Często
niedocenianym lecz niezwykle ważnym elementem kamery telewizji dozorowej jest
jej matryca światłoczuła. To właśnie ona jest w dużej mierze odpowiedzialna za
jakość obrazu otrzymywanego z kamery. Podstawy technologii stosowanych w
dotychczasowych matrycach sięgają lat 70. XX wieku, nic zatem dziwnego, że to
właśnie matryce są obecnie najmocniej rozwijanym elementem kamer. Warto
przyjrzeć się, jakie poszczególne parametry matryc wpływają na jakość
otrzymywanych za ich pomocą obrazów.
artykuł sponsorowany
Czym
jest matryca?
Na
początek kilka słów o tym, czym jest i jak działa matryca światłoczuła. Matryca
to najczęściej krzemowa płytka zbudowana z elementów światłoczułych, zwanych
dla uproszczenia pikselami, wyłapująca światło w postaci padających na nią
fotonów. Ogniskowane są one na matrycy za pomocą mikrosoczewki umieszczonej
przed nią. Fotony w wyniku tzw. efektu fotoelektrycznego wewnętrznego powodują
uwolnienie elektronów (nośników ładunku), które są magazynowane w
kondensatorach. Im dłużej trwa ekspozycja, tym więcej elektronów zostanie
przechwyconych. Zgromadzone w ten sposób ładunki w danym przedziale czasowym,
po przeliczeniu informują o natężeniu światła padającego na poszczególne
piksele, co pozwala na określenie jasności dla każdego piksela i na tej
podstawie zbudowanie przez przetwornik analogowo-cyfrowy kompletnego obrazu
padającego na matrycę CCD. Warto zwrócić uwagę, że w ten sposób układ nie
otrzymuje żadnych informacji o kolorze danego piksela, dlatego przed matrycą
światłoczułą umieszcza się filtr barwny RGB. Problem uzyskania informacji o
kolorze został rozwiązany właśnie za pomocą wspomnianego filtru, który
powoduje, że na dany element światłoczuły (piksel) pada jedynie światło o
spektrum odpowiadającym konkretnej barwie (najczęściej czerwonej, niebieskiej
lub zielonej), co pozwala na określenie natężenia w danym miejscu konkretnej
barwy i zbudowanie kolorowego obrazu. Jest to jednocześnie jedna z przyczyn,
dla któtrych kamery kolorowe mają zazwyczaj niższą rozdzielczość niż kamery
czarno-białe. O tym jednak kilka słów poniżej.
Rodzaje
matryc
Większość
popularnych kamer wyposażona jest w matryce określane akronimami CCD
(Charge-Coupled Device) lub CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) mimo
tego, że w rzeczywistości skróty te odnoszą się jedynie do zastosowanych
technologii, a nie do samych matryc. Obie matryce wykorzystują to samo zjawisko
fotoelektryczne i działają na podobnej zasadzie, różnią się jednak sposobem
przetwarzania i dostępu do zarejestrowanego w danym pikselu natężenia. W
matrycach CMOS każdy piksel jest wyposażony w swój własny wzmacniacz oraz
rejestr odczytu i w każdej chwili elektronika może dowolną ilość razy odczytać
stan dowolnego piksela. W przypadku matryc CCD, nie posiadających własnych
wzmacniaczy i rejestrów, odczyt przeprowadzany jest wierszami bądź kolumnami,
dodatkowo z wyzerowaniem zmierzonych wartości. Z tego względu matryce CMOS są
szybsze od matryc CCD, charakteryzują się także znacznie mniejszym poborem
prądu. Koszt wytworzenia matrycy CMOS dzięki zastosowaniu popularnych produktów
półprzewodnikowych jest niższy niż koszt wytworzenia matrycy CCD. Dlaczego
jednak to właśnie matryce CCD są obecnie najczęściej stosowanymi elementami w
kamerach telewizji dozorowej?
Charakterystyczne
dla matryc CMOS jest to, że gorzej radzą sobie w warunkach słabego oświetlenia.
Dzieje się tak między innymi dlatego, iż część powierzchni matrycy jest zajęta
przez elektronikę. Dodatkowo wspomniana mała powierzchnia czynna tej matrycy
powoduje, że znacznie trudniej uzyskać w niej wysoką rozdzielczość niż ma to
miejsce w matrycach CCD o tym samym rozmiarze. Zwiększenie rozdzielczości i tym
samym liczby tranzystorów na matrycy CMOS przy zachowaniu jej rozmiaru
powoduje, że rejestruje ona coraz słabszy prąd, co zmniejsza jej czułość i
wpływa na zwiększenie szumów obrazu.
Ciekawym
rozwiązaniem, które pojawiło się stosunkowo niedawno na rynku kamer telewizji
dozorowej, są matryce Pixim określane akronimem DPS (Digital Pixel System). DPS
jest urządzeniem cyfrowym, analizującym rejestrowany obraz w odmienny od
dotychczasowego sposób. Światło padające na matrycę przy określonej ekspozycji
zostaje poddane wielokrotnemu próbkowaniu. W ten sposób ustalany jest
maksymalny czas ładowania pojedynczego piksela. System DPS magazynuje
informację o czasie potrzebnym do naładowania pojedynczego piksela wraz z jego
aktualną wartością i dalsze naświetlanie tego piksela, powodujące
prześwietlenie w klasycznych przetwornikach, nie ma już znaczenia, gdyż został
on już zmagazynowany. Dalsze „doświetlanie" ma znaczenie jedynie dla pikseli,
które jeszcze nie zostały dostatecznie naładowane. Można powiedzieć, że w
systemach Pixim DPS każdy piksel matrycy traktowany jest jak niezależna kamera,
która posiada własny czas ekspozycji. Sposób ten znacznie zwiększa zakres
dynamiki kamery, co pozwala na jednoczesne zarejestrowanie większej ilości
szczegółów obrazu w jasnych i ciemnych partiach obserwowanej sceny niż ma to
miejsce w klasycznych przetwornikach CCD i CMOS.
Rozmiary
matryc
W
kamerach telewizji dozorowej najczęściej stosowane są obecnie matryce o
wielkości 1/3" oraz 1/4". Dostępne są jednak także kamery z matrycami
o rozmiarze jednego cala, 1/2" oraz 2/3". Podstawowym elementem, na
który wpływa wielkość matrycy, jest rodzaj obiektywu zastosowanego w kamerze.
Obiektyw musi być dostosowany do wielkości matrycy w kamerze, dlatego
pozbawione sensu jest zastosowanie obiektywu przeznaczonego dla kamer 1/4"
w kamerach, w których wykorzystano matrycę o rozmiarze 1/3". Można
zastosować obiektyw przeznaczony dla kamer o większej matrycy w kamerach, w
których zastosowano mniejszą matrycę, jednakże zaowocuje to wyświetleniem
mniejszego fragmentu obrazu. Przykładowo, zastosowanie obiektywu o ogniskowej
2,8 mm w kamerze z przetwornikiem 1/3" pozwoli na obserwację szerszego
pola widzenia niż w przypadku zastosowania tego samego obiektywu w kamerze z
przetwornikiem 1/4".
Jaki
wpływ ma jednak wielkość zastosowanej w kamerze matrycy na jakość generowanego
przez nią obrazu? Jak już wcześniej zasygnalizowano, rozmiar matrycy ma
bezpośredni wpływ na jakość otrzymywanego z niej obrazu szczególnie w sytuacji,
kiedy na niewielkich rozmiarach matrycy chce się uzyskać jak największą
rozdzielczość, czyli umieścić jak najwięcej pojedynczych elementów
światłoczułych. Konieczność umieszczenia większej liczby elementów
światłoczułych w matrycach o mniejszym rozmiarze powoduje, że są one mniej
czułe na światło i jednocześnie generują większe szumy. Matryce o większym
rozmiarze pozwalają zatem na uzyskanie nie tylko większej rozdzielczości
obrazu, lecz także obrazu o lepszej jakości.
Elementy
optyczne przed matrycą
Nierozerwalnie
związane z matrycami są elementy optyczne umieszczone przed matrycą, w skrócie
zwane filtrami. Do najważniejszych zalicza się wspomniany na wstępie filtr
barwny zwany siatką Bayera, pozwalający na zmierzenie natężenia kolorów w
poszczególnych elementach światłoczułych i tym samym uzyskanie kolorowego
obrazu. Zastosowanie tego filtru jest jedną z przyczyn, dla których kamery
kolorowe często mają niższą rozdzielczość niż kamery czarno-białe. W wyniku
użycia filtru dla uzyskania informacji o kolorze jednego piksela obrazu
konieczne jest odczytanie natężenia w czterech elementach światłoczułych
(RGBG), dlatego też w matrycach kolorowych o wysokiej rozdzielczości stosuje
się znacznie więcej elementów światłoczułych niż w matrycach do kamer
czarno-białych.
Kolejnymi
filtrami umieszczanymi przed matrycą jest tzw. grupa filtrów dolnoprzepustowych,
do których zalicza się m.in. filtr podczerwieni. Światło w paśmie podczerwieni
niesie ze sobą w warunkach dziennych informacje powodujące powstawanie
niepotrzebnych zakłóceń w obrazie. Filtr odcina pasmo podczerwieni, pozwalając
na uzyskanie lepszej kolorystyki i jakości obrazu, powoduje jednak również
zmniejszenie ilości docierającego do matrycy światła, co zmniejsza jej czułość.
Dlatego też w przypadku kamer typu dzień/noc filtr ten może być automatycznie
odsuwany sprzed matrycy, co pozwala kamerze na zwiększenie czułości kosztem
jakości obrazu. Odsuwanie filtra umożliwia również zastosowanie doświetlaczy
typu IR, które w przypadku kamery posiadającej stały filtr podczerwieni nie
będą jednak działały. Najważniejszą rolą wszystkich filtrów dolnoprzepustowych
jest poprawienie jakości rejestrowanego obrazu w warunkach dziennych.
Poprawianie
jakości matryc
Proces
rozwoju matryc światłoczułych nie jest oczywiście zakończony. Wiele firm
stosuje unikatowe rozwiązania w celu poprawy jakości obrazu generowanego przez
przetworniki analogowo-cyfrowe. Pierwszym krokiem było stworzenie matryc typu
SUPER CCD, w których elementy światłoczułe miały postać kwadratów obróconych o
45 stopni, co pozwoliło na uzyskanie większej rozdzielczości. Firma Sony w
swoich przetwornikach stosuje technologię HAD (Hole Accumulation Diode)
pozwalającą na znaczną redukcję szumów w matrycach CCD i dokładniejsze
odzwierciedlenie kolorystyki. Jednocześnie trwają badania mające na celu
stworzenie nowych rodzajów matryc o wysokiej czułości na światło, a także
najmniejszych zakłóceniach. Powoli raczkuje także technologia Foveon X3, która
pozwala na rejestrację kolorowego obrazu za pomocą pojedynczego elementu
światłoczułego, co znacznie zwiększa rozdzielczość użytkową matryc. Matryce
pozostają sercem kamer i to one będą w przyszłości wyznaczały kierunek rozwoju
telewizji dozorowej.
