Как выбрать матрицу камеры?

Задача матрицы — сформировать изображение, сфокусированное на него объективом. Разберем типы матриц, ключевые характеристики и технологии. Это нужно для того, чтобы мотивировано выбирать камеру видеонаблюдения.

Тип матрицы

Существуют два типа матриц:

• CMOS (КМОП) — Complementary Metal-Oxide Semiconductor
• CCD (ПЗС) — Charged Coupled Device

Если очень упрощать — то CCD-матрица — преобразует заряды пикселей в аналоговый сигнал, а CMOS-матрица в цифровую информацию. Считается, что CCD-матрицы более светочувствительные и имеют лучшую цветопередачу (характерный пример — Sony ExView HAD). CMOS-матрицы имеют большую интеграцию и экономичность сенсора, меньшее энергопотребление и нагрев, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

Сейчас CCD-матрицы остались разве что в старых моделях аналоговых камер стандарта CVBS (PAL, NTSC). Для IP-камер и аналоговых камер высокого разрешения стандартов CVI, TVI, AHD — можно найти почти исключительно матрицы CMOS за очень редким исключением. 

Sony Exmor™

Говоря о матрицах, нельзя не упомянуть технологию конкретного производителя — на столько она повлияла на развитие CMOS-матриц. Современные CMOS-сенсоры, в отличие от CCD, построены по слоёной схеме и похожи на этажерку. Под антимуаровым фильтром расположены микролинзы переменной формы. Еще ниже — сам фотодиод. Под чувствительной поверхностью расположен модуль, который компания Sony называет DRAM. Это пять этажей из аналогово-цифрового преобразователя, буфера, системы сжатия и цепочки ускорителей (3-20 раз) передачи информационных пакетов по шине данных в LSI – линейный системный интегратор, расположенный перед процессором Sony BIONZ.

В 2009 году вышла матрица BSI-Exmor-RS с «задней подсветкой», её «рабочий отрезок» от микролинзы до пикселя уменьшен втрое, ходу луча света ничто не препятствует, а расстояние до «соседа» отсутствует — даже микролинзы плавно переходят друг в друга. Все вспомогательные и управляющие структуры каждого пикселя убраны в нижние слои. Стало возможным увеличить диаметр датчика. Чувствительность и динамический диапазон обогнали CCD-матрицы.

STARVIS™

Ещё одна матрица CMOS с обратной засветкой (back-illuminated sensor) от компании Sony.

Live-MOS-матрица

Другая технология, которую некоторые даже выделяют в отдельный тип матрицы — разработана компанией Panasonic. Live-MOS / NMOS матрица (Live MOS sensor) — светочувствительная матрица, построенная по CMOS-технологии, имеющая благодаря ряду технических и топологических решений возможность «живого» просмотра изображения. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Starlight, Lightfinder, DarkFighter, ColorVu и др.

Суть всех перечисленных технологий — с помощью комбинации светочувствительного объектива и матрицы, эффективной технологии шумоподавления — добиться цветного изображения при низком уровне освещенности. Подробнее про светочувствительность мы поговорим на следующем шаге — когда будем обсуждать обработку изображения с матрицы.

Формат (размер)

Наряду с типом матрицы — её физический размер — ключевой фактор, влияющий на светочувствительность (способность формировать контрастное изображение при низком уровне освещенности). 

Чем крупнее матрица — тем больше на нее может попасть света — тем «лучше» камера «видит в темноте». Как правило 1/4″ — применяется в совсем дешевых камерах, а 1/2″ — в PTZ-камерах (поворотных). Для применения на улице при условии отсутствия хорошего наружного освещения лучше выбирать матрицы 1/2.8″, 1/2.7″ или более крупные. Для применения внутри помещения с постоянным уровнем освещения — может быть достаточным и 1/3″. 

Разрешение

Параметр «разрешение матрицы» — показывает число пикселей (наименьших логических элементов двумерного цифрового изображения в растровой графике), приходящихся на физический размер матрицы. Чем выше разрешение (больше «мегапикселей») — тем больше деталей в изображении, фокусируемом на матрице можно сохранить. 

При этом не стоить ставить знак равенства между разрешением матрицы и итоговым разрешением изображения. В тракте объектив — матрица — процессор — передача изображения — монитор каждый узел вносит искажения в итоговую картинку. Итоговое изображение будет зависеть от самого «слабого звена». Испортить изображение легко — это может сделать объектив (с более низким разрешением чем матрица, наличием дисторсии, фокусировки вне ГРИП и т.п.), это может сделать процессор камеры (потери на кодировании, потери при цифровой обработке), это могут быть потери при передачи данных (для «аналоговых стандартов»), это может сделать монитор (несовпадение разрешение потока с камеры и части монитора, на которое оно выводится).

На разрешение изображения будет влиять соотношение сигнал / шум матрицы, светочувствительность объектива, размер и светочувствительность матрицы.

Чем больше разрешение матрицы при фиксированном формате (размере) — тем меньше физический размер пикселя, меньше света попадает на пиксель, меньше светочувствительность камеры. Поэтому «переразмеривать» разрешение матрицы крайне не выгодно:

• увеличивается поток с камеры (требуется большая пропускная способность ЛВС, требуется больший объём дискового пространства для хранения архива заданной глубины)
• уменьшается светочувствительность камеры
• увеличивается стоимость решения

Про подбор разрешения камеры мы подробно рассмотрим в уроке 3. Выбор места установки и тактико-технических характеристик камер.

Развёртка

Сложно объяснить, что такое развёртка для человека 21 века 🙂 Существует чересстрочная и прогрессивная развертка. Чересстрочная развертка — наследие вещательных телевизионных стандартов (PAL, NTSC) — и сейчас почти не используется. Суть чересстрочной развертки на картинке:

Основная идея чересстрочной развертки была уместить полосу сигнала стандарта цветного телевидения в полосу сигнала черно-белого старта (что выглядит как каприз потребителей — «втиснете» в 4 раза больше информации в ту же полосу частот для совместимости стандартов черно-белого и цветного телевидения).

Понятно, что для видеонаблюдения (которое не является вещательным и передается, как правило, по кабелю) — это полнейшая бессмыслица, поэтому чересстрочную развертку можно встретить разве что в очень старых аналоговых камерах стандартов CVBS (PAL, NTSC) либо в дешевых аналоговых видеодомофонах тех же стандартов. 

Соотношение сторон кадра

Формат	Разрешение (в пикселях)	Соотношение сторон	Развёртка
1MP/720P	1280×720	16:9	Прогрессивная
SXGA/960P	1280×960	4:3	Прогрессивная
1.3MP	1280×1024	5:4	Прогрессивная
2MP/1080P	1920×1080	16:9	Прогрессивная
2.3MP	1920×1200	16:10	Прогрессивная
3MP	2048×1536	4:3	Прогрессивная
4MP	2592×1520	16:9	Прогрессивная
5MP	2560×1960	4:3	Прогрессивная
6MP	3072×2048	3:2	Прогрессивная
4K Ultra HD	3840×2160	16:9	Прогрессивная
8K Ultra HD	7680×4320	16:9	Прогрессивная

Соотношение сторон кадра напрямую зависит от соотношения сторон матрицы. Наиболее распространенные — 16:9 и 4:3. Современные мониторы, как правило, сами — формата 16:9, поэтому формат 4:3 — не самый удачный, кроме того, как правило область интереса находится в центре кадра, а не сверху и снизу. Поэтому формат 16:9 — наиболее распространен.

«Коридорный» формат

Это всего-лишь «повернутое» на 90° изображение (9:16; 3:4 и т.п.). Коридорный формат удобен для ряда локаций — просмотра длинных коридоров, периметра промышленного предприятия (забора) и др. Для применения такого формата камера должна иметь возможность поворота объектива на 90° либо установки всей камеры «на боку». Процессор камеры должен уметь формировать поток, повернутый на 90° в обратную сторону.

Выводы

1. Тип матрицы выбирать особо не приходится — в 99% случаев это будет CMOS (КМОП)
2. Производителя матрицы выбрать сложно — если это не топовый Sony — то в Datasheet камеры о производителе вряд ли расскажут. Хотя понятно, что есть очень приличные «середнички» — типа Aptina (ON Semiconductor Corporation) и OmniVision, а есть совсем бюджетные SOI (Silicon Optronics, Inc.).
3. Выбрать формат (размер) матрицы просто — чем больше матрица, тем больше светочувствительность. Самые бюджетные камеры, как правило, имеют размер 1/4″. Такие матрицы кроме как для DIY вряд ли имеет смысл использовать. Для внутренних камер — 1/3″ может быть нормальным вариантом. Для внешних камер — хотя бы 1/2.8″. Больше — лучше. Но нужно не забывать, что чем больше матрица — тем шире угол обзора, это тоже может быть одним из факторов выбора.
4. Разрешение матрицы должно быть минимально достаточным для решения целевых задач наблюдения. «Переразмеривать» разрешение матрицы — грубейшая ошибка! При прочих равных — большое разрешение приводит к маленькой светочувствительности (меньше физический размер пикселя), огромному bitrate — нагружающему локальную сеть, огромным расходам на хранение архива. Это совершенно не нужные траты.
5. Развертка может быть только прогрессивная! Никаких 1080i!
6. Соотношение сторон кадра — почти для любых задач лучше подходит 16:9 за редким исключением. «Коридорный» формат точно нужен для внутренних камер и внешних при защите периметра.
7. Про светочувствительность — нужно читать отдельную статью.
8. Технологии Starlight, Lightfinder, DarkFighter, ColorVu и др. помогают сохранять цветное изображение при низкой освещенности. Это работает — если для решения целевой задачи наблюдения важен цвет — выбираем камеры, поддерживающие данные технологии.

• Что такое плотность пикселей?
• Аналитика «на борту» видеокамер
• Уход брендов и санкции: тренды рынка видеонаблюдения в 2023
• ГОСТы на проектирование «пожарки»
• Что такое авторский надзор?

---

Приходите учиться! Будем разбирать ключевые моменты — выбор камер, локальной сети, серверов и софта. Подробности — по ссылке в баннере: