в чем измеряется чувствительность сенсора
Всё об ISO: как работает чувствительность ISO?
ISO или уровень светочувствительности – это значение, определяющее чувствительность фотоплёнки или сенсора цифровой камеры к…
ISO или уровень светочувствительности – это значение, определяющее чувствительность фотоплёнки или сенсора цифровой камеры к свету. Его обозначение можно найти на катушке фотоплёнки или же в настройках цифровой камеры.
Чувствительность ISO
Так что же скрывается за этими буквами: ISO? На самом деле, ISO — аббревиатура, которая расшифровывается как International Standards Organization (Международная организация по стандартизации), а значение ISO наряду с выдержкой и значением диафрагмы – это три основных фактора, которые в итоге определяют экспозицию снимаемого кадра.
Значение ISO, которое колеблется в районе от 25 до 6400 (и более), указывает на конкретную светочувствительность. Чем ниже значение – тем менее чувствительна к свету плёнка или сенсор камеры. И наоборот: более высокое значение ISO указывает на высокую чувствительность к свету, что свидетельствует о том, что данная плёнка или камера пригодна для съёмки в условиях низкой освещённости.
Чувствительность ISO и шумы изображения
Во времена фотоплёнки, низкие значения ISO также означали, что концентрация светочувствительных кристаллов соли на поверхности плёнки очень высока, что позволяло получать более гладкое и чистое изображение. Чем выше было значение ISO, тем крупнее били кристаллы соли на пленке, что приводило к получению более грубых, зернистых изображений.
В современной цифровой фотографии действует тот же принцип: чем ниже значение ISO, тем меньше чувствительность сенсора камеры и, следовательно, плавнее получаемое изображение, поскольку уровень цифрового шума ниже.
Чем выше значение ISO (выше светочувствительность) тем больше усилий должен приложить сенсор для получения качественного изображения, поскольку ему будет необходимо бороться с большим количеством цифрового шума (всем известные разноцветные крапинки в тенях и полутонах).
Так что же такое цифровой шум? Это любой световой сигнал, порождённый не объектом съёмки и, следовательно, создающий на изображении случайный цвет.
Конструкторы современных цифровых камер разработали сенсоры, позволяющие получать отличные изображения на самых низких значениях ISO. На большинстве цифровых камер минимальный порог чувствительности ISO составляет 100, хотя некоторые топовые и профессиональные камеры способны снимать с чувствительностью ISO 50 и даже ISO 25.
Есть еще одна вещь, которую вам будет полезно узнать о зернистости изображения. В нецифровой фотографии многие фотографы нашли творческий способ использования зернистости изображения для придания изображению своеобразного тона и настроения. К сожалению, цифровой шум имеет иную природу – он проявляется в виде хаотичных скоплений цветных точек – и его художественное использование маловероятно. Тем не менее, некоторые фотографы нашли оригинальные творческие решения для использования цифрового шума.
Чувствительность ISO и Размытие в движении
Съёмка на низких значениях ISO позволяет получить качественные и эстетически привлекательные изображения с точной цветопередачей, однако, она требует идеальных условий освещения.
Тем не менее, существуют вещи, которые вы хотели бы сфотографировать в условиях низкой освещённости. Или же вы можете захотеть запечатлеть быстродвижущийся объект, например, колибри, скачущую лошадь или движущуюся карусель. В обеих ситуациях для захвата подобных предметов с приемлемой экспозицией, вам потребуются более высокие значения ISO.
В отличие от плёночного фотоаппарата, используя цифровую камеру, вы можете изменить чувствительность ISO нажатием всего лишь одной кнопки, эта гибкость позволяет вам гораздо легче получить желаемое изображение.
Так, с высоким ISO вы можете использовать более короткие выдержки, чтобы устранить размытость изображения и/или дрожания фотокамеры. В случае, если вы хотите использовать творческое размытие изображения, то, просто уменьшая чувствительность ISO, вы можете уменьшить выдержку (до значений меньше 1/30 сек), тем самым получить размытое изображение движущихся объектов, при этом сведя количество шумов к минимуму.
Чувствительность ISO и размер сенсора камеры
От размера сенсора цифровой камеры напрямую зависит – насколько низким будет уровень шумов при тех или иных параметрах ISO.
