Parus16.ru

Парус №16
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Матрица в камерах видеонаблюдения

Матрица в камерах видеонаблюдения

Матрица или светочувствительная матрица, видеоматрица ( image sensor, imager ) является основным элементов видеокамер, цифровых фотоаппаратов и предназначена для преобразования, проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии аналого-цифрового преобразователя непосредственно в составе матрицы). Если обойтись без википедии, то матрица преобразовывает свет в электрический сигнал.

Матрица или светочувствительная матрица, видеоматрица (image sensor, imager) камеры видеонаблюдения

Необходимо отметить, что сама матрица даже важнее процессора, который используется для оцифровки видео — пусть в ЦП и будет множество функций, но если на матрице получено плохое изображение , то процессор работает уже с плохим изображением .
Также отметим, что у одного производителя может быть две камеры с одинаковыми характеристиками (разрешение записи, угол обзора и т.п.), но разными матрицами , например одна камера с матрицей от Sony и вторая камера с матрицей от SOI (или Noname) — и цена таких камер может отличаться на 30-35% .

Производители матриц

Давайте и начнем с производителей. Наиболее известными и популярными производителями матриц для камер видеонаблюдения являются: ON Semiconductor Corporation, Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Производители используют матрицы этих брендов для создания основной линейки видеокамер и камер премиум класса. Также, отметим бренды Canon, Hikvision и Dahua — они также производят матрицы под собственные нужды.

Но, разумеется, что существует множество других производителей, которые предлагают бюджетные решения, например, одна из наиболее популярных компаний — это SOI (Silicon Optronics, Inc.) , которая достаточно молодая, но уже пытается найти свою нишу среди именитых брендов. Как раз на базе матриц SOI множество производителей и делают бюджетные линейки видеокамер. То есть, если Вы видите, что даже у одного производителя есть камеры с абсолютно одинаковыми характеристиками, но с разной ценой — то, обратите внимание на матрицу и производителя этой матрицы, скорее всего разница только в этом. В целом, понятна и разница между брендами и любым ноунеймом. Да, все характеристики могут быть одинаковыми, разрешение передачи видео изображения, но разные матрицы и разные производители — на выходе вы увидите разные картинки, разную насыщенность и даже разные цвета (оттенки).

CCD и CMOS матрицы

CCD и CMOS матрицы

В старых статьях и обзорах в Сети вы можете увидеть много букв про преимущества и недостатки CCD или CMOS матриц и какую лучше выбрать. Но, победили CMOS матрицы, в основном из-за того, что они дешевле в производстве. Поэтому, при выборе камеры для видеонаблюдения нет больше выбора между CCD и CMOS матрицы — only CMOS. Поэтому, перейдем к остальным характеристикам матриц.

Формат (типоразмер) матрицы

В характеристиках видеокамеры вы обязательно увидите размер матрицы — 1/4 дюйма, 1/3″, 1/2.8 д и т.п. Формат матрицы — это размер матрицы по диагонали. Обозначение типоразмера досталось в наследство от электронно-лучевых трубок, и указывают формат матрицы в виде дроби с размерностью в дюймах.

В формате матрицы очень простое правило — чем больше размер матрицы, тем лучше. Так как, при других равных условиях (разрешении, то есть одинаковом количестве пикселей) у большей матрицы крупнее пиксели , таким образом, она улавливает больше света . Кроме того, сами пиксели на матрице большего размера расположены менее тесно, что обеспечивает меньшее влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, а это все влияет качество получаемого видеосигнала и получаемого изображения в итоге.

Также, физический размер матрицы влияет на угол обзора камера видеонаблюдения. При прочих равных условиях, чем больше матрица, тем больше углы обзора у видеокамеры.
От размера матрицы зависит и то, какие объективы можно устанавливать на камеру (если возможна смена объектива в камере видеонаблюдения). Производители объективов всегда указывают размер матрицы, под которую подходит объектив, например 1/4 или 1/3. При этом, объектив для матрицы большего размера подойдет для камер с матрицей меньшего размера , но никак не наоборот .

Читайте так же:
Видеоплеер с аппаратным ускорением

И, что очевидно, матрица большего размера дороже в производстве. Поэтому, в бюджетных моделях камер видеонаблюдения вы редко увидите матрицы больше 1/4″, а в уже более дорогих камерах используются типоразмеры матрицы 1/3″, 1/2.8″ и т.п. В специальных профессиональных камерах высокого качества могут использоваться матрицы размером 1/2″ и 1/1.9″.

Светочувствительность матрицы

Характеристика, которую вы также увидите в описание практически у каждого производителя, некоторые производители могут указывать просто как чувствительность матрицы. Светочувствительность матрицы определяет возможность работы матрицы в условиях окружающего освещения. Таким образом, чем меньше количество световой энергии необходимо для получения нормального изображения , тем выше и светочувствительность матрицы . Для всех матриц справедливо следующее — чем лучше освещенность, тем лучше изображение. Светочувствительность матрицы производители указывают в Люксах — ЛК, Lux, люкс. Но, обратите внимание, что производители указывают минимальный уровень освещенности , при котором видеокамера еще может зафиксировать какое-то изображение, но никто не обещает, что это будет изображение хорошего качества . Сегодня практически все камеры поддерживают режимы «день / ночь» и оснащены ИК-подсветкой и в темное время суток (при снижении освещенности) камера переключается автоматически в черно-белый режим съемки. Обычная ИК-подсветка позволяет снимать даже в полной темноте на расстоянии 20 – 25 м, кроме того, существуют модели с усиленной ИК-подсветкой, где можно снимать на расстоянии 60 – 100 м в полной темноте.

Таким образом, светочувствительность критична для камер, без ИК-подсветки, которых сейчас практически нет (только специальные миниатюрные цилиндрические или корпусные камеры могут быть без ИК-подсветки). Как правило, все производители указывают светочувствительность 0,01 Lux, что соответствует по значениям освещенности как «Безлунная ночь» 0,01 Lux (для сравнения — «Лунная ночь» — 0,05 Lux, «Сумерки и хорошо освещенная автомагистраль ночью» — 10 Lux, «Дневное, естественное освещение на улице в солнечную погоду» — 5000 — 100000 Lux).

Еще стоит немного упомянуть о технологиях, которые используются для улучшения светочувствительности матрицы в видеокамере и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Как правило, для этого необходимо вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, которая собирает свет. Это технологии Exmor и Starlight. Такие камеры могут передавать даже в цвете с помещения освещенностью 0,01 Lux, и давать неплохое изображение в условиях освещенности 0,0001 — 0,001 Lux. Но стоит, отметить, что и цена таких камер немалая – это уже более профессиональная линейка. Есть смысл использовать такие технологии в роботизированных камерах, которые снимают, например, на больших территориях или для системы «Умный город». Для обычных объектов проще / и дешевле 🙂 / заняться вопросом освещения.

Надеемся, что после прочтения этой статьи вы больше узнаете о характеристиках матрицы и на что они влияют. Теперь вы понимаете насколько много зависит от производителя и качестве матрицы в видеокамере. Поэтому, в одном и том же производители в одинаковых характеристиках и корпусах могут быть камеры с разными матрицами и по разной цене (разница может составлять даже 30-35%).

Матрица, которая создает мир

Продолжение. Начало материала (часть 1) здесь.

Компания-производитель камеры сообщает обычно размер изображения в мегапикселях, а также условный размер матрицы, к примеру, «полный кадр», APS-C, «4/3», разнообразные дюймовые дроби. С практической точки зрения, фотографу полезнее знать кроп-фактор. Это коэффициент пересчета фокусного расстояния объектива для получения с помощью разных камер и объективов одного и того же по передаче перспективы снимка.

Читайте так же:
В контакте приложение секреты

Если кроп-фактор 1,5х, это значит, что 50-мм объектив на определенной камере будет работать как 75-мм на полнокадровой. А также, что гиперфокальное расстояние будет примерно в эти же полтора раза меньше. Начало зоны резкости расположится ближе к фотографу, а сама она будет шире.

Чтобы определить кроп-фактор, нужно разделить принятую за «единицу измерения» диагональ малоформатного (24х36 мм) кадра, а это 43,3 мм, на диагональ матрицы выбранной камеры.

