Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» - umotnas.ru o_O
Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» - umotnas.ru o_O
|
Похожие работы
|
Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» - страница №3/4
Рис.7.41. Профилограммы в полярной системе координатРазрешение прибора : по глубине - 0.1 мкм, по поверхности - 10 мкм. Были проведены исследования и получены положительные результаты по контролю профиля гребня колеса в динамике. При этом в качестве источника использовался полупроводниковый лазер, а приемника CCD - матрица. Ниже приведены отдельные фрагменты поясняющие общий принцип контроля. Рис.7.42. Упрощенная схема макета
На рисунках пояснены отдельные результаты проделанной работы. Полоса лазерного излучения падает на гребень под углом. В месте встречи формируется яркостная кривая, несущая информацию о форме профиля. Матричный фотоприемник (рис.7.42 справа - внизу) считывает изображение (рис.7.43). Вычисления проводятся относительно аналогично полученного изображения полосы на плоскости (рис. 7.44). Полученный профиль гребня рассчитан по 150 точкам. Отчетливо видны следы резца (гребень после проточки). Разрешение по обеим осям - 0.1 мм. Рис.7.45. Вычисленный профиль гребня. Контроль профиля гребня возможен и при движении и скорости до 5 км / час. На рис. 7.46, 7.47, 7.48 показаны фотографии макета.
Оптическая система создает не плоское, а объемное изображение. В пространстве изображений представим совокупность точек, в которых сходятся лучи вышедшие из точек пространства предметов. Смещение точки вдоль оптической оси в пространстве предметов приводит к смещению ее изображения в пространстве изображений. Коэффициент продольного увеличения зависит, в основном, от коэффициента линейного увеличения. . Для объективов зависимость от положения точки в пространстве предметов, приблизительно, (- расстояние от переднего фокуса системы до точки). Оптические инварианты говорят о том, что линия в пространстве предметов изображается линией в пространстве изображений. Изображение точки, движущейся в пространстве предметов с постоянной скоростью по линии не перпендикулярной оптической оси, движется по линии в пространстве изображений с изменяющейся скоростью. Т. е. происходит нелинейное искажение изображения формы объекта (рис. 7.49). Рис.7.49. Иллюстрация изменений профиля гармонической формы Триангуляция и некоторые другие 3D методы широко используют эти положения в своих реализациях. Предмет и изображение соответственно не перпендикулярны оптической оси системы. Приемник устанавливается максимально приближенно к плоскости изображения предметной плоскости. Для рабочей плоскости в пространстве предметов здесь constant, и следовательно для сопряженной плоскости constant. Так же, как в простейших приборах наблюдения здесь работает понятие разрешение оптической системы, функций рассеивания линии и точки, оптической передаточной функции, частотно-контрастной характеристики, но все функции трехмерные и зависят от . Т. Окоши ввел понятие придела разрешения по оси для точки смещенной относительно положения наилучшей фокусировки при котором кружок рассеивания увеличатся по диаметру враза. Для дифракци онноограниченной оптики , где - диаметр входного зрачка. Для осецентрированной системы и =constant . Как видно из формул разрешение по оси в несколько раз хуже. Описанные примеры и теоретические выкладки не исчерпывают многообразия приборов 3D. Даже простейший пример – зрение человека, животных базируются на многих заключениях и требуют строго анализа, но приведенные упрощенные выводы позволят выполнить стартовые расчеты.. 8. Формирование изображений в акустике, системах заряженных частиц, магнитных полях Как не велика роль оптического диапазона длин электромагнитных волн она не исчерпывает всех вопросов информационных технологий, связанных с получением и обработкой изображений. Электромагнитные, акустические, электрические поля, заряженные частицы широко используются в промышленных технологиях, научных исследованиях. Анализ наполнения изображений в этих полях осуществляется методами схожими с теми, которые применяются в оптико-электронных приборах. Здесь также рассматриваются вопросы отражения, прохождения полей, их частотная «окраска» и т. п. Стремление получить именно изображение обусловлено возможностями человека работать со световой информацией. Генераторы, приемники имеют свою специфику. Это могут бать магнитные ленты, магнитные порошки, приборы на эффектах Холла, индукционные, проволочные, емкостные датчики и т.д. Многие из них позволяют «видеть» дефекты в ферромагнитных материалах, электрические поля биологических объектов, регистрировать и по положении давать информацию о энергии заряженных частиц. Сложно в рамках ограниченного времени рассмотреть физические процессы, идущие во всех этих системах, по этому, остановимся только на акустике. Акустические колебания распространяются только в материальных средах. Они обладают высокой проникающей способностью и представляют собой упругие волны частотой от 1 Гц до нескольких десятков гигагерц. Акустическая волна раскачивает частицы среды вдоль или поперек направления распространения волны (продольные, поперечные). Именно продольные волны воспринимаются человеческим ухом. Так же как в оптике классификация волн учитывает способность «слышать» уха человека. Согласно экспериментальным данным, эти волны разделяют на инфразвук (частота ниже 10 Гц), звук (10 Гц…20 КГц)и ультразвук (20 КГц…единицы ГГц) и гиперзвук (выше десяти ГГц). При частоте колебаний в мегагерцовом диапазоне, звуковая энергия практически не проходит через воздух и другие газы, но свободно передается в большинстве жидкостей и обычных конструкционных материалах. Два типа волн распространяются в твердых телах (скорость распространения каждого типа различна), в газах и жидкостях существуют продольные волны. Наряду с указанными существуют поверхностные волны обусловленные упругой нелинейностью твердых тел или волны Рэлея, сагиттальные волны на доменной стенке в сегнетоэлектриках, граничные волны утечки с профилем поля не вытекающих волн и другие. Скорость звука v для упругой деформации, подчиняющейся закону Гука, , где - плотность материала (масса единицы объема), С – модуль сдвига, зависящий от материала и типа деформации.
Звуковые волны могут преобразовываться из одной формы в другую. Более четко различие скоростей акустических волн от их типа видно из определения скоростей продольных и поперечных волн: Скорость звука зависит от температуры, для жидких и газовых сред от давления, влажности. Например, в воздухе скорость звука =0,3 …0,34 км/с. Регистрируется, чаще всего, интенсивность волны. Оно пропорционально акустическому давлению:, где - круговая частота рад/с, - смещение частицы среды. - волновое сопротивление (звуковой импеданс) среды. Величина методически при построении изображений похожа на коэффициент преломления в оптике. Интенсивность волны . Эти соотношения справедливы для продольных, поперечных, плоских, сферичных волн. Величина смещения в акустической волне мала. Даже в воздухе она менее 10% при интенсивностях порядка . Для современной техники такие интенсивности можно создать лишь кратковременно. В жидкостях эта мощность даст . При прохождении волны через границу двух материалов, часть энергии отражается. Количество отраженной энергии, или коэффициент отражения, определяется соответствующим акустическим импедансом двух материалов. В свою очередь, акустический импеданс - свойство материала, определяемое как плотность, умноженная на скорость звука в данном материале. Коэффициент отражения для двух любых материалов при нормальном падении волны может быть рассчитан по формуле , где Z1 - акустический импеданс первого материала, Z2 - акустический импеданс второго материала На границе металл/воздух коэффициент отражения достигает 100%. Фактически, вся звуковая энергия отражается от трещин или других неоднородностей, встречающихся на пути волны. Для того чтобы датчик «слышал» волну в металле (например, изделии дефектность которого проверяется) необходима прослойка. Часто это магнитная жидкость, обеспечивающая прохождение волн – металл – жидкость – датчик. В ситуации, когда звуковая волна отражается от поверхности материала, угол отражения равен углу падения. Волна, подающая под прямым углом, прямолинейно отразится назад. При падении волны под углом, она отразится под тем же углом. Коэффициент прохождения волн . Например, сталь/вода: = -0,93, = 0,06; вода/сталь = 0,93, = 1,93; Баланс энергий соблюдается через интенсивности волн . Необходимо учитывать и большой разброс цифр значений волнового сопротивления металлов, жидкостей и газов (3…4 порядка). Поглощение волны - потеря энергии, связанная со свойством материала поглощать звуковую энергию при прохождении волны сквозь него. Рассеивание – беспорядочное отображение звуковой волны от границ с гранулами и другими микроструктурами материала. При увеличении частоты, увеличивается поглощение волны, но снижаются характеристики затухания и рассеивания. Обычно рассматривают два механизма в ослаблении волн – рассеивание и поглощение. Рассеивание характерно для неоднородных материалов. При размерах зерен рассеивание не велико и растет ~ кубу размера зерна, а при практически наступает «густой туман». Поглощение – преобразование волны в тепло, оно, как правило, увеличивается с ростом частоты акустической волны. Затухание волны может быть описано как экспоненциальное уменьшение ее давления с увеличением расстояния проходимого волной в материале. Или , где - коэффициент затухания в неперах на см. Затухание волны может быть описано и как экспоненциальное уменьшение интенсивности давления с увеличением расстояния проходимого волной в материале. Затухание мало в металлах (децибела на м) (алюминий, сталь, бронза не деформированные). Изображения в рисунках, картах, мониторах распределения давлений обычно идет через прорисовку линии постоянных давлений – изобар. Тогда можно наблюдать явления фокусировки, дифракции акустических волн. Из приведенного материала видна схожесть процессов формирования изображений в акустике. Ряд приборов напрямую дают фильмы, изображения с переносом в цветояркостное пространство, доступное глазу человека. Это прежде всего ультрозвуковые сканеры. Так же как и в оптике, скорость распространения волны является важным параметром, отображающим свойства и состав объекта. На рис.8.2 приведено расположение, ориентировочно, отдельных участков различных биологических материалов. Зависимости приделов прочности стали, чугуна, кирпича от величин скорости распространения акустической волны используются в ультразвуковой диагностике. Используется и коэффициента отражения при прохождении волны границ сред (рис. 8.3 ориентировочно по отношению к некоторому (калибровочному) значению коэффициента отражения волны). Рис. 8.3. Коэффициент отражения при прохождении волны границ сред Определенные подобия встречаются и с цветовыми соотношениями (например, тембр голоса рассматривают, как его цвет) и т. д. На рис 8.4 показано изменение затухание в биологических средах с ростом частоты акустического затухания. Рис 8.4. Затухание волны в биологических средах Исследование объектов, сцен в магнитных полях, электромагнитных волнах радиочастотного диапазона ограничено достаточно большой длиной волны этих излучений. Но для магнитных полей частично «прозрачны» ферромагнитные среды, радиоволны огибают земной шар и т.п. 9. Многоэлементные фотоприемники, сканирующие системы Механизмы фотоэффекта, как процесса выработки носителей заряда под действием квантов оптического излучения, достаточно многообразны. Однако, выделяют две группы приборов – с внешним и внутренним фотоэффектом. При внешнем фотоэффекте электроны, получившие от квантов дополнительную энергию, движутся в вакууме или газе. Использование этого эффекта характерно для вакуумных и ионных приборов. Внутренний фотоэффект лежит в основе работы твердотельных приборов. И первые, и вторые не исчерпывают всего многообразия приемников оптического излучения. Не вошли в эти группы тепловые, фотохимические, пьезоэлектрические приборы и другие. Их применение ограничено, но они решают задачи, которые не под силу основным приемникам. Первыми, в области приемников считывания двумерного распределения оптического сигнала, стали приборы мгновенного действия – диссекторы. Далее был создано множество приборов с внешним фотоэффектом имеющих накапливающую пленку (или матрицу фотодиодов) с высоким поверхностным сопротивлением, не позволяющим растекаться заряду. Пленка весьма тонкая и позволяет считывать и перезаряжать ее поверхность с двух сторон. Это иконоскопы, ортиконы, изоконы, видиконы и т.п. Наличие электронных ускорителей с приемной стороны добавило к их названием приставку супер (супервидиконы и т.п.). Приборы с внутренним фотоэффектом сегодня дешевы, потребляют мало энергии и используются в многих отраслях техники. Начиная с оптических «мышек», охранных систем до космических спутников. Их прогресс удивляет и специалистов. Рассмотрим специфику и параметры отдельных приемников. Их можно разделить на стандартные (поддерживающих определенный стандарт PAL, CECAM, NTC, высокой четкости и т.п.) и ориентированные на свободное применение (цифровые процессоры сигналов, входящие в состав фотоаппаратов, камер обычно пересчитывают в сигналы и в стандартные так же). Стандартные матрицы реально по своей численности превосходят центральные процессоры компьютеров. Их рекламные параметры сильно определяются рыночной конъюнктурой и весьма не определенные. Процессы ежегодного улучшения параметров матриц аналогично процессам совершенствования цифровых СБИС. Тем не менее можно задать определенные ориентиры, которые, вероятно, будут таковыми несколько лет. Число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала). Наиболее крупным из изготовленных CCD является монокристальный прибор корпорации Ford Aerospace размером 4096х4096 пикселов со стороной пиксела 7,5 микрон, а также CMOS сенсор компании Canon 120 мегапиксельного разрешения (13280×9184). Многими фирмами изготавливаются CCD с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные CCD. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается прибор 2048х4096 15 мкм. Выводы этого CCD вынесены на одну узкую сторону. Cоздано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе CCD-мозаик. Так, например, из восьми CCD 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами CCD составляют менее 1 мм. В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до единиц мм) устраняют тем, что полное изображение получать суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, смещенных относительно друг друга, заполняя, таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, генерирует 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов). От числа элементов CCD-матрицы напрямую зависит один из основных параметров камеры - разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики. Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте. Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов CCD-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами. За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом . 625 строк телевизионной развертки. Различие в разрешении по горизонтали обычно указывается в технических описаниях. На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач наблюдения общего характера. Однако, для специализированных систем и задач, таких, как мониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра камерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением 570 и более твлиний). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых. Разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области CCD-матрицы. Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют красивыми словами типа «resolution enhancement» или «edge enhancement», что можно перевести как «контрастное разрешение» и «подчёркнутые границы». Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом, улучшается только четкость передачи границ черного и белого. Однако есть один случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на несущей (в стандарте PAL . на частоте около 4,4 МГц), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц (строго говоря, стандарт предполагает гребёнчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ. Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла CCD. Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход. Квантовый выход это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов. Квантовая эффективность . это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала. По квантовой эффективности CCD не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) до 20%, у CCD этот параметр может достигать 95% при типичном значении около 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у CCD. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных камер и фотоэмульсий. CCD реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот диапазон больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени. Однако для потребителей приборов наблюдения, применяемых в охранных системах, чаще используют другое определение чувствительности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination). С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения (иногда этот коэффициент называют словом «альбедо»). Альбедо обычно определяется на конкретной длине волны, хотя есть такое понятие как болометрическое альбедо. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности на объекте. Это особенно сказывается при проектировании систем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях (коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4). Освещенность на объекте и матрице отличаются обычно больше, чем в 10 раз. Для справки на улице (широта Москвы): Безоблачный солнечный день 100 000 люкс; Солнечный день с легкими облаками 70 000 люкс; Пасмурный день 20 000 люкс; Ранее утро 500 люкс; Сумерки 0.1 - 4 люкса; «Белые ночи»* 0.01 - 0.1 люкса; Ясная ночь, полная луна 0,02 люкса; Ночь, луна в облаках 0,007 люкса; Темная облачная ночь 0,00005 люкса; Освещенное помещение без окон 100 - 200 люкс; Хорошо освещенное помещение 200 - 1000 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. Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов (%): Снег 90; Белая краска 75-90; Стекло 70; Кирпич 35; Трава, деревья 20; Человеческое лицо 15 - 25; 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 100 - 10000 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 примерно 34 -36 дБ. Сейчас при минимальной освещенности можно различить только крупные детали изображения, то есть отношение сигнал/шум 20 - 24 дБ. 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. 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 значение 20 - 30 электронов/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 450 - 600 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) 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. Суммарное ухудшение разрешающей способности телевизионных камер в охранных телевизионных системах может уменьшаться по сравнению с расчетным до 2-х раз днем до 3 - 5 раз и более, ночью. Оцифровка сигналов в камерах имеет свои особенности. Рис. 9.19. Распространенная частотная характеристика канала для аналогового телевизионного сигнала Рис. 9.20. Модуляция аналогового сигнала в камере с добавкой синхросигналов (наиболее распространенный аналоговый сигнал с цветных камер наблюдения) Обработка сигналов с ССД приемников имеет свою специфику. Например, формат BT656 предполагает наличие сложного суммарного аналогового сигнала с встроенными синхроимпульсами (рис. 9.20). Она производится по схеме указанной на рис.9.21 различными АЦП и модулями в том числе и специализированными платами (рис. 9.22). Рис. 9.22. Фреймграббер фирмы Circuitcellar Рис.9.23. Сигналы с CCD TC253SPD Сложность оцифровки не исчерпывает всей специфики обработки сигналов с матриц. На рис. 9.23. показаны реальные выходные сигналы с матрицы CCD. Необходимо учитывать и уровень сигнала сброса. В реальных входных усилителях проводится двойная коррелированная выборка, при которой выходной сигнал снимается относительно сигнала сброса. Синхронизация входного каскада осуществляется с СБИС синхронизации матрицы. 10 Расчет энергетических характеристик сигналов Геометрическая часть расчета. Найдем отношение между яркостью точки L на поверхности объекта и освещенностью E соответствующей точки на изображении. Рассмотрим объектив с входным зрачком диаметром d на расстоянии f от плоскости изображения (рис. 10.1). Пусть площадка поверхности объекта имеет площадь , а соответствующая площадка изображения – площадь . Предположим, что луч, направленный от площадки объекта к центру объектива, образует угол с оптической осью, а угол между этим лучом и нормалью к площадке равен . Площадка находится на расстоянии -z от объектива вдоль оптической оси. (Знак минус появляется из-за того, что ось z в нашей системе координат направлена к плоскости изображения.) Рис. 10.1. Диффузионное отражение . Это простейший вариант расчета части энергии пришедшей на чувствительную площадку приемника . Полученные цифры умножаются на коэффициент отражения поверхности и коэффициент пропускания оптической системы. Не обходимо помнить то, что энергетические расчеты целесообразно в подавляющем большинстве случаев применения приборов вести с точностями 1…10%. Освещенность плоскости изображения пропорциональна яркости точки на объекте. Коэффициент пропорциональности в этой формуле содержит квадрат относительного отверстия d/f, а также множитель, убывающий как четвертая степень косинуса угла, образованного лучом, который направлен из точки изображения к центру линзы, и оптической осью (~ 0.94 ). Это падение чувствительности не очень существенно, когда изображение располагается в пределах узкого угла, как в случае с телескопическими объективами. Более того, в типичных оптических системах диафрагмы, расположенные вдоль оптической оси, отсекают часть света для наклонных лучей. Итак, мы определили яркость сцены так, чтобы она соответствовала интуитивному понятию яркости, которая, в конечном счете, связана с освещенностью плоскости изображения. Рис. 10.2. Индикатриса диффузионного отражения В более точных расчетах яркость сцены зависит от величины света падающего на поверхность, от доли отражаемых падающих лучей, а также от геометрических условий отражения света, как ясно показывает пример зеркала. То есть яркость поверхности в общем случае зависит от направлении, под которым она наблюдается, и от направления, в котором она освещается. Можно описать эти направления в локальной системе координат на поверхности объекта (рис. 10.6).Рассмотрим нормаль n к поверхности и произвольную линию на ней. Н аправления можно описать с помощью углов между лучом и нормалью и между ортогональной проекцией луча на поверхность и линией на поверхности. Эти углы называются полярным и азимутальным соответственно. Они позволяют нам определить направления и , под которыми свет падает на поверхность и излучается к наблюдателю (рис. 10.2). Рис. 10.3. Диффузионное отражение Теперь можно определить двухлучевую функцию отражательной способности (ДФОС), которая показывает, насколько яркой кажется поверхность при заданных направлениях наблюдения и освещения. Пусть количество света, падающего на поверхность по направлению ,— освещенность поверхности,— будет . Пусть яркость поверхности, наблюдаемая в направлении , будет . ДФОС — это просто отношение яркости поверхности к ее освещенности: Для многих поверхностей их яркость не меняется при повороте поверхности вокруг нормали. В этом случае ДФОС зависит не от и по отдельности, а от их разности- . Это, в частности, верно для матовых и зеркально отражающих поверхностей, но не верно для поверхностей с ориентированной микроструктурой, например для минерала, называемого тигровый глаз, или радужных перьев некоторых птиц. Имеется одно интересное ограничение на вид ДФОС. Если две поверхности находятся в тепловом равновесии, то излучение, приходящее на одну поверхность от другой, должно уравновешиваться излучением в обратном направлении. Если бы этого не было, то одна поверхность нагревалась бы, а другая остывала и равновесие нарушилось бы. Это противоречило бы второму закону термодинамики. В реальном случае могут существовать несколько точечных или даже протяженных источников, как например, небо. В случае протяженного источника, чтобы получить ненулевое излучение поверхности, мы должны рассматривать ненулевой телесный угол. Рассмотрим бесконечно малую площадку неба размером по полярному и по азимутальному углам рис. 10.1. Рис. 10.4. Диффузионное отражение Эта площадка задает телесный угол . Если положить, что мощность излучения, приходящего по направлению на единицу телесного угла, равняется то мощность, идущая от рассматриваемой площадки, будет равняться выражению , а полная освещенность поверхности — выражению Для получения яркости поверхности объекта необходимо проинтегрировать произведение ДФОС и освещенности по полусфере возможных направлений падения света. Таким образом: Идеальной ламбертовой поверхностью называется такая поверхность, кажущаяся яркость которой одинакова при любых направлениях наблюдения и которая отражает все падающие лучи, ничего не поглощая. Из этого определения следует, что ДФОС для такой поверхности должна быть константой. Чтобы определить ее, проинтегрируем яркость поверхности объекта по всем направлениям и приравняем полученную таким образом полную яркость полной освещенности или Используя соотношение 2sincos = sin2, получим . Итак, для идеальной ламбертовой поверхности. Заметим, что, поскольку ДФОС постоянна для ламбертовой поверхности, мы можем вычислить яркость L по освещенности т. е. . Этот простой метод, конечно, нельзя применить к поверхности с другими отражательными свойствами. ДФОС можно определить экспериментально, освещая плоский образец интересующего нас материала лампой, установленной на гониометре, и измеряя его яркость с помощью сенсора, установленного на другом гониометре, (Гониометр имеет две оси вращения, поэтому установленный на нем прибор можно точно выставить по направлению.) Экспериментальное определение ДФОС очень утомительно, так как определяется зависимость от четырех переменных. К счастью, обычно значимыми являются только три из них: , и . Другой способ получения ДФОС заключается в построении модели отражения света от поверхности и в нахождении соответствующих отражательных свойств аналитически или численным моделированием. Ориентация поверхности Функция ДФОС имеет фундаментальное значение при изучении отражения от поверхности. Однако это не совсем то, что нужно, при изучении формирования изображения. Прежде всего, чтобы свести воедино распределение источников света, мы должны проинтегрировать ДФОС по всем возможным направлениям падения света. Это дает нам функцию, зависящую только от двух параметров. Мы можем связать эти два параметра с ориентацией, очень важной характеристикой изображаемой поверхности. Однако чтобы успешно проделать это необходимо отказаться от локальной координатной системы, используемой при определении ДФОС, и использовать вместо нее систему координат, связанную с наблюдателем. Выберем систем так, чтобы одна из ее осей была направлена вдоль оптической оси системы формирующей изображение. Мы можем поместить начало координат в центр линзы, а две оси будут параллельны плоскости изображения. Чтобы оси составляли правую тройку, направим ось z на изображение. Нормаль к поверхности перпендикулярна всем линиям на касательной плоскости. Следовательно, ее можно найти в виде векторного произведения любых двух (непараллельных) прямых на касательной плоскости. Предположим, мы берем небольшое приращение в направлении x из данной точки (х, у). Изменение z можно найти с помощью разложения в ряд Тейлора в виде , где e содержит члены более высоких порядков. Для первых частных производных z по х и у используем обозначения p и q соответственно. Таким образом, р- это наклон поверхности в направлении х, а q - в направлении у. Вектор (р, q) довольно удачно назван градиентом поверхности, поскольку его компоненты р и q характеризуют наклон поверхности в направлениях x и у соответственно. << предыдущая страница следующая страница >> |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|