Следует понимать, что размер сенсора – это не то же самое, что количество мегапикселей. Размер сенсора – это его фактические физические размеры. На протяжении большей части истории цифровой фотографии, размер сенсоров цифровых камер был меньше, размера кадра 35-мм плёнки. На цифровых «мыльницах» сенсор был очень маленьким (да и продолжает оставаться таковым), а на большинстве цифровых зеркалок размер сенсора равнялся размеру кадра APC-фотоплёнки (23×15 мм).
Сенсоры меньшего размера производят гораздо больше шума на высоких значениях ISO (800 и выше), главным образом, потому, что высокое количество пикселей, размещённых на небольшой площади, производят больше зерна на всех значениях ISO, исключая самые низкие.
В настоящее время многие производители цифровых зеркальных камер выпускают сенсоры того же размера, что и размер кадра 35-мм фотопленки (так называемые Full Frame или полнокадровые).
Чем больше размер сенсора, тем большее число пикселей может быть размещено на нём, без ущерба для качества изображения вплоть до ISO 1600 (для некоторых камер). На полнокадровом сенсоре более крупные пиксели индивидуально более чувствительны к свету, так что электрическая энергия, необходимая для имитации ISO 800 не создает такое же количество шума, как в случае сенсоров меньшего размера. Поэтому полнокадровые камеры способны захватывать динамичные и эффектные изображения без большого количества цифрового шума даже в условиях низкой освещенности.
Чувствительность ISO и качество изображения
Важно помнить, что чем ниже значение ISO – тем лучше будет качество изображения.
Большинство цифровых камер по умолчанию имеют параметр «Auto ISO», а это уменьшает ваш контроль над качеством изображения, поскольку камера может автоматически установить более высокое значение ISO, что приведет к возникновению большого количества шума, в то время как, более низкое значение чувствительности ISO, установленное вручную, могло бы дать более качественное изображение.
Увеличение ISO влияет на качество изображения по двум основным направлениям:
Рекомендуемые настройки
Как мы писали выше, чем ниже значение ISO, тем более качественными, гладкими и эстетически привлекательными будут ваши изображения.
Значения ISO от 100 до 200 даст вам наилучшие результаты. А если размер сенсора вашей камеры позволяет, то ваши фотографии будут оставаться таковыми и до ISO 400 сохраняя возможность крупноразмерной печати (от 20×24 и выше).
Заключение
При съёмке любого изображения важно учитывать светочувствительность сенсора камеры (ISO), поскольку, чем ниже ISO, тем более гладкое изображение с минимальным количеством шумов вы получите.
Учитывать светочувствительность сенсора важно и при подготовке к съёмке. Например, для того, чтобы снимать на максимально низком значении ISO, вам могут понадобиться дополнительные источники света.
Поэтому, когда вы столкнулись с неблагоприятными условиями освещения (т.е. низкой освещенностью или высокой контрастностью освещения) или вам требуется использовать более короткую выдержку, вам стоит пожертвовать гладкостью изображения, доступной на низких ISO, и сделать снимок с более высоким значением ISO.
Другими словами, лучше увеличить ISO и бороться с последствиями этого, чем не сделать снимок.
Больше полезной информации и новостей в нашем Telegram-канале «Уроки и секреты фотографии». Подписывайся! Читайте нас на Яндекс.Дзен «Секреты и хитрости фотографии».
Главное о сенсорах
Свет проходит через объектив, затвор открывается, и момент зафиксирован на сенсоре камеры. Этот чип жизненно важен в процессе создания цифровых изображений. Однако вы, возможно, имеете довольно слабое представление о том, как это все работает. Если вы хотите рассеять магию работы вашей цифровой SLR, можете остановить свои поиски на сегодняшней статье о сенсорах фотоаппаратов.
Мегапиксели и разрешение
Если существует вещь, которую среднестатистический пользователь камеры знает о сенсоре, это количество мегапикселей. Так любимое начинающими, число мегапикселей на сенсоре камеры определяет объем данных, которые могут быть ею зафиксированы.
Мегапиксели – значимый показатель возможностей сенсора камеры, но больше мегапикселей – не всегда лучше. Одна из причин того, что компании имеют некоторое ограничение в числе мегапикселей, которые они могут поместить в сенсор, это то, что большее количество мегапикселей обычно приводит к более высокому уровню шума.
Существует также закон убывающей отдачи. Цифровые фотоаппараты были в состоянии производить отпечатки большого размера в течение многих лет с 6 или меньшим количеством мегапикселей. Эта ситуация не собирается меняться – любая камера, которую вы собираетесь приобрести сегодня, дает возможность получать большие отпечатки.
Однако перед тем как переходить на 18-мегапиксельную камеру, спросите себя, зачем вам нужно такое большое разрешение. В то время как профессионалы могут нуждаться в огромном разрешении для своих целей, если вы только начинаете свой путь в фотографии, не покупайтесь на миф о мегапикселях.
Не поймите меня неправильно, дополнительное разрешение замечательно для дальнейшей выкадровки. Просто не покупайте одну камеру за другой только лишь из-за мегапикселей. И наконец, мегапиксели отображают лишь одну из возможностей камеры.
Шум и чувствительность сенсора
Пункт «ISO» в меню камеры служит для настройки чувствительности сенсора к свету. В дни пленочных камер, понятие ISO было связано с пленкой, которую вы заправляете в камеру, и значение это не может быть изменено, пока вы не доснимаете катушку пленки. Цифровые сенсоры имеют преимущество в плане возможности настройки от кадра к кадру.
Вы, вероятно, знаете, что когда вы фотографируете в условиях слабого освещения, вам стоит увеличить ISO, чтобы иметь возможность снимать на приемлемой выдержке. Друг однажды спросил меня, почему, если высокие ISO позволяют фиксировать больше света, мы не снимаем всегда на самом высоком из возможных значений ISO? Не даст ли это тот же эффект, что и супер-быстрый объектив и длинная выдержка?
Он был прав, задав этот вопрос – по факту, увеличение ISO действительно увеличивает гибкость выбора выдержки и диафрагмы. Однако за все надо платить. Сенсор камеры работает лучше всего на самом низком значении ISO. Именно на нем вы сможете получить самые лучшие цвета, самый низкий уровень шума и самое лучшее качество всего изображения.
Шум, в целом, это эквивалент пленочного зерна в цифровую эру. Это те маленькие забавные точечки, которые вы видите, в особенности на темных снимках. Я провел тест на моем Nikon D300, чтобы вы могли увидеть разницу между значениями ISO.
Когда значение ISO увеличивается, может вырасти также уровень шума и ухудшиться общее качество изображения.
Характеристики ISO варьируются от сенсора к сенсору. Одно из самых серьезных достижений современных фото-технологий состоит в обеспечении прекрасных показателей высоких ISO в новых камерах. Вчерашние ISO 400 совпадают по качеству с сегодняшними ISO 800. Границы работы в условиях слабого света продолжают подниматься до уровней, которые ранее были недостижимы.
Размер сенсора
Не все сенсоры камер устроены одинаково. Каждая компания использует свои собственные технологии и спецификации в разработке новейших сенсоров для новейших камер. Используемые спецификации оказывают огромное влияние на общее качество сенсора и, в итоге, на изображения, которые можно получить с его помощью.
Один из главных факторов, определяющих качество изображения, это физический размер сенсора. Именно поэтому цифровые зеркальные камеры позволяют получать, в общем случае, лучшие изображения, чем большинство «мыльниц». Размер сенсора в карманной камере – просто часть размера его коллеги в SLR-камере. Обычно большие сенсоры выдают лучшие показатели в ситуациях, требующих высоких ISO – эффект, который может быть подтвержден при сравнении «мыльниц» с DSLR даже начального уровня.
Вы также могли уже слышать об эффекте под названием «кроп-фактор». Этот термин помогает нам описать размер сенсора камеры относительно «стандартного» размера. Что такое стандартный размер? Точкой отсчета принято считать полнокадровый («full frame») сенсор, который имеет тот же размер, что и кадр в 35мм пленке. Любой сенсор меньше полнокадрового – с кроп-фактором.
Хотите верьте, хотите нет, но существуют сенсоры, по размеру большие, чем 35мм «полный кадр». Цифровой средний формат – развивающаяся область, востребованная предметными и студийными фотографами за огромное разрешение, которое такие сенсоры могут обеспечить. Phase One сейчас предлагает среднеформатную 80-мегапиксельную камеру, и ее конкуренты, такие как Mamiya и Hasselblad, очевидно, не собираются отставать.
Как работает сенсор?
Сегодня сенсоры цифровые. Раньше роль сенсора выполняла пленка. И то, и другое – носители, на которые записываются изображения. Объектив плюс некий тип сенсора – это базовое условие для создания изображения. В камере есть еще множество частей, но два этих элемента – ключевые для создания картинки.