Два дюйма — две эпохи

Цифровая фотография унаследовала технологии и стандарты как пленочной, так и видеозаписывающей техники. Так, для расчета кроп-фактора мы используем величину диагонали (43,3 мм) кадра 35-мм кинопленки с перфорацией. Именно эта пленка и, конечно, камеры Leica, где она применялась, в свое время обеспечили популярность этому формату. А вот дюймовым дробям в маркировке матриц мы обязаны видеокамерами, вернее телекамерам.

В телекамерах на заре телевидения использовались для регистрации видеосигнала электронно-лучевые передающие телевизионные трубки — видиконы. Их технологический размер, а именно внешний диаметр трубки, обозначался в дюймах. Этот размер дошел до эпохи цифровых камер как отраслевой стандарт производства теле/видеоаппаратуры. Важно отметить, что этот стандарт характеризует не размер светочувствительной области, а габаритные размеры видикона. В прошлом это было важно для возможности независимой разработки и ремонта телекамер.

Реальный размер светочувствительной зоны матрицы составляет примерно две трети от видиконовской трубки. (Точно узнать значение размеров можно из справочников или из документации аппарата.) Поэтому когда говорят «видиконовский дюйм», то имеется в виду не 25,4 мм (общепринятый дюйм), а около 17 мм (16,93 мм). Иными словами, сам видикон имел габариты 24,5 мм, а диагональ его светочувствительного элемента составляла 17 мм.

Перейти в галерею фотографа

Напомним, что для кадра 24х36 мм с диагональю 43,3 мм цифровая фотография унаследовала технологии и стандарты как пленочной, так и видеозаписывающей техники. Так, для расчета кроп-фактора мы используем величину диагонали (43,3 мм) кадра 35-мм кинопленки с перфорацией. Именно эта пленка и, конечно, камеры Leica, где она применялась, в свое время обеспечили популярность этому формату. А вот дюймовым дробям в маркировке матриц мы обязаны видеокамерами, вернее телекамерам.

Сколько дюймов?

Именно в видиконовских дюймах измеряют сенсоры компактных камер. Например, в камерофоне Sony Ericsson Cyber-Shot C905 (2008) установлен КМОП-сенсор с диагональю 1/ 2,5 дюйма. Как это значение перевести в традиционные миллиметры? Нужно единицу разделить на 2,5 и умножить на 16,93 мм. Получается 6,77 мм. Напомним, что диагональ 35-мм кадра равна 43,3 мм. Значит, диагональ сенсора камерофона в 6,4 раза меньше, чем полный кадр. Иными словами, кроп-фактор 6,4х.

Теперь рассмотрим объектив. В спецификациях сказано, что его фокусное расстояние составляет f=5,91 мм. Умножаем это значение на полученный кроп-фактор 6,4х и получаем эквивалентное фокусное расстояние f=38 мм.

Соответственно, популярный формат Four Thirds (4/3 дюйма) пересчитываем следующим образом: 4 делим на 3 и умножаем на 16,93; получается 22,57 мм, что почти в два раза меньше, чем полный кадр (кроп-фактор 2х). Собственно, так и пересчитывается оптика для системы Four Thirds.

Перейти в галерею фотографа

В камерафоне Sony Ericsson Cyber-Shot C905 (2008) установлен КМОП-сенсор с диагональю 1/ 2,5 дюйма. Кроп-фактор 6,4х. Фокусное расстояние объектива экв. f=38 мм.

Пленочный формат в цифровых камерах

Терминология современных цифровых камер сберегла для нас память об одной из последних попыток автоматизации и цифровизации пленочной фотографии. В 1990-х годах компании-производители фототехники и фотоматериалов приняли новый набор отраслевых стандартов под названием «Усовершенствованная фотосистема»/Advanced Photo System (APS).

В серийных образцах APS-камер использовалась 24-мм пленка с более тонким слоем фотоэмульсии, по сравнению с 35-мм, и с лучшими характеристиками. В камеру заряжалась почти традиционная кассета, но уменьшенного размера. При съемке можно было выбрать различное соотношение сторон кадра, например, 3:2, 16:9 или 3:1 (панорама). Первый режим съемки маркировался «С» (Classic), второй — «H» (High Definition), третий — «P» (Panoramic).

