Pobierz
najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Matryce w kamerach telewizji dozorowej

Printer Friendly and PDF

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.

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.

Marcin Gierszner
Alpol

Zabezpieczenia 2/2008

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony