Методики улучшения изображения

Пусть система  должна работать в телевизионном  стандарте. Тогда T_н1 = 18,4 мс, а расчетная величина T_н2= 9,2 мс. Световая характеристика этого двухканального преобразования “свет-сигнал” показана на рис. 19 сплошной линией.

При практической реализации [6, 7, 8] двухканальной телекамеры на единственной ПЗС-матрице целесообразно  установить время накопления второго  канала T_н2 существенно меньше расчетного значения. Если при этом согласиться со снижением заданного отношения сигнал/шум, начиная от освещенности E₂ и далее, то можно получить выигрыш в динамическом диапазоне больше, чем два раза.

Например, при  выборе значения T^*_н2 = 1,18 мс будем иметь выигрыш в динамическом диапазоне, равный 15,6 раз или 24 дБ (световая характеристика показана линией “круглые точки” на рис. 19). 

2. Телевизионные наблюдения в сложных условиях. 

2.1 Способы расширения  диапазона рабочих  освещенностей.

Изобретатели  совершенствуют телекамеры, пытаясь  довести их до качества природного глаза. Оказалось, что человеческий глаз - совершенный зрительный прибор. Он имеет много удивительных свойств  и одно из них - широчайший диапазон воспринимаемых освещенностей. Днем мы можем наблюдать, чуть прищурясь белый снег под солнцем и облака с освещенностью более 100000 люкс. Ночью мы легко идем по дороге, освещенной светом звезд (примерно 0,0001 люкс). Разделив первое значение на второе, получим 10⁹ - диапазон воспринимаемых глазом освещенностей равный одному миллиарду или 180 дБ!

Ни один электронный  датчик сигнала не имеет столь  широкого динамического диапазона. Это обусловлено физическими  ограничениями - уровнем собственного шума с одной стороны и уровнем  насыщения сигнала с другой. Но как выяснилось, не имеют такого диапазона и естественные датчики оптического сигнала: колбочки и палочки человеческого глаза. С натяжкой можно считать, что динамический диапазон как естественных, так и искусственных датчиков света равен 1000 (60 дБ). Откуда же берется один миллиард?

Для достижения диапазона большего, чем динамический диапазон датчика сигнала необходимо построение системы автоматического  регулирования или адаптации. В телевизионных 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 телекамере).
• Во втором способе сам фоточувствительный датчик делают управляемым и за счет адаптации параметров изменяют его чувствительность.

В современных  телекамерах используют оба способа  адаптации к уровню освещенности, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Ниже будут рассмотрены возможности и ограничения каждого способа применительно к области сверх высоких и сверх низких освещенностей.

2.2 Способы улучшения  чувствительности.

Существуют следующие  способы улучшения чувствительности телевизионных CCD камер:

• Применение высокочувствительных матриц CCD и светосильных объективов.
• Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения ЭОП.
• Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда в CCD.

2.3 Применение высокочувствительных матриц CCD и светосильных объективов.

Сначала перечислим факторы, ограничивающие чувствительность в современных CCD камерах и возможности их улучшения путем применения новых CCD и объективов.

1. 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 в ближайшем будущем трудно ожидать заметных улучшений их параметров.

2. 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. 10 лет назад это было одним из главных ограничений чувствительность. Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на маленькие фоточувствительные ячейки. Год назад SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию матриц CCD под маркой EXWAWEHAD ССD, что позволило дополнительно в 3 - 4 раза поднять чувствительность телекамер. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.
3. Потери при преобразовании фотон/электрон. Квантовый выход лучших CCD приближается к 0,5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК. Освоение новых материалов и дальнейшая оптимизации структуры приборов в будущем могла бы позволить увеличить это значение, особенно в области синего и ближней ультрафиолетовой, что могло бы улучшить чувствительность камер. Однако серьезных сдвигов здесь также трудно ожидать.
4. Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD. В настоящий момент шум считывания - главный фактор ограничивающий чувствительность телекамер. Его значение 20 - 30 электронов/пиксел 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 пиксела в случае, когда света много, что приведет к ограничению сигнала в дневных условиях. Есть патенты, в которых предлагается разместить в CCD матрице 2 выходных устройства, одно для малых, а другое для больших зарядов, и переключать их ночью и днем соответственно. Поэтому можно ожидать в дальнейшем появление новых CCD с уменьшенным шумом выходного устройства, что могло бы привести к дальнейшему росту чувствительности CCD камер в несколько раз.

5. 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. Еще 13 лет назад была опубликована статья, где 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 фирм PANASONIC, BAXALL, ЭВС. Российским специалистам удалось сфотографировать светящиеся транзисторы с помощью высокочувствительной камеры VNC-702. Для этого были использованы две камеры, причем одна из них наблюдала CCD матрицу другой камеры, находящуюся во включенном состоянии. На изображении отчетливо видно, как светятся оба транзистора двухкаскадного выходного устройства матрицы CCD ICX249AL. Были проверены и другие типы матриц CCD, и оказалось, что светятся выходные устройства всех исследованных матриц, но только с разными интенсивностью и площадью свечения. Это новая серьезная помеха, на которую не обращали ранее внимания, заставила фирму ЭВС дорабатывать японские матрицы и заклеивать их выходное устройство непрозрачным материалом в тех камерах, где требовалась максимальная чувствительность. Есть надежда, что производители CCD сами обратят внимание на свечение транзисторов и более простым способом закроют светящиеся элементы.

2.4 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 телекамер. Однако телекамеры 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. В настоящее время 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 телекамеры CCD+ЭОП все более вытесняются высокочувствительными CCD камерами с адаптивными "ночными" режимами, так, например чувствительность ЭОП поколений 1, 1+ и 2 успешно превзойдена ночными телекамерами фирм PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЭВС и другими. Поэтому, можно сказать, что камеры с ЭОП первых двух поколений уже не появятся сегодня на рынке телекамер, так как не могут конкурировать с CCD камерами ни по чувствительности, ни по стоимости. Камеры с ЭОП поколений 2+,3 и 3+ еще существуют как экзотика, но после очередных технологических революций фирм SONY и PANASONIC должны неизбежно исчезнуть, как мамонты.

Таблица 6. Сравнительные характеристики телекамер с ЭОП

Примечание. Так  как для камер с ЭОП цифры  чувствительности обычно приводятся для  изображений хорошего качества, при  полной разрешающей способности, то есть, при отношении сигнал/шум 34 - 36 дБ, то для сравнения с CCD камерами, где чувствительность приводится при отношениях сигнал/шум 20 - 24 дБ, цифры чувствительности в таблице 1 следует уменьшить в 5 раз (умножить на 0,2). 

2.5 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 новые матрицы SONY серии EXWAWEHAD, не составляет труда 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. Итак, как же можно с помощью адаптации параметров CCD улучшить чувствительность телевизионной камеры?

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 ПЗС 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 ПЗС 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. 25а. Накопление сигнала с шумом (стандартный метод)

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 настоящее время камеры с режимом "Electronic sensitivity enhancer" выпускают многие фирмы, такие как IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO и многие другие. 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.