Читайте так же:
Видеорегистратор с качественной камерой

Собственно, когда стали появляться цифровые камеры, а полный кадр все еще был непозволительной роскошью, разработчики решили использовать APS-формат применительно к новым цифровым моделям. Они выбрали формат, который ближе к фотографии, а не видиконовский из видеоиндустрии.

Например, камера ILCE-6500 оснащается сенсором APS-C с площадью кадра 23,5х15,6 мм. Как мы уже написали, это Classic, соотношение сторон 3:2. Попробуем просчитать кроп-фактор. При диагонали 28,20 мм кроп-фактор составляет 1,54х.

Перейти в галерею фотографа

Матрица формата APS-C (23,5×15,6 мм). Разрешение 20 Мпикс.

Заключение

Хотя в качестве отправной точки для пересчета и был выбран кадр узкой пленки 24х36 мм, он не является вершиной пирамиды матриц. Современные технологии уже обеспечили доступность матриц и камер больше малого формата. И если говорить о цифровом среднем формате, то следует сказать, что для него кроп-фактор меньше единицы, например, 0,79х, Но цифра эта малоинформативна для практического применения. Фотографы, использующие среднеформатные камеры, не пересчитывают свои объективы на малоформатные, а оперируют более профессиональным термином — «угол поля зрения объектива». Но это тема уже для другого материала.

Примечания:

1_ Four Thirds — Стандарт крепления объективов для цифровых зеркальных фотокамер.

2_ Advanced Photo System (APS) — «Усовершенствованная фотосистема» («А-Пэ-Эс»).

Разрешение камер видеонаблюдения

Производители и продавцы ставят мегапиксели во главу угла: много – хорошо, мало – плохо. В реальности бинарная логика не работает. Мегапиксели обозначают сколько реагирующих на свет сенсоров утрамбовано на видеоматрице. Количество не говорит ничего о качестве матрицы: размерах, технологии, чувствительности сенсоров к свету. Не говорят мегапиксели и о качестве оптики. Комплектующие низкого качества никакие мегапиксели не спасут.

Об этом пока не догадывается покупатель Дмитрий. Ему нужен комплект камер для дачи. Дмитрий идет на Aliexpress или в ближайший хозяйственный супермаркет, а там рай: камеры на 2, а то и 5 Mpx, комплектом, да ещё и дешево, правда малоизвестного бренда. «Не упусти шанс, Дима — говорит местный змей-искуситель – никакого подвоха, чистая выгода».

Подвох всё-таки есть. Настоящих мегапикселей на матрице едва ли больше одного. Недостающие один – четыре мегапикселя воссоздаются математически. Это называется интерполяцией. Работает она так же как размазывание маленького кусочка масла по хлебу. Выглядит так же: что и кто изображен на видео скорее угадывается, чем показывается.

Вывод: прежде чем покупать камеру посмотрите какое изображение она выдает. Записи с камер можно найти в интернете: на сайтах производителей, на видеохостингах вроде Youtube или можете зайти к нам в офис. Покажем демонстрационный стенд с камерами – оцените разницу, что и на какой дистанции видно. Дмитрий тоже к нам заходил – кот в мешке никому не нужен.

Размер матрицы и мегапиксели

Матрицы, на которых размещены мегапиксели – это прямоугольная пластинка позади объектива. На ней фокусируется световой луч. Размер этой пластинки в характеристиках камер записывается как диагональ в дюймах: 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2″ дюйма. Чем больше матрица, тем детальнее картинка, выше светочувствительно и потенциально шире обзор. Поэтому если перед вами две камеры на 2Mpx, 1/3″ и 1/4″, то если позволяет бюджет, 1/3″ предпочтительнее.

Если камера используется в слабоосвещенном помещении, имеет смысл пожертвовать мегапикселями в пользу большей матрицы, а значит высокой чувствительности. Вспомним о грошовых комплектах, один из которых чуть не купил Дмитрий. В них установлена дешевая камера с 1/4″ матрицей, небольшой объектив с узкими углами и мутной оптикой. Мелкие детали, да ещё в тусклом свете ей различить не под силу – слишком зашумленной выводится картинка. С такими ограничениями защитить дачу и предоставить неоспоримые доказательства преступления Дима бы не смог.

