, а тем более с камерами цветного изображения.

За эти годы технология производства CCD ушла далеко вперед. Современные модели основного производителя CCD, компании Sony, Super HAD II и Ex-View HAD II цветного изображения имеют более чем в два раза большую чувствительность, чем типовые модели Super HAD. В сравнении же с матрицами технологии HAD, распространенными в то время, чувствительность уже выше в 4,5–5 раз.

Не стоят на месте и технологии мегапиксельных матриц CMOS. Когда-то чувствительность камер с CMOS-сенсорами не превышала 10–15 лк. В настоящее время технологии Exmor от Sony и Live MOS от Panasonic (разработка для цифровых фотоаппаратов) уже почти конкурируют с CCD.

Технология увеличения чувствительности путем временного накопления зарядов в светочувствительных пикселях матрицы давно применялась в специальных системах, например в видеонаблюдении для астрономии. Однако эффективность данного метода напрямую зависит от подвижности объекта в кадре. Видеонаблюдение для безопасности, как правило, имеет дело с подвижными объектами. Поэтому, несмотря на заманчивые цифры чувствительности, приводимые в описаниях камер для накоплений в х128, х256 или даже х512, ими в реальности весьма сложно воспользоваться. Время смены изображений при этом составит около 5, 10 и 20 с. Кроме того, быстро движущийся объект с малыми угловыми размерами может просто не оставить следа в этих кадрах. Но цветное изображение неподвижных объектов, домов, фонарей, стоящих автомобилей, деревьев, травы и т.п., полученное практически в полной темноте, создает впечатление, что все под контролем. Для иллюстрации эффекта на рис. 1 приведены два изображения, полученные камерой без накопления и с накоплением х128

Обнаружение при плохой картинке

Большое значение в камерах наблюдения имеет глубина автоматической регулировки усиления (AGC, АРУ). С одной стороны, АРУ не изменяет чувствительность камеры, поскольку этот параметр нормируется при ее отключении. Но при наблюдении очень важно обнаружить объект даже при очень плохом качестве изображения. Таким принципом уже многие годы пользуется известный производитель Watec. Для его камеры всегда была характерна глубокая (до 60 дБ), но регулируемая и отключаемая АРУ. Естественно, при этом существенно растет шум изображения, что может привести к большому увеличению архива и даже зависанию цифрового регистратора. Однако во многих случаях при недостатке света другого выхода просто нет. Кроме того, современные системы шумоподавления камер позволяют справиться с данной проблемой.


Примечательно, что мегапиксельные камеры HDcctv и IP на CMOS-матрицах уже нормируются по чувствительности при включенной АРУ, а иногда и включенном небольшом накоплении до х4 или х6. В некоторых моделях известного производителя IP-камер Arecont Vision максимальная АРУ достигает фантастической величины в 90 дБ (более 30 000 раз). На рис. 2 приведены изображения одного и того же объекта от камеры с отключенной и включенной АРУ глубиной в 30 дБ (около 30 раз).

Улучшение качества картинки

После появления в камерах цифровых процессоров обработки изображений стали доступны специфические функции улучшения качества картинки. К таким функциям можно отнести различные системы шумоподавления. Это особенно актуально для камер с глубокой АРУ.

Первые варианты таких систем работали как простой адаптивный фильтр нижних частот. При этом при уменьшении шума существенно ухудшалось разрешение изображения. Современная цифровая обработка позволяет снижать шум на монотонных и плавно изменяющихся по контрасту поверхностях объектов при одновременном выделении их статических (2D-DNR) и динамических (3D-DNR) границ. На рис. 3 приведено зашумленное изображение от видеокамеры и то же изображение, подвергнутое шумоподавлению.

Режим "день/ночь"

Сейчас цветное видеонаблюдение становится практически повсеместным. Этому способствовали разработка и широкое распространение технологии "день/ночь", особенно в варианте с подвижным "срезающим" ИК-фильтром (D&N IRC). Подобные камеры, по сути, не уступают по чувствительности черно-белым при ночном наблюдении и одновременно обеспечивают отличную цветопередачу днем.


Совершенствование и упрощение механизма перемещения, а также применение тонких пластиковых фильтров сделало эту технологию компактной, дешевой и доступной. Сейчас она применяется даже в скоростных купольных камерах. На рис. 4 приведены изображения с камеры в момент перехода из цветного режима "день" в черно-белый режим "ночь".

Компенсация заднего света

Довольно популярными (хотя и весьма малоэффективными) являются технологии BLC и HSBLC (HLC).

Компенсация заднего света (BLC) – одна из старейших специальных функций для улучшения изображения затененных центральных объектов, правда за счет ухудшения изображения и без того плохо проработанного окружающего фона. Например, это люди на фоне окна или дверного проема.

Функция HSBLC (HLC) является естественным развитием компенсации заднего света, но тут переводится в негатив (черное) или маскируется другим цветом слишком светлый объект. В данном случае даже при возможности регулировки уровня яркости начала маскирования мы имеем дело с уже пересвеченным фрагментом увеличенных угловых размеров. Это происходит из-за слишком большого диапазона яркости изображения, не умещающегося на амплитудной характеристике матрицы. Если же этот диапазон соразмерен с характеристикой, то функция HSBLC (HLC) и не требуется.


Иными словами, эти технологии не в состоянии хотя бы отчасти заменить любой из режимов WDR. На рис. 5 приведен кадр – пример работы функции маскирования ярких фрагментов HSBLC при ночной съемке.

Где это выгодно

Все описанные методы и режимы позволяют довольно эффективно обеспечить видеонаблюдение в сложных условиях освещения. Эти технологии применяются в телекамерах для всех систем: CCTV, HDcctv и IP. Причем особенно востребованы они для мегапиксельных камер HDcctv и IP с малочувствительными CMOS-матрицами, имеющими существенно меньшие площади светочувствительных пикселей.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2012
Посещений: 8222


  Автор
Чура Н.И.

Чура Н.И.

Технический консультант ООО "Система СБ" и ООО "Микровидео /Группа".

Всего статей:  57

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций