Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

Вначале микроэлектронная технология была не в состоянии создать элемент изображения (пиксел) на ПЗС-матрице меньший, чем поперечное сечение электронного луча. Это означает, что на заре технологии ПЗС-матриц их разрешение значительно отставало от разрешения трубок.

Однако очень скоро удалось повысить разрешение ПЗС-матриц, так что оно стало сравнимо с качеством телекамер с передающими трубками.

ПЗС — это прибор с зарядовой связью.

В 1970-х, когда появились первые персональные компьютеры, начались эксперименты с полупроводниковыми электронными компонентами — приборами с зарядовой связью — которые вначале предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств.

Очень скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнее использовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.

Основной принцип работы ПЗС заключается в сохранении информации электрических зарядов в фотоэлементах, а затем, когда потребуется, передаче этих зарядов на выходной каскад.

Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то концепция сдвига остается прежней, но вот вместо использования зарядовых пакетов для хранения цифровой информации (в случае, когда ПЗС-матрица служит запоминающим устройством), мы имеем фотоэлектронную генерацию электронов пропорционально количеству света, падающего на область формирования изображения, затем эти заряды сдвигаются вертикально и/или горизонтально так же, как сдвиговые регистры в цифровых схемах сдвигают двоичные значения.

Итак, зарядовые пакеты — как только они сформировались в фотоэлементах матрицы — «стекают» на выходной каскад при использовании методов зарядовой связи. Таким образом электрическая связь обеспечивается управлением напряжением и временем для каждой ячейки, называемой элементом изображения (пиксел).

Рис. 5.7. ПЗС-телекамера

Один из пионеров ПЗС-технологии, Гильберт Амелио, в своей статье, написанной в 1974 г., описывает зарядовую связь как «коллективный перенос всего мобильного электрического заряда, хранящегося на элементе полупроводниковой памяти на аналогичный сопряженный запоминающий элемент путем внешнего воздействия напряжением. Количество хранимого в мобильном пакете заряда может меняться в широких пределах в зависимости от приложенного напряжения и емкости запоминающих элементов. Величина электрического заряда в каждом пакете может представлять информацию».

ПЗС-чип может иметь либо линейную форму (линейный ПЗС), либо форму двумерной матрицы (ПЗС-матрица). Важно понимать, что они состоят из дискретных элементов (пикселов), но ПЗС-устройства не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел может содержать любое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, таким образом представляя аналоговую информацию.

Дискретные пакеты электронов переносятся (если время экспонирования закончилось) одновременным сдвигом рядов и столбцов пакетов на внешний каскад чипа. Поэтому мы и говорим, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами.

Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств, а только в качестве фотоприемников. Их можно найти во многих устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день: в факсимильных аппаратах, сканерах используются линейные ПЗС; во многих фотокамерах с автофокусом используются ПЗС-чипы автофокусировки; в географическом аэромониторинге, космическом зондировании планеты, промышленном обследовании материалов тоже применяются камеры с линейными ПЗС, и наконец, хотя это и не последнее, многие современные телевизионные камеры, как в широком телевещании, так и в системах видеонаблюдения, используют ПЗС-чипы.

ПЗС-телекамеры обладают многими преимуществами (конструктивными) перед телекамерами с передающими трубками, хотя, как ранее упоминалось, поначалу возникали трудности с разрешающей способностью. В наши дни технология достигла такого уровня, что высокое разрешение больше не проблема.

Рис. 5.8. Уже давно эти разные технологии выполняют одинаковую работу (телекамера с ПЗС-матрицей и телекамера с передающей трубкой)

Вот основные преимущества ПЗС-телекамер в сравнении с телекамерами на передающих трубках:

— очень низкая минимальная освещенность (для черно-белых до 1 лк на объекте);

— отсутствие геометрических искажений благодаря точной двумерной конструкции;

— низкое энергопотребление;

— не требуется высокое напряжение для ускорения луча;

— маленькие размеры;

— не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей;

— и самое важное неограниченное время жизни электронов, генерируемых фотоэффектом.

Рис. 5.9. Фотоны создают электроны в ПЗС-матрице

Рис. 5.10. Линейные ПЗС используются для получения фотографий со спутников

Как мы уже говорили раньше, ПЗС бывают всех форм и размеров, но основная классификация — это деление на линейные и двумерные матрицы. Линейные чипы используются в тех случаях, когда объекты движутся только в одном направлении (как в факсимильных аппаратах и сканерах).

В видеонаблюдении нас интересуют только двумерные матрицы, так называемые матрицы размеров 2/3", 1/2", 1/3".

Мы уже рассказывали, что эти размеры не представляют диагональные размеры матриц, как можно подумать, а соответствуют диаметрам передающих трубок, дающих такое же изображение.

Сравнение по чувствительности покажет нам преимущества ПЗС-матриц в отношении видикона и ньювикона, а также в отношении эмульсии пленки.

В фотографии чаще всего используется пленка в 100 ISO, хотя можно приобрести пленку в 200 ISO (в два раза более чувствительную) или 400 ISO (в четыре раза чувствительнее, чем пленка 100 ISO).

Иногда можно даже встретить пленку в 1600 ISO, которая обычно применяется в ситуациях чрезвычайно низкой освещенности (в терминах фотографии).

Можно показать, что средняя черно-белая ПЗС-матрица имеет очень высокую чувствительность в сравнении с эмульсией пленки. В ясный солнечный день для типичной пленки в 100 ISO потребуются установки фотокамеры на 1 /125 с и F/16. Если на ту же сцену направить ПЗС-телекамеру, у которой нормальная выдержка CCIR затвора составляет 1/50 с, то следует использовать объектив примерно с F/1000 (плюс-минус одно F-число, так как АРУ телекамеры тоже играет роль). Если мы изменим 1/50 на 1/125 (в 2.5 раза короче), то чтобы получить ту же экспозицию, объектив должен быть раскрыт на 2.5 значения F-числа шире, чтобы скомпенсировать сокращение времени выдержки. Это даст нам вместо F/1000 примерно F/400 (вы помните F-числа: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8,11,16, 22, 32, 44, 64, 88, 128, 180, 250, 360, 500, 720, 1000, 1400 и т. д.). Теперь, чтобы перевести чувствительность эмульсии пленки от 100 ISO 1/125 и F/16 к эквивалентным установкам пленки более высокой чувствительности, зная, что чувствительность увеличивается вдвое с удвоением единиц ISO, мы получим изменение диафрагменного числа в 9.5 раз, от F/16 до F/400. Это примерно 29.5 = 720 раз. Итак, средняя чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы, выраженная в фотографических единицах ISO, равна примерно 100 ISOx720 = 72 000 ISO!