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

Есть и еще один важный момент, касающийся разрешения ПЗС, это отсутствие непрерывности ТВ-линий. ТВ-линия, даваемая телекамерой с передающей трубкой, получается в результате непрерывного сканирования электронным лучом вдоль строки. ПЗС-матрица состоит из дискретных пикселов, и поэтому информация одной ТВ-линии состоит из дискретных значений, соответствующих каждому пикселу. Этот метод дает не цифровую информацию, а скорее дискретную выборку. Таким образом ПЗС-матрица — это оптическое устройство дискретизации.

Как и в случае других устройств дискретизации, мы не получаем полную информацию по каждой строке, только дискретные значения в позициях, соответствующих позициям пикселов.

Может показаться, что восстановить непрерывный сигнал из отдельных его частей невозможно. Однако в 1928 г. Найквист показал, что сигнал может быть реконструирован без потери информации, если частота дискретизации равна, по меньшей мере, двойной ширине спектра сигнала (Точнее, не менее, чем в два раза больше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. В России это положение называют теоремой Котельникова. Прим. ред.). Значения сигнала между выборочными точками знать не обязательно. Это важная теорема, доказанная и используемая во многих электронных устройствах дискретизации, CD-аудио, видео и др. Частота дискретизации, эквивалентная удвоенной ширине спектра, называется частотой Найквиста.

Есть, однако, и нежелательный побочный продукт ПЗС-дискретизации. Это хорошо известная муаровая картина, которая получается в случаях, когда снимается объект с более высоким разрешением. Обычно это хорошо видно, например, если диктор, ведущий программу новостей, наденет рубаху с очень мелким узором. Математически это соответствует случаю, когда максимальная частота приближается к частоте дискретизации. Поскольку пространственная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты оптического изображения F smax, мы можем представить ее в частотной области одним значением частоты в области частоты Найквиста F^^.

Пространственный спектр оптического сигнала основной полосы частот будет модулироваться в окрестностях этой частоты, что очень похоже на амплитудную модуляцию спектра боковых полос.

Если в оптическом изображении, спроецированном на ПЗС-матрицу, присутствуют высокие частоты и эти частоты выше половины частоты F NYQUIST, то боковые полосы (после дискретизации) наложатся на видимую основную полосу, и в результате мы увидим нежелательную картинку, муар. Муаровая частота ниже самой высокой частоты телекамеры F NYQUIST/2-F smax

Чтобы минимизировать этот эффект применяется низкочастотная оптическая фильтрация ( low-pass optical filtering , LPO). Фильтры обычно составляют часть стеклянной маски ПЗС-матрицы и формируются путем комбинирования нескольких двоякопреломляющих кварцевых пластин.

Эффект аналогичен размыванию ( blurring ) мелких деталей оптического изображения.

Рис. 5.31. ПЗС-матрица как устройство дискретизации

ПЗС-матрица из пикселов (разрешение немного ниже, чем у проецируемой на нее испытательной таблицы)

Шум в ПЗС-матрице имеет несколько источников. Самый значительный — это тепловой шум, в существенной степени он может быть вызван примесями в полупроводниках и недостатками процесса производства.

Высокий уровень шума снижает динамический диапазон фотоэлемента, что в свою очередь ухудшает качество изображения.

Тщательное проектирование ПЗС-устройств и точное изготовление позволяют снизить шумы. Низкая рабочая температура может снизить тепловые шумы. К сожалению, пользователь редко способен управлять этими параметрами.

Однако, существует метод обработки сигнала, позволяющий существенно уменьшить шум, и этот метод может быть реализован в конструкции ПЗС-камеры. Этот метод называется двойная коррелированная выборка (ДКВ). Термин выборка здесь относится к выборке выходного сигнала.

Концепция ДКВ основана на том факте, что в видеосигнале и опорном сигнале существует одна и та же шумовая компонента. А именно, когда выходной каскад ПЗС-матрицы переносит зарядовый пакет, он преобразуется в выходное напряжение. Для этого используется плавающая считывающая диффузия, чтобы собирать зарядовые пакеты сигнала при их переносе с ПЗС-матрицы. По мере переноса зарядовых пакетов напряжение на считывающей диффузии падает. Это напряжение представляет собой данные видеосигнала и усиливается на матрице усилителем с термокомпенсацией. Прежде чем следующий зарядовый пакет сможет быть перенесен в область диффузии, она должна быть полностью очищена от предыдущего пакета. Это выполняет опорный сигнал сброса, который содержит такую же компоненту теплового шума, что и видеосигнал матрицы. Если заранее сохранить эту компоненту шума, то потом ее легко вычесть из результирующего сигнала, который содержит шум и полезный сигнал.

ДКВ лучше всего работает при использовании двух быстродействующих цепей выборки и фиксации, подсоединенных к выходному сигналу фотоприемника через низкочастотный фильтр.

Мы не будем углубляться в архитектуру этих цепей, так как это выходит за рамки данной книги, но следует помнить, что схема ДКВ является частью электронной системы телекамеры, а не ПЗС-матрицы.

Рис. 5.33. Двойная коррелированная выборка — один из способов уменьшения шума в ПЗС-матрице

Основные задачи телекамеры — захват изображений, разбиение их на ряд неподвижных кадров и строк, передача и быстрое воспроизведение на экране, в результате чего человеческий глаз воспринимает их как движущееся изображение.

Выбирая телекамеру, мы должны принимать во внимание ряд характеристик. Некоторые из них очень важны, другие не очень, все зависит от применения.

Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятых из инструкции.