CCD-матрицы работают путем передачи электрического заряда и конвертирования его в цифровой сигнал. CMOS-матрицы используют красный, зеленый и синий фильтры и пропускают данные через металлическую проводку на фотодиоды. Большинство современных сенсоров – CMOS. CCD-матрицы, похоже, достигли своих технологических пределов, и в новых камерах встречаются реже.
В довесок к распространенным CCD и CMOS сенсорам, Sigma разработала собственный тип матрицы, названный «Foveon», что вызвало определенный ажиотаж. Используя запатентованную технологию, Sigma утверждает, что их новая камера SD1 будет способна создавать 46-мегапиксельные изображения на сенсоре размерности APS-C. Это достигается при помощи трехслойной матрицы, в которой каждый слой отвечает за 15.3 мегапикселя.
Некоторые оспаривают справедливость такого амбициозного утверждения, и пока камера не выпущена, судьи ждут. Но сенсор «Foveon» существует уже несколько лет, и другие камеры (с меньшим разрешением) его используют. Вы можете провести исследование и посмотреть, насколько вам понравятся результаты с этого сенсора.
Сенсор «Foveon» от компании Sigma претендует на ультра-высокие показатели разрешения за счет своей уникальной «слоистой» технологии.
Уход за сенсором
Вы заметили черные точки на своих фотографиях? Возможно, во время съемки пейзажей вы отметили небольшие темные области на ясном небе. Вы, конечно, можете легко убрать их при помощи штампа в Photoshop, но то, что вы видите, это пылинки на сенсоре. Точнее, частицы пыли на фильтре на поверхности сенсора.
Это, конечно, не большая проблема, но они раздражают, так что вы можете захотеть что-нибудь с ними сделать. Есть пара шагов, которые можно предпринять, чтобы очистить ваш сенсор от пыльных «зайчиков». Первая вещь, которую я бы рекомендовал, это использование воздушной груши типа «Rocket Blower», ей можно просто сдуть пыль с сенсора. Это вообще отличный инструмент, который стоит держать под рукой для очистки любого фотооборудования.
Чтобы использовать Rocket Blower, для начала переведите вашу камеру в режим ручной выдержки (bulb, B). В этом режиме нажатие кнопки спуска открывает затвор для проведения экспонирования и оставляет его в таком положении до повторного нажатия. Это позволяет получить доступ к обычно защищенному сенсору. После того, как зеркало поднято, используйте воздушную грушу, нажав на нее несколько раз и направляя поток воздуха на область сенсора. Если вы при этом будете держать камеру «вверх ногами», это гарантирует вам то, что сила притяжения сыграет свою роль в удалении пылинок.
Воздушная груша Rocket Blower – отличный инструмент для очистки сенсора.
Альтернативный метод состоит в «контактной» очистке, иначе говоря, это метод чистки, при котором вы касаетесь сенсора, чтобы удалить пыль и частички грязи. Этот тип очистки обычно используется, когда загрязнение более серьезное. Есть ряд методик, от работы с кисточками для сенсора до применения жидких растворов.
Помните, что серьезные профессионалы могут наругаться на вас за очистку этим способом. Использование ручной выдержки означает, что сенсор работает, а заряженные сенсоры (особенно CCD сенсор) действительно притягивают пыль. Чтобы «правильно» очистить вашу камеру, обратитесь к руководству по эксплуатации. Обычно существует некий режим очистки, который позволяет получить доступ к сенсору, когда он выключен, хотя, возможно, вам понадобится купить специальное устройство. Помня обо всем этом, я очищал мои сенсоры, пользуясь вышеуказанным методом, годами, без заметных негативных эффектов.
Когда моя камера нуждается в более серьезной чистке, я просто отправляю ее в сервис. Не стоит рисковать вашей камерой, пытаясь разобрать ее в домашних условиях.
Заключение
Сенсор в цифровых камерах совершил революцию в фотографии. Технология, кажется, улучшается каждый день, и кто знает, что станет возможным в следующие несколько лет? В последние 10 лет, как мы видим, цифровой сенсор стал частью повседневной жизни, а в следующие несколько лет могут быть произведены поразительные улучшения в характеристиках ISO и повышении качества изображения.
Автор статьи: Andrew Childress
Оценка чувствительности видеокамер: «маленькие хитрости» производителей
Николай Чура
Технический консультант компании «Фирма «Видеоскан»
Особенно сложной стало достижение высокой чувствительности видеокамеры с минимизацией форматов матриц (сенсоров) при одновременном росте разрешения изображения (числа пикселей). Тотальный переход с технологии CCD на более эффективную и экономичную CMOS только усугубил эти проблемы.
Типовое нормирование чувствительности видеокамер
Традиционно чувствительность камер наблюдения нормируется величиной освещенности на матрице или на объекте для получения определенного уровня видеосигнала. Обычно это 50 или 30 IRE (50 или 30%) от номинального уровня 100 IRE, эквивалентного 0,7 В при стандартном значении синхроимпульсов 0,3 В. При этом предполагается, что черные и белые полосы измерительной таблицы имеют коэффициенты отражения не более 0,1 и не менее 0,9 соответственно. При нормировании чувствительности на объекте необходимо указать относительное отверстие или F-число используемого объектива. Обычно величины чувствительности для матрицы и объекта различаются почти на порядок.
В мировой практике более популярной является характеристика минимальной освещенности, при которой камера обеспечивает заданное качество изображения или то, о чем упоминалось выше. В первом приближении эту характеристику можно считать эквивалентной чувствительности, которая была более популярна в российской индустрии видеонаблюдения, особенно в первые 10–15 лет ее развития.
Источник освещения и ИК-коррекция
Самое главное – чувствительность оценивалась при освещении объекта лампами накаливания с цветовой температурой 3200 К и обязательным использованием на матрице или объективе срезающего ИК-фильтра. Для традиционного телевидения это называлось ИК-коррекцией и обеспечивало высокую четкость типовой оптики и стандартную цветопередачу цветного изображения.
Можно обратить внимание на то, что термин «ИК-коррекция» в последнее десятилетие поменял свое значение на противоположное. Теперь он означает именно расширение спектрального диапазона чувствительности в ИК-область освещения как для камеры, так и для оптики.
Для аналоговых камер оценить чувствительность достаточно просто, имея типовой осциллограф с полосой 5–10 МГц и кустарную таблицу с вертикальными полосами, выполненными черной тушью на ватмане.
С переходом на цифровые системы IP, HD-SDI и EX-SDI понятие уровня сигнала как критерия яркости и контраста изображения потеряло смысл. Теперь эти параметры можно оценить только с помощью специального оборудования. Оценка же изображения визуально по монитору на видеовыходе системы чревата ошибками из-за влияния амплитудной характеристики тракта и субъективности оценки контраста таблицы, даже при использовании фотометрических устройств для оценки яркости фрагментов изображения.
Современные проблемы с представлением чувствительности
Со временем важнейшие условия оценки и нормирования чувствительности стали игнорироваться. Например, не всегда указывается уровень получаемого сигнала при 90% модуляции и F-число объектива. Достаточно часто дается чувствительность камеры при включенной автоматической регулировке усиления (АРУ) при одновременном отсутствии данных о ее максимальной глубине.
Широко известные и популярные в свое время камеры Vatec также нормировались по чувствительности с включенной АРУ. Однако каждому значению переключаемой максимальной АРУ давался свой конкретный показатель чувствительности.
Зачастую в современных камерах по умолчанию используется небольшое накопление по времени (DSS x 2–4), к тому же не всегда отключаемое. И это, к сожалению, подчас не находит отражение в технических характеристиках. Многие владельцы смартфонов хорошо знакомы с эффектом накопления, когда при недостаточном освещении изображение от камеры смазывается как при движении объекта, так и при смещении самого гаджета.
Эти «маленькие хитрости» позволяют увеличивать заявляемое значение чувствительности или минимальной рабочей освещенности видеокамеры. Разумеется, в данном процессе самым мощным средством является стремление менеджмента представить свой товар лучше прочих. И здесь пределов практически нет. Мы уже добрались до десятитысячных и стотысячных долей люкса.
Объективные причины завышения чувствительности
Еще в конце 1990-х гг. ряд российских специалистов (еще советской школы и опыта ВПК) во многих публикациях убедительно показали, что даже при заявленной чувствительности порядка 0,01 лк на типовой тогда пиксель от 70 кв. мкм (1/2″) до 40 кв. мкм (1/3″) могло приходиться не более нескольких фотонов. А ведь уже в то время квантовая эффективность фотоприемников была практически максимально возможной. Площадь же пикселей с ростом разрешения и уменьшением форматов только сокращалась и сейчас редко превышает 9 или даже 2 кв. мкм. Конечно, оптимизация конструкции матрицы (HAD, Super HAD и Exview HAD в CCD и Exmor, BSI или STARVIS в CMOS) несколько увеличила эффективность преобразования света в электрический сигнал. Но здесь речь может идти о разах, а не о порядках. Это подтверждают величины удельных чувствительностей матриц для разных технологий, полученные расчетным путем из данных производителей сенсоров и представленные в таблице.
Основной фактор увеличения чувствительности сенсоров и телекамер
Современный выигрыш в чувствительности мы должны отнести в основном за счет расширения спектрального диапазона в область ИК-излучения. И здесь нет смысла говорить о видимом свете и освещенности в люксах. При этом мы использовали несколько противоречивое сочетание «видимый свет», поскольку свет может быть только видимым.
Более того, все светотехнические единицы жестко привязаны к реакции человеческого глаза, а значит и к его спектральной характеристике чувствительности или кривой видности глаза. Соответственно, измеритель освещенности должен иметь (и, как правило, имеет) близкую глазу спектральную характеристику.
На заре развития телевидения аналоговые люксметры редко имели нижний диапазон измерения освещенности менее нескольких люксов, в результате и чувствительность не превышала десятых долей люкса. Изготавливались подобные люксметры на основе селеновых фотоэлементов. Спектральная характеристика их чувствительности в целом была подобна кривой видности глаза и если и требовала коррекции, то лишь в области ближнего ультрафиолета. Это видно на рис. 1. Применялись подобные приборы в основном для оценки освещенности на рабочих местах или на телевидении и в кинематографе, где требуемые освещенности достаточно велики.
Прямая оценка чувствительности типовым методом
При прямой оценке чувствительности все более усовершенствованных видеокамер применялись нейтральные стеклянные светофильтры серии НС, чтобы снизить освещенность матрицы до требуемых предельных значений. Однако указанные светофильтры нормированы по пропусканию света исключительно в видимом диапазоне. Это наглядно видно по типовым характеристикам пропускания этих фильтров, приведенных на рис 2.
Нас интересует прежде всего ближняя ИК-область до 1000 нм практической границы чувствительности телекамер. На графиках наглядно показано, что поглощение фильтров для излучения более 700 нм существенно уменьшается. (Как, впрочем, и в ближнем ультрафиолетовом диапазоне выше 400 нм.) Именно этот эффект, по мнению уже упомянутых специалистов, был причиной совершенно нереального завышения чувствительности или минимальной освещенности для камер наблюдения. Другими словами, чувствительность в люксах на самом деле соответствует комплексной чувствительности в люксах (видимый диапазон) и в ваттах на единицу площади для ближнего ИК-диапазона.
Изображение от ИК или видимого света: какая разница?
Потребителю, строго говоря, неважно, каким излучением (видимым или ИК) строится изображение, особенно если это изображение черно-белое. А в современных камерах при недостаточной освещенности оно почти всегда черно-белое благодаря режиму «день/ночь». Естественно, предполагается, что это режим с подвижным срезающим ИК-фильтром (ICR или IRC). К счастью, из-за существенного упрощения и удешевления подобных устройств такой режим применяется почти повсеместно, за исключением разве что совсем миниатюрных камер.
Однако при использовании камер с чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне подразумевается, что данное излучение присутствует. При ИК-подсветке, отдельной или встроенной, это обеспечивает большую дальность наблюдения.
Кстати, в технических характеристиках видеокамер можно встретить нулевую чувствительность или минимальную освещенность. Если в первом случае это полный абсурд, поскольку чувствительность является внутренним параметром камеры, которым она обладает и с закрытой крышкой объектива, то во втором это говорит о наличии собственной подсветки, для которой всегда должна указываться дальность наблюдения.
Всегда ли помогает ИК-чувствительность?
При естественных условиях наличие ИК-чувствительности проявляется несколько иначе в связи с недостаточной интенсивностью природного фонового ИК-излучения. Реальным единственным источником света в ночных условиях можно считать только Луну с отраженным солнечным светом.
При этом освещенность варьируется в зависимости от фазы Луны, географического места и погодных условий. Изменения максимальной освещенности от фазы Луны представлены на рис. 3, а спектральный состав – на рис. 4. Примечательно, что в основном это излучение является видимым.
В городах, а теперь и в небольших населенных пунктах можно рассчитывать на рассеянное уличное освещение. Однако в настоящее время произошло существенное изменение типов осветителей. Практически перестали применяться тепловые источники (лампы накаливания и галогенные осветители), которые одновременно являлись мощными источниками ИК-излучения. Повсеместно стали использоваться газоразрядные осветители (ртутные, натриевые, металлогалогеновые и ксеноновые лампы). Все более широко устанавливаются светодиодные осветители и прожекторы, а все эти устройства почти полностью лишены ИК-составляющей в излучении. Поэтому ИК-чувствительность в видеокамере не будет использована. Для справки на рис. 5 приведены примерные спектры вышеупомянутых осветителей.
К сожалению, чувствительность видеокамеры наблюдения в ИК-области, если она не имеет встроенную ИК-подсветку, совершенно неизвестна пользователю и упоминается в характеристиках на уровне «есть/нет».
Как при прямых измерениях можно сильно ошибиться
Многие современные производители, приводя величины чувствительности или минимальной освещенности, исходят из прямых экспериментальных измерений освещенности. Они производятся чувствительным цифровым люксметром, поэтому проблемы с неравномерным пропусканием фильтров уже не могут влиять на результаты. Но остается все тот же источник освещения – лампа накаливания. Причем для регулировки освещенности используется типовой диммер, изменяющий средний ток накала ламп. Инфракрасная составляющая, естественно, весьма высока. В конечном итоге типовая лампочка отдает в видимый свет лишь 4%, а спектральный максимум излучения лежит в диапазоне от 943 нм для типовых ламп накаливания с температурой 2800 °С до 885 нм для галогеновых ламп. Понятно, что все эти осветители являются «позавчерашним днем». Однако чувствительность сенсоров до сих пор указывается для тепловых источников света с температурой 3200 К. По всей видимости, это удобнее, учитывая большую любовь производителей сенсоров и камер к инфракрасному диапазону, когда он описывается люксами.
Для примера на рис. 6 приведено изображение стоп-кадра, полученного на испытаниях видеокамеры известного южнокорейского бренда. Внизу монитора расположен цифровой люксметр, датчик которого размещен рядом с телевизионной таблицей, видной на экране монитора. Таблица установлена в темной комнате и освещается регулируемыми с помощью диммера лампами накаливания. Этот видеоматериал должен был доказать реальность полученной чувствительности в тысячные доли люкса.
Для сравнения на рис. 7 показаны изображения от подобной видеокамеры (CMOS FullHD), размещенной в темной камере. Освещение обеспечивается регулируемым светодиодным осветителем, совершенно лишенным ИК-составляющей. Видеокамера, как и в предыдущем опыте, работает с включенной АРУ. Первое изображение сделано при освещенности 4,6 лк, второе – при 0,4 лк. Очевидно, что освещенность в десятые доли «реального» люкса явно недостаточна для получения удовлетворительного изображения.
В следующей статье мы рассмотрим, как были получены эти результаты и какие парадоксы могут нас ожидать при переходе с формата SD на HD и FullHD.
Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2018
Как уже отмечалось в первой части статьи, мы практически повсеместно наблюдаем совершенно нереальные значения заявленной чувствительности или минимальной рабочей освещенности для камер видеонаблюдения. Это обусловлено наличием у видеокамер наблюдения чувствительности в ближнем инфракрасном диапазоне и использованием для тестирования тепловых источников освещения (ламп накаливания). Причем такое положение вещей справедливо как для старой методики с малочувствительными люксметрами и нейтральными фильтрами, так и для современных прямых измерений с использованием высокочувствительных люксметров.
Поставщики и продавцы вносят свою лепту в улучшение «бумажных» параметров видеокамер. Неотключаемая АРУ, ИК-чувствительность в цветном режиме, неопределенный критерий качества изображения при минимальной освещенности и т.п. помогают этому.
Расширение фотоприема в ИК-область как важнейший фактор роста чувствительности
Усилия и успехи разработчиков видеосенсоров существенно увеличили эффективность использования света и снизили шум считывания. Несмотря на уменьшение площади чувствительных элементов при росте разрешения, чувствительность сенсоров если и упала, то незначительно. Фактически это результат оптимизации архитектуры CMOS-матрицы, обратной засветки (BSI), приближение к самой светочувствительной площадке преобразователей аналогового сигнала в цифровой с одновременным ростом уровней квантования до 10 и даже 12 бит. На горизонте уже мелькает квантование в 14 бит. Кроме того, прямой переход на цифровой сигнал позволил увеличить гибкость управления процессом накопления и усиления непосредственно на каждом пикселе. Именно этим отличаются последние разработки CMOS-сенсоров, позволяющие реализовать аппаратный WDR до четырех отдельных полей накопления за кадр.
