Возможное возвращение крупноформатных матриц 1/2", 2/3", 1" и более

Опубликовано: 02.09.2018

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций

Новый перспективный формат сверхвысокого качества 4K все-таки начал как-то продвигаться в системы видеонаблюдения. Во всяком случае, ведущие производители камер уже предлагают несколько подобных моделей. Правда далеко не все компании осмелились активно внедрять этот формат

Николай Чура

Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

Даже те производители, которые представляют видеокамеры 4К, могут похвастаться лишь несколькими моделями такого формата – фактически по одной из каждой наиболее популярной группы. Обычно это купольная, влагозащищенная и – как отдельный эксклюзивный по качеству вариант – корпусная для сменного объектива.

Понятно, что на данном поприще замечены два японских кита электронной индустрии, широко предлагающие и профессиональное видеооборудование. Поскольку камеры с таким информационным потоком реализованы только в IP-области, не отстает здесь и скандинавский практически создатель IP-направления. Естественно, два китайских гиганта видеонаблюдения от государственного и частного бизнеса также отметились в формате 4K. Разумеется, они оказались самыми продуктивными по количеству предлагаемых моделей.

4K в профессиональном и бытовом видео

Резкое увеличение разрешения не дается так просто, как хотелось бы. Даже если не учитывать проблемы с обработкой и передачей информации, остается задача получения изображения в условиях, типовых для видеонаблюдения. А это, как правило, сложные условия по освещенности.

Камеры формата 4K относительно давно используются в профессиональном телевидении и кинопроизводстве. Поскольку главным критерием там является качество изображения, в камерах применяются крупноформатные матрицы не менее 1", а зачастую и трехматричные системы, светосильная и крупноформатная оптика. Если в бытовых камкордерах 4K при записи практикуется сжатие (пока H.264), то в профессиональных областях (телевидение, кино, наука и т.д.) – передача несжатого изображения в формате SDI несколькими кабелями (6G) или оптоволокном. Но самое главное, что в этих случаях обычно создается искусственная освещенность, необходимая для получения изображения с максимальным динамическим диапазоном и минимальным шумом.

С таким же форматом матрицы появляются "бытовые" и полупрофессиональные камкордеры. Естественно, цены у такого оборудования не совсем "бытовые". Однако большой формат матрицы позволяет получить замечательные характеристики по чувствительности и динамическому диапазону и объективно обеспечить качество 4K по контрасту и глубине цвета.

Рост формата сенсора как единственный путь увеличения чувствительности

При видеонаблюдении не всегда можно создать требуемую освещенность, а иногда это и просто недопустимо. Поэтому здесь тем более можно ожидать использования крупноформатных сенсоров, поскольку чувствительность и динамический диапазон камеры в первую очередь зависят от площади единичного элемента разрешения – пикселя. Светосила оптики, естественно, также определяет чувствительность камеры, однако создание довольно большой "длины" резкого изображения часто вынуждает существенно диафрагмировать объектив для увеличения глубины резкости. Особенно это характерно в отношении длиннофокусных объективов, применяемых для периметральной охраны или удаленного наблюдения обширных городских пространств. Из-за этого трудно рассчитывать исключительно на светосильную оптику, поскольку все равно нельзя будет использовать ее на максимум пропускания.

Реальное положение вещей

Собственно, увеличение форматов матриц для камер 4K уже произошло. Если современный типовой формат матриц у камер от стандартного аналога до мегапиксельных аналоговых и IP-видеокамер наблюдения FullHD не превышает 1/3", то для существующих камер 4K относительно бюджетных китайских производителей формат в среднем не менее 1/2" или близкий к этому (1/1,7" и 1/2,3"). Продукты скандинавского специалиста по IP также составляют 1/2,5" или 1/2,3". Все-таки более 1/3". Некоторое увеличение формата матриц позволяет несколько повысить заявленную чувствительность и динамический диапазон камер, если, конечно, последний вообще заявляется. Относительно чувствительности – сравнивая различные модели, можно отметить, что производители более востребованных моделей не сильно смущаются приведением замечательных характеристик, несмотря на существенное снижение площади пикселя с переходом на формат 4K. Площадь чувствительного элемента (пикселя), а соответственно, и чувствительность при переходе с FullHD к 4K должна была снизиться в 2,3–3 раза (хотя формат и увеличился почти до 1/2"). Однако более совершенная технология обратной засветки (BSI) уменьшила это снижение до 1,8–2 раз. Поскольку наиболее полные данные на сенсоры предоставляет компания SONY, эти оценки сделаны на основе параметров их сенсоров. В таблице приведена информация по сенсорам разных форматов и технологий. Поскольку другие производители сенсоров используют практически идентичные технологические приемы, по всей видимости, эти соображения можно распространить и на них. Примечательно, что только для сенсора с форматом 1" чувствительность становится хотя бы такого же порядка, как у привычных аналоговых моделей 960H, и все равно меньше нее в 2 раза.

Из таблицы понятно, что площадь пикселя при росте разрешения до 4K возвращается по порядку величины к уже привычному размеру, характерному для FullHD, только при увеличении матрицы до 1". Столбец удельной чувствительности на один квадратный микрометр хорошо характеризует успехи совершенствования технологии матриц. Видно, что уже Exmor, а уже тем более Exmor-R и, соответственно, все технологии обратной засветки (BSI) не только сравнялись с лучшими технологиями CCD, но и уверенно обходят их по чувствительности.

Особенности представления характеристик

В наше время (почему-то!) принято заявлять чувствительность или минимальную освещенность телекамеры при максимальной АРУ, а иногда и накоплении. Не смешно, но максимальная глубина АРУ, "естественно", не указывается. Спасибо, что о накоплении что-то сообщается. Хотя бы о его максимальном значении. Соотношение сигнал/шум при этом также остается неведомым. Кстати, интересно, но максимальное значение накопления в камерах 4K реализуется значительно меньшим, чем было принято в аналоговых моделях, и не превышает нескольких единиц. Да и вообще в спецификации это не дается как отдельная функция (хNN), а обозначается в диапазоне электронного затвора как нижняя граница 1/3 или 1/4 с, что соответствует около десяти крат. Во всяком случае, здесь не увидишь фантастических значений в 512 и 1024. Возможно, чтобы не нервировать потребителя полным пропаданием подвижного объекта на фоне великолепного цветного ночного пейзажа.

Все матрицы в камерах используются с технологией CMOS прогрессивного сканирования. В зависимости от производителя камеры, как уже отмечалось выше, применяются матрицы технологий MOS, Exmor-R или BSI 2. Видимо, высокие требования к качеству оптики снизили также кратность увеличения объектива до 4–6 в том небольшом числе предложений купольных поворотных камер.

На основании существующих камер видеонаблюдения 4K можно констатировать, что взят только первый рубеж по повышению формата используемых матриц – 1/2".

Значение типа электронного затвора

Для основной массы представленных камер 4К не акцентируется вопрос о принципе электронного затвора. Мягко говоря, не всегда ясно, используется в матрице покадровый затвор (Global Shutter) или построчный затвор (Rolling Shutter). А от этого зависит, как будет передаваться движение в кадре и не появится ли существенных геометрических искажений объектов.

На рис. 1 приведены сравнительные кадры камер с различным типом электронного затвора. Для камер формата 4K было бы особенно обидно иметь такие искажения изображения.

Суперобразец суперформата

Можно увидеть практический образец, к которому надо стремиться, поскольку уже производится, можно сказать, эксклюзивная сетевая IP-камера. Это модель для сменного объектива, которая оборудована полнокадровым CMOS-сенсором Exmor 35 мм в 12 Мпкс. Естественно, что для работы с полнокадровым сенсором вместо C/CS используется посадочное место с профессиональным байонетом E. Заявлена феноменальная чувствительность в 0,004 лк (при 30 IRE, 1/30 с, F1.4) для цветного изображения. Такая величина сильно напоминает те легковесные "люксы", к которым мы привыкли по современным каталогам. Сравним данные по чувствительности для вышеприведенной IP-модели и полупрофессиональных камер с дюймовыми матрицами. Для последних чувствительность в цвете заявляется 4–6 лк, что довольно реально и не выглядит фантастикой. На рис. 2 приведены относительные размеры сенсоров. Грубая оценка роста площади при переходе на полнокадровую матрицу 36х24 мм с таким же разрешением дает приблизительное значение от 7 до 8 раз. Другими словами, можно в реальности рассчитывать на чувствительность от 0,5 до 0,85 лк. Что более похоже на правду, если не учитывать АРУ и другие современные "чудеса" техники. С другой стороны, для 4K это замечательно и хорошо показывает сложности реализации нового формата.

Разумеется, камера снабжена всем перечнем уже типовых функций, улучшающих характеристики наблюдения. Это шумопонижение, накопление сигнала х30 увеличением времени электронного затвора до 1 с, расширение и без того широкого динамического диапазона и регулируемая до 72 дБ АРУ, а также новая функция "Антитуман". Правда, стоимость такой камеры пока крайне высока – более 7500 долл. Причем это только камера. А с учетом объектива эта сумма может округлиться и до 10 000 долл. Таким образом, качественное наблюдение 4K сейчас может оказаться крайне дорогим удовольствием. А низкое качество, по всей видимости, и не совсем нужно, поскольку реализовать все преимущества этого формата можно только при выполнении всех требований по шумам, динамическому диапазону, глубине цвета и контрасту изображения.

Еще в 1990-е гг., в эпоху уменьшения форматов матриц и удешевления камер, считалось, что уменьшение формата снижает стоимость камеры в восьмой степени кратности снижения. Интересно, как это соотношение выглядит для современных CMOS-структур.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2016

Посещений: 2307

   Автор

Чура Н.И.Технический консультант ООО "Система СБ" и ООО "Микровидео /Группа".

Всего статей:  54

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций

Добавить комментарий

rss