Качество изображения видеокамер из-за ограниченных возможностей их компонентов заметно снижается в условиях недостаточной освещенности, например в темное время суток на улице или в помещениях при отсутствии дополнительных источников освещения. Тем не менее, именно такие сценарии применения при низких уровнях освещенности являются ключевыми для систем видеонаблюдения, так как отсутствие освещения или недостаточный уровень освещенности ведут к росту уровня преступности. По этой причине повышение светочувствительности видеокамер всегда было одним из ключевых направлений совершенствования для производителей систем видеонаблюдения.
Наиболее распространенное решение для повышения светочувствительности при недостаточной освещенности заключается в применении ИК-подсветки. Когда средний уровень освещенности наблюдаемой сцены опускается ниже заданного порога, видеокамера автоматически переключается в ночной (черно-белый) режим, убирает, находящийся перед матрицей ИК-фильтр, который отсекает инфракрасное излучение, после чего она начинает его воспринимать, и включает ИК-подсветку. В результате видеокамера передает черно-белое изображение, которое формируется в основном за счет отраженного от объектов излучения ИК-подсветки. Такое изображение позволяет разглядеть детали объектов, находящихся в поле зрения видеокамеры, но его информация о цвете будет полностью утрачена. Это главный недостаток такого подхода, и он серьезно затрудняет использование видеозаписей для идентификации подозреваемых и для других задач общественной безопасности.
На черно-белом изображении отсутствует важная информация о цвете
Для повышения качества изображения, полученного в условиях низкой освещенности, необходимо усилить слабый оптический сигнал и ослабить шумы. Основные методы, которые применяются для усиления слабого сигнала при низких уровнях освещенности включают в себя следующее:
- использование дополнительного источника освещения (больше света будет отражаться на матрицу видеокамеры),
- получение большего количества света (за счет большего раскрытия диафрагмы или увеличения времени накопления заряда в матрице),
- сокращение потерь света на его пути к матрице (за счет улучшения светопропускания оптических элементов перед матрицей – объектива и ИК-фильтра).
Для ослабления шумов используется аппаратный метод (схема шумоподавления) и программный метод (дополнительный алгоритм шумоподавления).
Принципы работы технологии Dahua Full-color
Для круглосуточного видеонаблюдения в цветном режиме компания Dahua Technology разработала собственную технологию Full-color. Были созданы две реализации этой технологии, одна из которых используется в видеокамерах без подсветки, а другая – в видеокамерах с теплой подсветкой. Эти реализации предназначены для разных сценариев применения.
В реализации технологии Full-color без подсветки не только усиливается сигнал, но и ослабляются шумы для получения цветного изображения при слабой освещенности. При этом применяется несколько методов улучшения сигнала – передовая матрица Ultra Starlight (большой размер пикселей, обратная засветка пикселей, высокий уровень внутреннего усиления сигнала пикселей) в сочетании с со светосильным объективом (увеличенное отверстие диафрагмы). Благодаря высокоэффективному алгоритму обработки изображений, разработчики сумели минимизировать шум и артефакты. Основное ограничение здесь накладывает текущий уровень развития программных и аппаратных технологий, поэтому такие видеокамеры без подсветки рекомендуется использовать в сценариях, где присутствует какое-то внешнее освещение, для получения более качественного изображения (в цвете, с низким уровнем шумов и без артефактов).
В другой реализации технологии Full-color используется светодиодная подсветка теплых тонов. При понижении освещенности до такого уровня, когда сигнал становится сопоставимым с шумами, видеокамера уже не сможет передать четкое изображение наблюдаемых объектов. В этот момент включается встроенная светодиодная подсветка, которая позволяет повысить уровень сигнала и улучшить соотношение сигнал/шум, после чего уже можно будет разглядеть объекты. Такая реализация технологии лучше всего подходит для сценариев применения с очень слабым освещением.
Далее рассматриваются основные технические аспекты технологии Dahua Full-color.
Матрица Ultra Starlight
Матрицы Ultra Starlight, которые используются в видеокамерах Dahua Full-color, имеют следующие возможности: большой размер пикселя, обратная засветка пикселей и высокий коэффициент преобразования при низких уровнях освещенности.
- Большой размер пикселя за счет увеличения площади фоточувствительной области позволяет получить больше света за то же время накопления заряда, чем пиксель обычного размера.
- Обратная засветка пикселей означает, что слой с металлической проводкой для считывания сигналов пикселей перемещен под светочувствительный слой. Такой конструктивный подход обеспечивает более полное использование падающего света и повышает эффективность светосильных объективов с большой диафрагмой.
- Высокий коэффициент преобразования падающего света в сигнал реализован за счет предусилителя, который находится в начале сигнальной цепи, что позволяет уменьшить влияние шумов, возникающих при последующем усилении сигнала и добиться более высокого отношения сигнал/шум.
Различие между прямой (слева) и обратной (справа) подсветкой
При прямой засветке, которая реализована в КМОП-матрицах с традиционной структурой, в верхней части матрицы находятся собирающие микролинзы, а металлическая проводка расположена между ними и фотодиодами (светочувствительным слоем). Часть света, падающего на матрицу под углом, блокируется этой проводкой, что значительно снижает общую светочувствительность.
В отличие от этого, в КМОП-матрицах с обратной засветкой микролинзы размещены сразу на поверхности плоской подложки и напрямую пропускают свет на фотодиоды. Поскольку свет не блокируется металлической проводкой, такой подход значительно улучшает светочувствительность и общую эффективность матрицы.
Светосильный объектив (большая диафрагма)
Компания Dahua Technology устанавливает в видеокамерах Full-color асферические гибридные объективы, в которых используется стекло и пластик, с большой диафрагмой F1.0. По сравнению с объективами с диафрагмой F1.6 они теоретически пропускают в 2.5 раза больше света. Чтобы эффективно использовать этот теоретически возросший световой поток на матрице, она должна быть с обратной засветкой, как матрицы Ultra Starlight, о которых говорилось в Разделе 2.1.
Диафрагма – это часть объектива, которая создает отверстие, через которое проходит свет. Увеличивая отверстие диафрагмы, мы вместе с тем увеличиваем и световой поток, проходящий через нее, что повышает светочувствительность видеокамеры и ее эффективность при низких уровнях освещенности. Обычно F-число (диафрагменное число) связано с эффективным (то есть с учетом потерь света в объективе) эффективным относительным отверстием диафрагмы будучи обратным ему. Таким образом, если относительное отверстие по определению – это отношение D/f, где f – фокусное расстояние, а D – диаметр отверстия диафрагмы, то F-число – это отношение f/D, поэтому чем меньше F-число (например, больше диаметр отверстия диафрагмы при равном фокусном расстоянии, тем больше), тем больше света пропускает диафрагма на матрицу видеокамеры.
Сложность производства объективов возрастают по мере увеличения отверстия диафрагмы, так как для нее требуется и большая площадь поверхности линзы и асферический профиль сечения линзы (в противном случае сильно возрастают сферические аберрации). Для решения этих проблем в объективах Dahua используются специальные линзы, при производстве которых применяется, как стекло, так и пластик. Эти объективы имеют ряд преимуществ, таких как хорошая коррекция аберраций, уменьшенные количество линз, длина и масса, а это экономит материалы и сокращает стоимость, а также улучшенное качество изображения (в том числе лучше ФПМ, линия пурпурных цветностей, ИК-коррекция и коррекция дисторсий).
Алгоритм шумоподавления 4.0
Чтобы уменьшить шумы, возникающие в процессе формирования и передачей видеокамерой изображения, Dahua Technology применяет собственный алгоритм шумоподавления версии 4.0, который полностью задействует двухмерную и трехмерную статистическую информацию. Благодаря этому удается уменьшить шумы и усилить полезный сигнал без внесения в него ложной информации. Это не только обеспечивает четкое цветное изображение ночью, но и лучше передает движущиеся объекты. В результате изображение получается четким, а уровень шума низким без видимого смазывания, что благоприятно сказывается на передаче динамичных сцен.
Светодиодная подсветка теплого спектра
Dahua Technology использует светодиодную подсветку теплого спектра с цветовой температурой 3000К, которая позволяет получить изображение в темноте и то же время не утомлять глаза.
Пик чувствительности колбочек в сетчатке человеческого глаза, которые задействованы в фотопическом (дневном) зрении, приходится на волны с длиной около 550 нм (желто-зеленая часть видимого спектра), тогда как чувствительность к синей и красной части спектра будет значительно ниже. По этой причине при одинаковом световом потоке (или одинаковой мощности источника освещения) человеческий глаз будет воспринимать свет, где преобладает желто-зеленый спектр как более яркий, чем свет с преобладанием синего спектра, и более эффективно реагировать на его избыток, закрывая зрачок. Соответственно, человеческий глаз будет получать больше света синего спектра, чем желто-зеленого, последний поэтому более безопасен для человека.
Относительная спектральная световая эффективность для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения
Примеры цветовой температуры различных источников освещения
Кроме того, светодиодная подсветка теплого спектра с цветовой температурой 3000К соответствует стандарту EN62471, который описывает фотобиологическую безопасность источников света для человеческого глаза.
EN62471 – это стандарт тестирования источников освещения, действующий в Евросоюзе, который в основном используется для оценки опасности светового излучения от различных источников. У белой подсветки необходимо контролировать яркость и уменьшить ее синюю спектральную составляющую, которая представляет собой наиболее высокоэнергетическую часть в видимом спектре и может проникать глубоко в сетчатку, вызывая атрофию и даже поражение пигментного эпителия сетчатки. Причем такие последствия необратимы. Белая подсветка теплого спектра с цветовой температурой 3000К соответствует требованиям стандарта EN62471, а ее синяя спектральная составляющая не представляет опасности для глаза человека.
Результат работы технологии Dahua Full-color
Съемка обычной видеокамерой
Съемка видеокамерой Dahua full-color
Выводы
Видеокамеры с технологией Dahua Full-color имеют очевидные преимущества перед обычными видеокамерами без этой технологии по таким параметрам, как яркость и цветность изображения, а также его детализация и могут обеспечить круглосуточное видеонаблюдение в цветном режиме. В условиях низкой освещенности наблюдаемой сцены, например на складе или ночью на улице, видеокамеры Dahua Full-color будут передавать четкое и полноцветное изображение. Преступники больше не смогут скрыться в темноте.
Оборудование Dahua есть в Каталоге ТСБ "ТД ТИНКО"
Наверх