Вместе с тем практически десятикратное (6–16 раз) снижение площади пикселя CMOS-сенсоров FullHD и тем более 4К при одновременных технологических ухищрениях не могло не сказаться на снижении чувствительности видеосенсоров. Можно считать, что важнейшим фактором ее увеличения, наряду с приведенными выше приемами, явилось расширение спектрального диапазона чувствительности в ближний ИК-диапазон. Для последних технологий CMOS можно наблюдать даже перемещения максимума с центра видимого диапазона (550 нм) в область 800 нм, что наглядно видно на рис. 1. Примечательно, что именно здесь работает основная масса ИК-осветителей (850 нм), особенно встроенного типа. Это можно понять по семейству спектральных характеристик сенсоров различных типов и технологий. На указанном рисунке приведены обобщенные спектральные характеристики чувствительности CCD и CMOS производства SONY для черно-белого режима.
Кстати, увеличение чувствительности за счет все большего использования видения в ближнем ИК-диапазоне излучения вполне терпимо для черно-белого ночного режима. Однако соблазн высокой чувствительности в цветном режиме чреват недопустимыми цветовыми искажениями. Имея механический ИК-фильтр (ICR или IRC), можно получать адекватное дневное цветное изображение и «раскрашенное» изображение при малой освещенности, когда отличная цветопередача может рассматриваться как роскошь.
Пример рекламных достижений производителей
Для иллюстрации усилий производителей, желающих показать положение дел несколько лучше реального, приведем как пример новую технологию с обратной засветкой (BSI) от SONY – STARVIS. Заявлена феноменальная удельная чувствительность 2000 мВ/кв. мкм. Безусловно, цифра красивая. Но вместо типового времени накопления 30 мс указано время в 1 с. А это значит, что в сравнении с другими продуктами, нормируемыми при 30 мс, нужно ориентироваться на удельную чувствительность в 33 раза меньше, то есть 60 мВ/кв. мкм. Конечно, для сенсора CMOS это много, но матрица около 1/3″ FullHD с пикселем 2,5х2,5 кв. мкм будет иметь чувствительность около 375 мВ, что не так много по сравнению с типовой матрицей 1/3″ CCD Exview HAD II с чувствительностью 2500 мВ. Другими словами, все равно приходится платить чувствительностью за разрешение. И с учетом даже большей чувствительности в ИК-диапазоне здесь нет смысла говорить о люксах.
Дополнительное оборудование для реальной оценки чувствительности
Стремление хотя бы приблизительно оценить реальные параметры различных моделей камер при разных применяемых технологиях сенсоров от разных производителей привело к созданию стенда с различными и контролируемыми условиями освещения.
Стенд представляет собой камеру, полностью изолированную от внешнего освещения. В ней размещены различные источники неизменяемого и регулируемого освещения, обеспечивающего подсветку объектов наблюдения. В таблице приведены параметры используемых осветителей.
Освещенность измерена в плоскости телевизионной таблицы в темной камере. В качестве объектов наблюдения используются телевизионная таблица, 3-элементная мира и кукла с цветными фрагментами, имеющими одинаковый цвет, но различные отражательные характеристики для видимого (белого) и ИК-излучения. На рис. 2 приведены различия в цветопередаче изображения куклы при освещении источником с ИК-составляющей, полученные видеокамерами с ИК- и без ИК-чувствительности. Как правило, это натуральный и синтетический материал.
Такие фрагменты позволяют по телевизионному изображению однозначно определить наличие в видеокамере ИК-чувствительности при освещении, содержащем ИК-составляющую (тепловой источник). Шерстяной черный пояс куклы сохраняет свой цвет, а черные на глаз синтетические валенки заметно голубеют. Разрешение изображений незначительно ввиду малого углового размера куклы на изображении и использования квадратированного кадра с разрешением каждой картинки в 352х288 пкс.
На рис. 3 приведен вид внутреннего устройства темной камеры стенда:
Функция накопления, или медленный затвор, широко применяется в видеокамерах наблюдения и при недостаточной чувствительности зачастую включена по умолчанию.
Регулируемый источник освещения, полностью лишенного ИК-излучения, выполнен на светодиодной лампе белого свечения (4500 К) с изменяемым питающим током и кассетой для установки двух 30-кратных нейтральных фильтров. Освещенность измеряется без фильтров, затем устанавливаются один или два фильтра и освещенность оценивается по значению питающего тока. На рис. 4 показана конструкция этого осветителя.
Читайте полностью в журнале «Системы безопасности» #1, 2019