Читайте так же:
Видео анализы в контакте

Советы по выбору камер

Наши рекомендации при выборе камеры: не гонитесь за цифрами. Чтобы без искажений показывать видео в разрешении 1920*1080 (формат FullHD) хватит 2Mpx, но без запаса. “Запас” пригодится, чтобы зумировать, приблизить объект и рассмотреть фрагмент получше. Если нужно, мы подбираем другую оптику или добавляем ещё одну камеру разрешением повыше.

Без необходимости устанавливать камеры 4Mpx и выше не нужно. Во-первых, у доступных по цене камер с высоким разрешением ниже светочувствительность – они быстрее чем камеры на 1,3 и 2Mpx слепнут при плохом освещении. Современные модели нивелируют проблему: когда мало света, они переходят в монохромный режим с инфракрасной подсветкой, но из-за качества бюджетных матриц картинку искажают шумы.

Во-вторых, высокое разрешение съедает больше места в архиве. В результате приходится чем-то жертвовать: уменьшать частоту кадров, увеличивать размер хранилища или сокращать время хранения записей. Из нашей практики проектирования и монтажа видеонаблюдения, а также из опыта клиентов скажем, что не стоит уменьшать частоту кадров. На дерганной записи с 10 кадрами в секунду в случае преступления труднее выявить правонарушителя и доказать вину. Мы рекомендуем такой выход: хранить меньше по времени и писать по движению со скоростью в 20 кадров/сек.

Разрешение важно при выборе камер видеонаблюдения, но качество камер зависит и от других компонентов. В следующих статьях мы поговорим о других параметрах: матрицах, светочувствительности и фокусном расстоянии.

Видеокамеры с матрицей 1 дюйм

Планируя развернуть систему видеонаблюдения, вы неизбежно задаетесь вопросами: куда и сколько установить камер? Как определить наилучшие места их расположения, чтобы избежать «слепых зон»? На каком расстоянии от объектов наблюдения установить камеры, чтобы в итоге получилось достаточно четкое изображение нужных деталей?

На вид и качество изображения большое влияние оказывают не только параметры видеокамеры и объектива, но и их правильное сочетание. Так, иногда отличный, дорогой объектив может давать даже худшее изображение, чем альтернативная дешевая модель.

Расскажем об основных факторах, влияющих на качество и масштаб видеоизображения, которые следует учитывать при выборе объектива для камеры, чтобы по максимуму использовать их возможности и при этом избежать ненужных затрат.

Угол обзора объектива
Одной из важных характеристик систем видеонаблюдения является угол обзора объектива. От него напрямую зависит количество и возможные места установки камер на объекте. Угол обзора объектива определяет величину видимого объекта и масштаб изображения в кадре.

Оптическая схема получения изображения на матрице

Рис. 1 Оптическая схема получения изображения на матрице

Из этой схемы видно, что на величину угла обзора напрямую влияет не только фокусное расстояние объектива, но и размеры матрицы:

Формула

И если с фокусное расстояние определить довольно легко, зная модель объектива, то с размером матриц не все так просто.

Размер матрицы видеокамеры
В зависимости от соотношения сторон (4:3 или 16:9), у матриц с одной и той же диагональю физические размеры различны (Таблица 1). Поэтому, например, камера на матрице 1/3’’ с соотношением сторон 4:3 дает больший угол обзора по вертикали и меньший по горизонтали, чем камера на матрице с такой же диагональю, но соотношением 16:9.

Формат матрицыДиагональ матрицы (мм)Соотношение сторон
4:316:9
Ширина (мм)Высота (мм)Ширина (мм)Высота (мм)
1/44.233.392.543.692.08
1/35.644.523.394.922.77
1/2.86.054.843.635.272.96
1/2.76.275.023.765.473.07
1/2.56.775.424.065.903.32
1/28.476.775.087.384.15
Читайте так же:
База данных для банка

Таблица 1 Зависимость физических размеров матрицы от соотношения сторон

В целях облегчения подбора совместимой оптики и расчета углов обзора обычно заявляют ближайшее из стандартных значений для диагонали матрицы: 1’’, 1/2’’, 1/2.5’’, 1/2.7’’, 1/2.8’’, 1/3’’, 1/4’’. При этом измерять ее принято в видиконовых дюймах. Эта единица измерения, равная 2/3 обычного дюйма, была введена со времен зарождения телевидения, когда приёмным элементом в телекамере служила электронная трубка («видикон»), а размер обозначал её диаметр (в который должен был вписываться с запасом снимаемый кадр).

Помимо этого необходимо помнить, что на некоторых режимах работы камеры часть пикселей матрицы не используется. Поэтому при определении угла обзора следует говорить не столько о размере матрицы, сколько о размере активной области матрицы.

Для наглядности приведем несколько примеров:

N1000 (Рис. 2): для всех возможных режимов работы активная область матрицы остается неизменной.

Матрица N1000

Рис. 2 N1000. 0.3 Мп, VGA, 1/4’’

Размер матрицы: 3.7 х 2.77мм, диагональ 4,62 мм=1/3.67 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/4’’).

N37210 (Рис. 3): в зависимости от режима работы активная область матрицы изменяется почти на 30% по вертикали и 25% по горизонтали.

Матрица N37210

Рис. 3 N37210. 2 Мп, FullHD, 1/2.7’’

Размер матрицы: 5.71 х 3.14 мм, диагональ 6.52 мм=1/2.6 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/2.7’’). При разрешении 1024х768 размер активной области матрицы уменьшается до 4.58 х 2.32 мм.

BD2570 (Рис. 4): в зависимости от режима работы активная область матрицы изменяется почти на 50% по вертикали и 25% по горизонтали.

Матрица BD2570

Рис. 4 BD2570. 5 Мп, 1/2.5’’

Размер матрицы: 5.61 х 4.31 мм, диагональ 7.08 мм=1/2.39 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/2.5’’). При разрешении 1280х720 размер активной области матрицы уменьшается до 4.22 х 2.21 мм.

Из этих примеров видно, что величина матрицы может отличаться от указанной в паспорте, а размер ее активной области — меняться в зависимости от режима работы.

Однако, при вычислении угла обзора следует учитывать не только эту особенность, но и тот факт, что аберрации реального объектива приводят к усложнению расчетов.

В большинстве объективов, используемых в CCTV, повышение качества изображения осуществляется путем усложнением оптической системы с целью уменьшения аберраций, влияющих на разрешающую способность. Это часто приводит к увеличению геометрических аберраций, таких как дисторсия (рис. 5), воспринимаемых как побочный эффект.

Дисторсия

Рис. 5 Идеальное изображение без дисторсии (а), изображение с дисторсией типа «подушка» (б), изображение с дисторсией типа «бочка» (в)

Например, положительная дисторсия сокращает угол обзора непропорционально быстро при уменьшении активной области матрицы (синяя рамка на рис. 6).

Кадры, сделанные разными объективами

Рис. 6 Кадры, сделанные объективом с дисторсией (а) и объективом без дисторсии (б)

Этот эффект наблюдается как при смене режимов работы одной и той же камеры, так и при установке объектива на матрицы разных форматов. Например, видимый угол обзора у 8-мм дисторзирующего объектива на матрице 1/2 может быть как у 6-мм, а на матрице 1/3 — как у 7-мм.

Непропорциональное уменьшение угла обзора реального объектива с положительной дисторсией объясняется смещением фокальной плоскости в центре кадра, в отличие от идеального объектива (рис. 7), для которого верны соотношения

Формула

Оптическая схема

Рис. 7 Оптическая схема идеального объектива (а) и реального объектива с положительной дисторсией (б)

Таким образом, спрогнозировать, какими будут качество и масштаб видеоизображения для пары «камера-объектив» можно достаточно точно только если учитывать все влияющие на это параметры видеосистемы. Универсальный калькулятор BEWARD позволяет не просто вычислить области видимости и углы обзора, но и подобрать подходящие объективы для камер BEWARD.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector