Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» (стр. 8 )

Освещенность на объекте и матрице отличаются обычно больше, чем в 10 раз.

Для справки на улице (широта Москвы): Безоблачный солнечный день люкс;

Солнечный день с легкими облакамилюкс; Пасмурный деньлюкс; Ранее утро 500 люкс; Сумерки люкса; «Белые ночи»* 0люкса; Ясная ночь, полная луна 0,02 люкса; Ночь, луна в облаках 0,007 люкса; Темная облачная ночь 0,00005 люкса; Освещенное помещение без окон люкс; Хорошо освещенное помещение люкс. * «Белые ночи» - условия освещенности, удовлетворяющие гражданским сумеркам, т. е. когда солнце погружается под горизонт без учёта атмосферной рефракции не более чем на 6°. Это справедливо для Санкт Петербурга. Для Москвы выполняются условия так называемых «навигационных белых ночей», т. е. когда диск солнца погружается под горизонт не более чем на 12°. Нередко чувствительность камеры указывают для «приемлемого сигнала», под которым подразумевается такой сигнал, когда отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть. Другой способ определения «приемлемого» сигнала . шкала IRE (Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. «Приемлемым» считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, в частности, BURLE, указывает для 25 IRE, некоторые - для 50 IRE (уровень сигнала - 6 дБ). Выбор «приемлемого» уровня определяется отношением сигнал/шум. Наибольшей чувствительностью среди CCD-матриц массового производства ныне обладают Hyper-HAD матрицы фирмы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камер высокого качества. Разброс параметров, построенных на их основе камер означает, в основном, разнобой в подходах производителей к определению понятия «приемлемый сигнал». Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности «люкс» определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи, с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой.

Рис. 9.3. Пример спектральной чувствительности цветной CCD-матрицы с RGB стандартными полосами.

Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения. Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с чувствительностью человеческого глаза.

Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов (%): Снег 90; Белая краска 75-90; Стекло 70; Кирпич 35; Трава, деревья 20; Человеческое лицо; Каменный уголь, графит - 7. Коэффициент отражения лунной поверхности тоже составляет около 0,07, т. е. Луна на самом деле чёрная.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь ( ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность в раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне там, где наблюдается максимум излучения человеческого тела), но, с другой стороны, время наработки на отказ составляет около одного года. Причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать «вжигания» изображения на катоде ЭОП. Катод ЭОП после яркой засветки очень долго (иногда 3-6 часов) «восстанавливается». Во время этого восстановления, даже при закрытом входном окне, с катода ЭОП считывается остаточное, «воженное» изображение.

При ещё больших входных световых потоках могут произойти необратимые процессы как с катодом, так и с выходным люминесцентным экраном ЭОП. Основной причиной сдвига чувствительности CCD-камер в ИК-область по сравнению с другими полупроводниковыми приёмниками излучения связан с тем, что более красные фотоны проникают дальше в кремний, так как прозрачность кремния больше в длинноволновой области и при этом вероятность захвата фотона (преобразования его в фотоэлектрон) стремится к единице.

Рис. 9.3. Зависимость глубины поглощения фотонов в кремнии от длины волны.

Для излучения с длиной волны больше 1100 нм кремний прозрачен (энергии красных фотонов не достаточно для создания электронно-дырочной пары в кремнии), а фотоны с длиной волны менее 300-400 нм поглощаются в тонком поверхностном слое (уже на поликремневой структуре электродов) и не достигают потенциальной ямы. Как уже говорилось выше, при поглощении фотона генерируется пара носителей электрон дырка, и электроны собираются под электродами, если поглощение фотона произошло в

обедненной области эпитаксиального слоя. При такой структуре CCD может быть достиг-

нута квантовая эффективность около 40% (теоретически на этой границе квантовый выход равен 50%). Однако поликремниевые электроды непрозрачны для света с длиной волны короче 400 нм. Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие CCD тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Форматы CCD и CMOS приемников заимствуют определения размеров фоточувствительных эммиторов видиконов определенного диаметра, который и входит в маркировку матриц.

Рис.9.4. Некоторые размеры CCD

У цветных матриц пленки (светофильтры) над пикселями обычно повторяют форматы телевидения и глаза человека. Количество примерно зеленых пикселей в двое больше, чем почти красных и почти синих, но бывают и исключения, например у матрицы Fuga 1000 их поровну.

Рис.9.5. Пиксели CMOS матрицы Fuga1000_a

Делаются попытки изготовить матрицы с пикселями цвета, расположенными в различных слоях друг над другом. Прозрачность частичная верхних слоев позволяет засвечивать и нижние слои. Это, например, приборы фирмы Foveon X3 CMOS.

Сегодня АЦП камер, обычно, выдают 12 битные сигналы с каждого пикселя. Цветовые, форматные преобразования проводят ЦПС камер.

Динамический диапазон - это отношение максимально возможного сигнала, сформированного приемником, к его собственному шуму. Динамический диапозон обычно задается в режиме наилучшего сопряжения приемника, часто это логарифм отношения напряжений. Для CCD этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания. Чем больше размер пиксела CCD, тем больше электронов может удерживаться в нем. Для разных типов CCD эта величина составляет от 75000 до 500000 и выше. При 10 ел. шумов (шум CCD измеряется в электронах ел.) динамический диапазон CCD достигает значения 50000. Большой динамический диапазон особенно важен для регистрации изображения в уличных условиях при ярком солнечном свете или в ночных условиях, когда имеется большой перепад освещенности: яркий свет от фонаря и неосвещенная теневая сторона объекта. Лучшие фотоэмульсии имеют динамический диапазон лишь около 100.

Линейность и гамма-коррекция. CCD обладают высокой степенью линейности. Число электронов, собираемых в пикселе, строго пропорционально числу фотонов, попавших на CCD. Параметр «линейность» тесно связан и с параметром «динамический диапазон». Динамический диапазон, как правило, может существенно превосходить диапазон линейности, если в системе предусмотрена аппаратная или программная коррекция работы прибора в нелинейной области. Легко поддается корректировке сигнал с отклонением от

линейности не более чем на 1%. Эмульсии имеют сложную зависимость реакции на свет и, в лучшем случае, позволяют достичь фотометрической точности в 5% и то только в части своего и без того узкого динамического диапазона. CCD же линейны с точностью до 0,1% практически во всем динамическом диапазоне. Это позволяет относительно легко устранять влияние неоднородности чувствительности по полю. Кроме того, CCD позиционно стабильны. Положение отдельно взятого пиксела строго фиксировано при изготовлении прибора.

Мониторы имеет степенную зависимость яркости от сигнала (показатель степени ~ 2,2), что приводит к уменьшению контрастности в темных участках и к увеличению, в ярких. Для компенсации общей нелинейности в камеру обычно встраивается устройство (гамма-корректор), корректирующие сигнал для показа с показателем степени 1/2,2, т. е. 0,45. Некоторые камеры предоставляют выбор коэффициента, например, вариант 0,60 приводит к субъективному повышению контрастности, что производит впечатление более «четкой» картинки. Побочный эффект. Гамма-коррекция означает дополнительное усиление слабых сигналов (в частности, шума), т. е. одна и та же камера с включенной Г=0.4 будет примерно вчетверо «чувствительнее», чем при Г=1. Однако еще раз напомним, что никакой усилитель не может увеличить отношение сигнал/шум.

Растекание заряда. Максимальное количество электронов, накапливаемых в пикселе, ограничено. Для матриц среднего качества изготовления и типичных размеров это значение обычно составляет 200000 электронов. И если суммарное количество фотонов за время экспозиции (кадра) достигнет предельного значения (200000 или более при квантовом выходе 90 % или более), то зарядовый пакет начнет перетекать в соседние пиксели. Детали изображения начинают сливаться. Эффект усиливается, когда «лишний» не поглощенный тонким телом кристалла световой поток отражается от подложки-основы. При световых потоках в пределах динамического диапазона фотоны не доходят до подложки, они практически все (при большом квантовом выходе) трансформируются в фотоэлектроны. Но вблизи верхней границы динамического диапазона происходит насыщение пикселя и нетрансформированные фотоны начинают «блуждать» по кристаллу преимущественно с сохранением направления начального входа в кристалл. Большая часть этих фотонов достигает подложки, отражается и этим увеличивает вероятность последующей трансформации в фотоэлектроны, перенасыщая зарядовые пакеты и без того находящиеся у границы растекания. Однако, если на подложку нанести поглощающий слой, так называемое противобликовое покрытие (антиблюмминг), то эффект растекания сильно уменьшится.

Даже наиболее чувствительные CCD-видеокамеры бесполезны для применения в условиях низкого освещения, если они имеют нестабильную чувствительность. Стабильность - неотъемлемое свойство CCD, как твердотельного прибора. Временная стабильность проверяется по измерениям потоков от специальных стабилизированных источников излучения. Она определяется стабильностью квантового выхода самой матрицы и стабильностью работы электронной системы считывания, усиления и регистрации сигнала. Эта результирующая стабильность работы видеокамеры является основным параметром при определении фотометрической точности, т. е. точности измерения регистрируемого оптического сигнала. Для хороших образцов матриц и качественной электронной системы фотометрическая точность может достигать 0,4 - 0,5%, а в некоторых случаях, при оптимальных условиях работы матрицы и применении специальных методов обработки сигнала, - 0.02%. Результирующая фотометрическая точность определяется несколькими основными составляющими:

- временной нестабильностью системы в целом;

- величиной квантовой эффективности видеокамеры;

- точностью оцифровки видеосигнала для цифровых видеокамер;

- величиной шумов разных типов.

Для достижения диапазона большего, чем динамический диапазон датчика сигнала необходимо построение системы автоматического регулирования или адаптации. В камерах наиболее распространены два способа адаптации. - В первом способе перед датчиком света устанавливают последовательно включенные: регулируемый ослабитель и усилитель сигнала (управляемая диафрагма объектива и ЭОП соответственно в камере). - Во втором способе сам фоточувствительный датчик делают управляемым и за счет адаптации параметров изменяют его чувствительность. В современных камерах используют оба способа адаптации к уровню освещенности, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы

-Наблюдение ночью.

Преувеличивают производители многие технические характеристики камер. Но, пожалуй, ни один параметр не подвергался такой рекламной манипуляции, как "чувствительность". Повод к этому дает различная трактовка его разными авторами и фирмами.  Чувствительность характеризует способность камеры наблюдать в ночных условиях. Чувствительность - это та минимальная освещенность, выражаемая в люксах, при которой камера еще способна формировать изображение. Если ограничится этими фразами, то возникает неоднозначность, которая и позволяет заявлять для одной и той же камеры цифры чувствительности, отличающиеся более чем в 100 раз. Отношение сигнал/шум принимаемое за пороговое, при измерении чувствительности трактуется по разному. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал/шум примернодБ. Сейчас при минимальной освещенности можно различить только крупные детали изображения, то есть отношение сигнал/шумдБ. В космической и военной технике часто под пороговой чувствительностью понимается такая, когда размах сигнала равен размаху шумовой дорожки, то есть отношение сигнал/шум 5 - 6 дБ и кроме шума на изображении практически ничего не видно. В этом случае также для одной и той же камеры можно указывать значения чувствительности, отличающиеся в 10 раз.

Рис.9.6. Адаптация через регулируемый ослабитель света

Рис.9.7. Простейшая адаптация изменением времени накопления

Рис.9.8. Расширения диапазона рабочих освещенностей фоточувствительного датчика, работающего в составе адаптивной фоточувствительной системы.

Перечислим факторы, ограничивающие чувствительность в современных CCD камерах и возможности их улучшения путем применения новых CCD и объективов (рис.9.9).

Потери света в объективе. Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к матрице CCD. Часть из них рассеивается, а часть поглощается материалом линз. Нужно сказать, что современные асферические объективы с относительным отверстием 0,8 - 0,75 - имеют очень высокие характеристики и трудно ожидать заметных улучшений их параметров.

Потери из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции. Фоточувствительные ячейки, особенно в матрицах малых форматов 1/3 дюйма и менее занимают менее 10% площади чувствительной поверхности. Остальная площадь используется под каналы переноса заряда и систему антиблюминга. Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на фоточувствительные ячейки. SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию матриц CCD под маркой EXWAWEHAD ССD, что позволило дополнительно в 3 - 4 раза поднять чувствительность камер. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.

Рис.9.9. Иллюстрация различных факторов ограничения чувствительности в камере на матрице CCD.

Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD. В настоящий момент шум считывания - главный фактор, ограничивающий чувствительность камер. Его значениеэлектронов/пиксель теоретически можно было бы быть снизить в 10 раз. Ограничением здесь является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд пикселя в случае, когда света много, что приведет к ограничению сигнала в дневных условиях.

Ограничение чувствительности из-за свечения транзисторов выходного устройства матрицы CCD. Все транзисторы слабо светятся (аналогично светодиодам и лазерным диодам), а в матрицах CCD это препятствует наблюдению слабых освещенностей. В охлаждаемой астрономической CCD камере было замечено свечение в том углу изображения, где расположено выходное устройство. Тогда это было расценено как уникальное явление, проявляющееся только при охлаждении CCD, работающих с большим временем экспозиции. С тех пор чувствительность матриц CCD возросла в 100 раз и этот эффект уже мешает наблюдению в самых чувствительных камерах различных фирм.

- Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения (ЭОП).

 Электронно-оптические усилители яркости изображения в телевидении применяют давно. Еще до эры CCD камер в передающие телевизионные трубки встраивали каскады электронного усиления, достигая чувствительности на объекте 0,001 люкс и выше. После исчезновения камер на электронно-лучевых трубках остались ЭОПы, которые в военных приложениях использовались в качестве ночных прицелов и приборов ночного видения. Эти ЭОПы стали состыковывать с CCD камерами для увеличения их чувствительности. Образовался новый класс сверхчувствительных камер. Однако камеры типа "CCD+ЭОП" мало распространены, так как имеют серьезные недостатки. Недостатка два: сверхвысокая стоимость, доходящая до 10000$ и выше и низкая надежность, из-за возможности разрушения ЭОП при солнечном свете и от утечек и пробоев высокого напряжения. CCD камеры с ЭОП поколения 3+ имеют непревзойденную чувствительность и применяются в тех областях, где важность надежного ночного наблюдения превалирует над денежными затратами. Нужно отметить, что камеры CCD+ЭОП все более вытесняются высокочувствительными CCD камерами с адаптивными "ночными" режимами.

- Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда в матрице CCD.

При появлении первых матриц CCD основной задачей инженеров было создание надежного "твердотельного" аналога электронно-лучевой трубки. И только через некоторое время было обращено внимание на адаптивные свойства нового прибора. Новыми оказались принципиальные возможности CCD одинаково хорошо работать в широком диапазоне тактовых частот считывания заряда, а также возможность суммирования зарядов с соседних элементов и строк до считывания сигнала с выхода устройства. Это позволило еще в 1985 году создать экспериментальную ССD камеру без АРД объектива и каких-либо светофильтров с диапазоном рабочих освещенностей равным человеческому глазу.

Диапазон рабочих освещенностей 1 миллиард был достигнут только за счет перестройки параметров еще весьма допотопных матриц CCD 80-х годов. В настоящее время, используя матрицы SONY серии EXWAWEHAD, удалось значительно превзойти характеристики глаза. Оговоримся, что пока это возможно только в рамках диапазона рабочих освещенностей и контрастной чувствительности. По другим параметрам до глаза еще очень далеко.

Накопление сигнала до воздействия шума. Существуют разные способы увеличения чувствительности телевизионной камеры, но все они основываются на одном принципе: "принципе накопления энергии сигнала". Этот принцип базируется на коренном отличии сигнала от шума. Сигнал всегда однополярный (в телевидении положительный) и имеет ограниченную полосу частот. Шум всегда дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со значительно более широкой полосой частот. В результате простое сложение (накопление) порций "сигнал плюс шум" будет приводить к линейному росту уровня сигнала и только к замедленному (по закону корня квадратного) росту среднего отклонения размаха шума. Каждые 100 сложений улучшают отношение сигнал/шум в 10 раз. Принцип накопления энергии сигнала используется во всех способах повышения чувствительности, будь это пространственно-временное суммирование или низкочастотная фильтрация. Адаптивные свойства CCD матриц позволяют применить в них уникальный способ повышения чувствительности, который можно условно назвать "накопление до воздействия шума". Суть его в том, что дополнительное суммирование (накопление) сигнала производится в самой матрице CCD до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве CCD один раз на каждую сумму сигналов. В результате четырехкратное сложение приводит к четырехкратному росту отношения сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как в обычных методах. Этот режим эффективен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания значительно превосходит фотонный шум и последний практически не оказывает влияния на результат накопления.

Рис. 9.10.. Накопление сигнала с шумом (стандартный метод)

Рис 9.11. Накопление сигнала до воздействия шума (в CCD камерах)

Одной из первых камеру с адаптивным накоплением сигнала выпустила фирма PANASONIC. Режим был назван "Electronic sensitivity enhancer" и обеспечивал увеличение времени накопления от 1 до 32-х телевизионных полей, то есть с 1/50 до 0,64 секунды, что приводило к улучшению чувствительности до 32 раз. В таких камерах при использовании матриц CCD фирмы SONY серии EXWAVEHAD и асферических объективов достигается чувствительность до 0,0002 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ. Несмотря на отличные характеристики камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" имеют два серьезных недостатка. Во-первых, при увеличении экспозиции происходит "смазывание" изображения движущихся объектов, из-за чего может быть пропущен быстро движущийся нарушитель, что недопустимо в охранных системах. Второй недостаток - достаточно высокая стоимость, так как для визуализации на экране монитора прореженного в 32 раза изображения нужен преобразователь телевизионных стандартов с кадровым ОЗУ, АЦП, ЦАП и системой синхронизации. В результате, даже корейские камеры с системой "Electronic sensitivity enhancer" стоят в 2 раза дороже обычных телевизионных камер.

Другим вариантом адаптивного накопления сигнала является суммирование зарядов с соседних элементов матрицы CCD. Изменяя режим синхронизации CCD можно обеспечить сложение зарядов соседних элементов на затворе выходного транзистора и соседних строк на электродах выходного регистра CCD. Также, как и в первом способе происходит сложение сигнала до воздействия шума и десятикратное сложение приводит к десятикратному улучшению чувствительности. Первой и пока единственной фирмой, реализовавшей в своих камерах этот режим, является российская фирма ЭВС. Режим был назван "ночным режимом 1" и в CCD камерах этой фирмы он автоматически включается при уменьшении освещенности на объекте менее 0,02 люкс. CCD камеры фирмы ЭВС, выполненные на EXWAVEHAD матрицах CCD фирмы SONY, в ночном режиме 1 развивают чувствительность до 0,0002 люкс (камера VNC-703), что эквивалентно камерам с режимом "Electronic sensitivity enhancer". Камеры с "ночным режимом 1" работают без увеличения инерционности, что позволяет им надежно наблюдать подвижные объекты вплоть до освещенности, соответствующей освещенности от звездного неба. Стоимость камер с "ночным режимом 1" всего на 10 % выше стандартных, так как в них не требуется применения дорогостоящего кадрового ОЗУ. Недостатком "ночного режима 1" является ухудшение разрешающей способности ночью примерно в 3 раза из-за суммирования зарядов с соседних элементов и строк.  Кажется очевидным для дальнейшего увеличения чувствительности объединить два режима "Electronic sensitivity enhancer" и "Ночной режим 1" в одной CCD камере. В конце 1999 г. появилась первая такая камера VNC-702 производства фирмы ЭВС. В рекламных материалах указывается, что в телевизионной камере, развивающей чувствительность на объекте 0,00004 люкс при отношении сигнал/шум 20 дБ, применены "ночные режимы 1 + 2". Под "ночным режимом 2" фирма ЭВС подразумевает режим "Electronic sensitivity enhancer", который в камере VNC-702 для лучшего наблюдения подвижных объектов ограничен до 16 - ти кратного суммироваия кадров.

Определение реальной разрешающей способности. Проектируя охранную телевизионную систему, обычно принимают в расчет заявленную в паспорте разрешающую способность телевизионной камеры. Исходя из этого, определяют зоны наблюдения и места установки телевизионных камер, вычисляют углы поля зрения и выбирают объективы. Затем закупают мультиплексоры, видеомагнитофоны и другие устройства. Монтажники прокладывают кабели, устанавливают камеры и аппаратуру, и, наконец, система включается. С первого взгляда все работает нормально, на мониторах видны изображения помещений и территорий объекта. Но при первом же инциденте выясняется, что лицо нарушителя невозможно различить. Не виден номер въезжающего автомобиля, а иногда невозможно даже различить его марку. В темное время суток дела обстоят еще хуже: изображения деталей размыты, движущиеся объекты смазаны. В результате, телевизионная система вместо полноценного наблюдения предоставляет службе охраны функции, близкие к возможностям обычных охранных датчиков. Происходит это из-за того, что при проектировании системы не учитываются реальная разрешающая способность телевизионных камер и ее зависимость от освещенности, глубина резкости, а также потери разрешающей способности в кабельной сети, мультиплексорах, видеомагнитофонах и других устройствах.

Параметр «разрешающая способность» пришел в телевидение из оптики. Первоначально, за предел разрешающей способности, согласно критерию Рэлея, понималось расстояние между двумя точками, при котором центр одного пятна совпадает с серединой первого темного дифракционного кольца второго пятна (рис.9.12)

Рис. 9.12. Разрешающая способность оптической системы. E max, Emin - освещенности светлого и темного дифракционных колец соответственно, D - диаметр входного зрачка, f' - заднее фокусное расстояние, - линейный предел разрешения, - длина волны

При этом относительная разность освещенностей в двух рядом расположенных точках (глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения) примерно равна 26% от максимальной освещенности. С появлением дискретных фотоприемников (матрицы CCD) понятие оптической разрешающей способности стало неточным из-за появления эффекта наложения пространственных частот штрихов миры и фоточувствительных элементов матрицы. Нужно отметить, что разрешающая способность дискретного фотоприемника зависит от положения штрихов испытательной миры относительно сетки элементов фоточувствительной матрицы.  Видно (рис.9.13), что в случае, когда число штрихов миры равно числу элементов фотоприемника по измеряемой координате, может быть два крайних значения разрешающей способности. Если штрихи миры попадут точно по центру элементов матрицы CCD, то разрешение на выходе камеры будет максимальным, и на видеомониторе будет видно тонкую решетку. Если сместить миру на половину штриха, то максимумы и минимумы изображения штрихов попадут посередине между элементами CCD и в каждом элементе будет половинный сигнал (средний между черным и белым) и на экране монитора будет только ровный серый фон. При числе штрихов горизонтальной миры меньше или больше числа элементов матрицы, также будет наблюдаться ровный серый фон при смещении положения миры, но уже не на всем изображении, а в виде отдельных вертикальных столбиков (муаров). a)
b)
Рис.9.13. Изменения максимальной разрешающей способности дискретного фотоприемника а) центры штрихов совпадают с центрами элементов изображения, б) центры штрихов сдвинуты на половину размера элемента.

При уменьшении числа штрихов миры, видимость муаров будет уменьшаться, однако, даже при половинном их числе относительно числа элементов CCD они будут еще достаточно хорошо видны (рис.9.14).

Если в телевизионной камере не принять мер к коррекции частотно-контрастной характеристики объектива, то в результате формируемое изображение будет нечетким, что нередко можно наблюдать в дешевых камерах. В камерах более высокого класса устанавливают специальные корректоры четкости, компенсирующие потери в объективе. Корректоры бывают разные. В простом случае (например, камера WAT-902H фирмы WATEC) устанавливают асимметричный корректор, подчеркивающий первую производную сигнала. Лучшие результаты дают симметричные адаптивные корректоры четкости, учитывающие вторую производную сигнала, степень коррекции которых зависит от освещенности изображения (камера VNC-742 фирмы ЭВС).

Для оценки реальной четкости изображения используется параметр «глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения», равный отношению размахов сигналов от мир с числом штрихов, равным максимальному разрешению и с минимальным числом штрихов (крупная деталь изображения). Видно (рис. 9.16), что амплитуда сигнала на частоте 550 линий в камере с симметричным корректором четкости заметно превосходит эти значения в камерах с корректором по первой производной и, тем более, в камере без корректора четкости.

Рис.9.14. Иллюстрация изображения муаров вертикального клина тест-таблицы, наблюдаемой телевизионной камерой на матрице CCD. Внизу - осциллограмма строки в центре горизонтальной миры телевизионных линий. Муары выражаются в низкочастотной модуляции осциллограммы.

Рис.9.15. Частотно-контрастная характеристика телевизионной камеры высокого разрешения при выключенном корректоре четкости.

Реальную разрешающую способность телевизионной камеры можно оценить, только наблюдая формируемое камерой изображение в процессе ее испытания.

Рис.9.16. Изображения (вверху) и осциллограммы строки 550 телевизионных линий (внизу) вертикального клина, полученные с помощью трех различных телевизионных камер высокого разрешения, при установленных в них одинаковых объективах TO412FICS при значении диафрагмы F 8,0. а) - телевизионная камера без корректора четкости CV-300, б) - телевизионная камера с несимметричным корректором четкости WAT-902H, в) - телевизионная камера с адаптивным, симметричным корректором четкости VNC-742.

Рис. 9.17. Зависимость глубины модуляции сигнала (амплитуды частотно-контрастной характеристики) на горизонтальной мире 550 ТВЛ от относительного отверстия объектива (значения диафрагмы) в телевизионной камере высокого разрешения при установленном объективе TO412FICS фирмы Computar. Значение при F 0,8 получено при установленном асферическом объективе HG0608AFCS-HSP этой же фирмы. - а). Изображения центральной части тест-таблицы, формируемые телевизионной камерой высокого разрешения при установленном объективе с относительными отверстиями F 0,8 - б), F 2,0 - в) и F 8,0 - г).

• Для расширения диапазона рабочих освещенностей телевизионных камер в них устанавливают объективы с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД). При использовании таких объективов можно получить диапазон рабочих освещенностей от 0,01 люкс до 100000 люкс и даже шире, то есть, обеспечить работу камеры и днем и ночью.

- Глубина модуляции сигнала на высоких пространственных частотах в АРД объективах зависит от значения диафрагмы и при полностью открытой диафрагме может уменьшаться в 10 и более раз от паспортной.

-Глубина резкости (диапазон расстояний, в пределах которых обеспечивается заданная четкость изображения) при полностью открытой диафрагме минимальна.

- Светорассеяние в объективе также зависит от значения диафрагмы и становится максимальным при полностью открытой диафрагме.

Следовательно, разрешающая способность и контраст изображения камеры с АРД объективом значительно ухудшаются в вечернее, и особенно ночное время, когда диафрагма объектива полностью открыта (рис.9.17).

Фокусировать камеры с АРД объективами нужно обязательно в темное время суток, когда диафрагма объектива полностью открыта (глубина резкости минимальна), и включено соответствующее искусственное освещение.

В камерах с АРД объективами обязательно нужно отключать встроенную систему электронного затвора, иначе диафрагма объектива будет полностью открыта не только ночью, но и днем с вытекающими из этого потерями разрешающей способности и глубины резкости.

a)

b)

Рис. 9.18. Уменьшения разрешающей способности при наблюдении камерой текста с различными величинами шрифта при отношении сигнал/шум 40 дБ - а) и при отношении сигнал/шум 20 дБ - б).

Разрешающую способность CCD камер принято определять числом элементов фотоприемника по соответствующим координатам, умноженным на коэффициент 0,75.

Реальная разрешающая способность камеры в телевизионной системе меньше расчетной по из-за потери разрешающей способности в объективах. Особенно заметна потеря четкости в «асферических» АРД объективах при полностью открытой диафрагме, когда глубина модуляции сигнала на частоте разрешения и глубина резкости уменьшаются в 10 и более раз. Максимальные потери возникают на краях изображения. Потери четкости возникают также из-за дрожания воздушных потоков перед камерой и от естественного загрязнения стекол объективов; из-за маскирующего влияния шума в темное время суток, а также из-за изменение фокусировки объектива при использовании искусственного освещения со спектральной характеристикой, отличающейся от естественного; из-за завала высоких частот видеосигнала в соединительных кабелях; из-за потери разрешающей способности в других блоках системы, в первую очередь в мультиплексорах, видеомагнитофонах и цифровых видеорегистраторах; из-за потери разрешающей способности в малогабаритных видеомониторах, обусловленной конечными размерами зерен люминофора кинескопов.