Отдельную статью на тему, про которую я уже писал мельком в Мифах вокруг видеонаблюдения. Часть 3 я решил написать после опроса в своем канале Проектирование видеонаблюдения в Telegram — где задал провокационный вопрос — а какая камера более чувствительная:
Результаты были для меня неожиданные — оказывается большинство коллег до сих пор ведутся на чисто маркетинговую характеристику — минимальная освещенность (Minimum Illumination) и сравнивают камеры разных производителей по этому параметру. Давайте разберемся в этом вопросе и решим — а на какие же все-таки объективные характеристики камеры смотреть при необходимости подбора камеры для мест с низкой освещенностью.
Чувствительность (Minimum Illumination)
Часто в Datasheet камер указывают параметр чувствительности либо минимальной освещенности, единицы измерения — Лк (люкс). Имеется в виду минимальная освещенность сцены, при которой камера ещё формирует контрастную сцену.
Использовать в проектных расчётах значения чувствительности камеры (люкс) можно, только если известны:
- Значения параметров камеры, при которых получается указанное значение:
- диафрагма (F-число) объектива, т.е. одинаковое раскрытие относительного отверстия объектива;
- время экспозиции (Shutter Speed), т.е. того времени, за которое матрица камеры будет формировать изображение, накапливая свет;
- коэффициент отражения сцены (сколько света отразится от объектов сцены и, соответственно, попадёт на матрицу)
Самое неприятное, что часто п.1-2, при которых проводят замеры освещенности — не совпадают с характеристиками камеры, для которой они указаны (часто F-число у камеры больше, чем при замере Лк)
- Параметры получаемого изображения:
- IRE видеосигнала, т.е. уровня сигнала при данной освещённости
- отношение сигнал / шум (S/N Ratio) изображения при минимальной освещённости (согласно CEA 639 граничным значением при определении минимальной освещённости является отношение сигнал/шум = 17дБ (7 раз по напряжению)
- Применяемые алгоритмы обработки получаемого на матрице изображения, а также параметры усиления (АРУ, AGС)
Пройдемся кратко по перечисленным параметрам камеры и изображения.
F-число (апертура)
Светосила показывает степень того, насколько световой поток ослабевает после того, как попадает в объектив. На этот показатель влияет диаметр раскрытия диафрагмы, качество линз (прозрачность), а также ряд других характеристик оптики.
Диафрагменное или F-число — это результат деления фокусного расстояния объектива (f, мм) на диаметр действующего отверстия диафрагмы.
F-число = фокусное расстояние / диаметр диафрагмы
Чем меньше F-число, тем лучше объектив собирает свет, и, значит, тем больше света попадает на матрицу. При слабой освещенности объектив с меньшим F-числом обычно дает изображение лучшего качества, а при увеличении F-числа растет глубина резкости. Как правило, объектив с низким F-числом стоит дороже, чем объектив, у которого F-число больше.
Яркость изображения, обеспечиваемая объективом, пропорциональна квадрату светосилы. Именно поэтому числовой ряд фиксированных значений диафрагмы представляет собой ряд произведений корня квадратного из двух (1,2; 1,4; 2,0; 2,8; 4,0; 5,6 и т.д.). В этом случае каждое следующее значение диафрагмы уменьшает апертуру в 1,41 раза, а площадь отверстия объектива и, соответственно, количество света – в два раза.
Объективы для камер наблюдения, как и встроенные объективы в самих камерах, как правило, имеют типовые значения светосилы в диапазоне от 1:1,2 до 1:2,0 (F1,2–F2.0).
Достижение светосилы более 1:1,2 для сферической оптики, даже для многолинзовых моделей, практически невозможно. Использование асферических поверхностей в элементах объектива принципиально позволяет достичь значений светосилы в 1,0 и более. Однако расчет и изготовление подобных конструкций всегда были сопряжены с большими трудностями и высокой стоимостью. Совершенствование технологии и материалов позволило в последние годы перейти на массовое производство асферических объективов. Изделия, изготовленные с использованием такой технологии, маркируются аббревиатурой ASP (Aspherical Lens).
Светосильным можно считать объектив от F1,4 и лучше.
Время экспозиции (shutter speed)
AESC (Automatic Electronic Shutter Control) — автоматическое управление электронным затвором.
AESC постоянно подстраивает время экспозиции камер (shutter speed) в зависимости от освещённости сцены. Чем больше освещённость, тем меньшее время экспозиции устанавливается. Но начиная с определённой пороговой освещённости автоматика камеры устанавливает максимальное время экспозиции и при дальнейшем снижении освещённости более не увеличивает время экспозиции.
Увеличенное время экспозиции ведёт к размытию движущихся объектов. Чем больше время экспозиции и чем больше скорость перемещения объекта на экране, тем больше проявляется размытие.
Для задач распознавания рекомендуется значение времени накопления заряда (выдержки, shutter) – не более 1/100 секунды для чёткости получаемого кадра.
Некоторые камеры позволяют либо устанавливать конкретное значение shutter либо его максимальное значение (что более разумно).
Коэффициент отражения сцены
Коэффициент отражения — отношение светового потока, отраженного поверхностью Фг к световому потоку Ф0, падающему на эту поверхность.
Коэффициент отражения зависит от направления падения света (за исключением матовых поверхностей) и спектрального состава света.
Уровень видеосигнала (IRE)
IRE является единицей, используемой при измерении полных видеосигналов composite video. Его название происходит от инициалов Institute of Radio Engineers.
Значение 100 IRE в видеосигнале, первоначально определено, как диапазон активного видеосигнала (от черного до белого). Значение 0 IRE соответствует значению напряжения сигнала в течение периода обратного хода луча. Импульс синхронизации в PAL / SECAM — 43 IRE ниже этого значения 0 IRE, поэтому общий диапазон покрытия всего белого сигнала будет 143 IRE.
Значения IRE представляют собой относительное измерение (в процентах), так как видеосигнал может быть любой амплитудой.
| ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ | ILLUMINATION | УРОВЕНЬ |
|---|---|---|
| Полноформатное видео | Full video | 100 IRE |
| Полезное видео | Usable picture | 50 IRE |
| Мин. освещённость | Minimum Illumination | 30 IRE |
Как правило, IRE используется для обозначения условий измерений уровня чувствительности видеокамеры.
АРУ (Automatic gain control AGC)
Автоматическая регулировка усиления (АРУ или AGC — Automatic Gain Control) служит для поддержания максимального уровня видеосигнала на выходе камеры в пределах 0,7 В. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) характеризуется глубиной АРУ и выражается в децибелах. Глубина АРУ у различных видеокамер может быть от 12 дБ до 30 дБ.
Чтобы можно было записать изображение при низкой освещенности, не изменяя при этом значение выдержки или глубину резкости, используется электронное усиление слабого сигнала датчика, и это позволяет получить более яркое изображение. Побочный эффект такого подхода заключается в том, что крошечные несовершенства картинки также усиливаются и воспроизводятся на изображении как помехи. Такие помехи ухудшают качество изображения и обычно приводят к увеличению трафика для передачи видеопотока.
Сигнал / шум (S/N Ratio, SIgnal/NoIse)
Отношение сигнал / шум (Signal-to-noise ratio SNR) — это отношение максимального уровня сигнала (уровень белого) к уровню шума матрицы и остальных электронных компонентов видеокамеры.
Отношение сигнал / шум характеризует «количество» шума, присутствующего в видеосигнале. Связано это с тем, что максимальный уровень сигнала в видеокамере имеет постоянную величину, поддерживаемую системой АРУ и имеющую значение 0,7 В, а собственные шумы могут иметь различные значения, в зависимости от используемой камеры. Чем больше отношение сигнал / шум, тем меньше шума присутствует в видеосигнале и тем лучше изображение на мониторе. Чем меньше формат матрицы, тем выше ее шумы и (следовательно) ниже чувствительность.
По рекомендациям CCIR (The International Radio Consultative Committee), существуют пять градаций качества в зависимости от отношения сигнал/шум.
| ГРАДАЦИИ КАЧЕСТВА | ОТНОШЕНИЕ С/Ш (ДБ) |
|---|---|
| Отлично | Более 48 |
| Хорошо | 42 |
| Посредственно | 38 |
| Плохо | 34 |
| Очень плохо | Менее 30 |
Нормальным считается отношение сигнал / шум 45 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ.
ИК-фильтр с функцией «день-ночь»
Свет ближнего инфракрасного диапазона (700 — 1000 нм) невидим человеческим глазом, но светочувствительные матрицы большинства камер могут его принимать и использовать. При хорошей освещенности камера с дневным и ночным режимом включает инфракрасный режекторный фильтр, который отсекает инфракрасный свет, чтобы не нарушать передачу цветов в изображении. В ночном режиме инфракрасный режекторный фильтр камеры отключается, что увеличивает светочувствительность камеры. Поскольку инфракрасный свет проходит через все цветоделительные фильтры (RGB) матрицы, информация о цвете теряется, и возможность получать с камеры цветное изображение утрачивается.
Функция «день-ночь» — обязательна для объективов, работающих в условиях низкой освещенности. В последнее время появилась заметная альтернатива — применение «фирменных» технологий Lightfinder / Darkfighter / Starlight / ColorVu. Эти технологии позволяют получать цветные изображения при низкой освещенности сцены (камера не переходит в режим «ночь», не «откидывает» инфракрасный режекторный фильтр). Основной механизм их работы — выбор светочувствительных крупных матриц, качественной оптики высокого разрешения и фирменных алгоритмов обработки изображения процессором камеры.
Так что не так с «минимальной освещенностью»?
Мы с вами посмотрели основные параметры камеры, влияющие на светочувствительность, а также параметры изображения, объективное указывающие на его применимость в условиях низкой освещенности. А теперь вернемся к нашему тесту.
В спецификации камеры Hikvision DS-2CD2083G0-I указаны следующие параметры светочувствительности:
- Цвет: 0.01 лк @ (F1.2, AGC вкл), 0.028 лк @ (F2.0, AGC вкл) (матрица 1/2.5″ Progressive Scan CMOS, апертура F2.0)
Что тут не так? Указано, что значения освещенности получены для F-числа 1.2 и 2.0 (при том что в комплекте идет только F2.0). Ничего не сказано про время экспозиции, выставленной на камере при измерении уровня освещенности; какие уровни IRE и S/N Ratio при этом получены, использовался ли режекторный фильтр, а также какие цифровые алгоритмы обработки применил процессор камеры. Сказано лишь, что был включен AGC.
В камере другого производителя Dahua DH-IPC-HFW2239M-AS-LED-B-S2 аналогичные параметры светочувствительности указаны так:
- 0.0017 Lux @ F1.0, S/N Ratio >56 dB (матрица 1/2.8” 2Megapixel progressive CMOS)
Тут указаны и F-число объектива, и параметры сигнал / шум изображения. Но. Нет информации про время экспозиции, использовался ли режекторный фильтр. Нет информации про уровень IRE сигнала, какие цифровые алгоритмы обработки применил процессор камеры, а также был ли включен AGC.
А в камере третьего производителя Hanwha Techwin QNO-6032R1 так:
- Color: 0.03 Lux (F2.0, 1/30sec) (матрица 1/2.8″ 2MP CMOS)
Тут указаны F-число объектива и время экспозиции. Но не указаны параметры сигнал / шум изображения; использовался ли режекторный фильтр. Нет информации про уровень IRE сигнала, какие цифровые алгоритмы обработки применил процессор камеры, а также был ли включен AGC.
Наконец для камеры AXIS P1375-E (матрица КМОП; 1/2,8”, 2 Мп) так:
HDTV 1080p при 25/30 кадр/с с использованием Forensic WDR и Lightfinder:
- Цвет: 0,05 лк, при 50 IRE F1.2
- Ч/б: 0,01 лк, при 50 IRE F1.2
HDTV 1080p при 50/60 кадр/сек с Lightfinder:
- Цвет: 0,10 лк при 50 IRE F1.2
- Ч/б: 0,02 лк при 50 IRE F1.2
Почти бинго, но всё равное нет. Указаны и F-число объектива, и уровень IRE сигнала, и применяемые алгоритмы. Но. Нет информации про время экспозиции, не указаны параметры сигнал / шум изображения; использовался ли режекторный фильтр, был ли включен AGC.
Почему всё так плохо?
Всё просто — нет стандартной методики измерения параметра светочувствительности. Каждый производитель делает эти измерения в меру своей испорченности. И никто не указывает четко параметры камеры и полученного изображения, при которых измеряли уровень освещенности. На практике это означает, что в лучшем случае по параметру минимальной освещенности можно сравнивать лишь камеры одного производителя, желательно одной линейки. Сравнивать разных производителей — точно не имеет никакого смысла.
И что же делать?
Я бы при выборе камеры смотрел на следующие характеристики:
- размер матрицы (чем больше — тем лучше; я бы брал 1/2.7″ либо больше для бюджетных вариантов и 1/1.8″ или выше для профессиональных)
- максимальное разрешение матрицы (чем ниже — тем лучше, потому как сильно влияет на физический размер пикселя — я бы брал не более 4 Мп для случаев, где критерии решения целевой задачи наблюдения по плотности пикселей не позволяют взять меньше, либо 1.3-2 Мп — для остальных случаев)
- светосила объектива (чем F-число меньше — тем лучше — я бы брал F1.4 или меньше для бюджетных вариантов и ASP F1.0 или меньше для профессиональных)
- сигнал / шум (S/N Ratio) матрицы (чем выше — тем лучше — я бы брал более 45 дБ для бюджетных вариантов и до 58 дБ для профессиональных)
- алгоритмы обработки для получения цветного изображения при низкой освещенности (Starlight, Lightfinder, DarkFighter, ColorVu и др.) либо наличие ИК-фильтра (ИК-коррекция — функция «день-ночь») объектива и ИК-подсветки.
Но лучше всего — дополнить систему видеонаблюдения системой охранного освещения и просто увеличить уровень освещенности сцены. Об этом мы уже говорили в статье ИК-подсветка в видеонаблюдении. Пишите в комментариях какие камеры вы используете для съемки в условиях низкой освещенности.
- 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?