Um den Lichtstrom in ein elektronisches Signal umzuwandeln, das dann in einen digitalen Code umgewandelt wird, der auf der Speicherkarte der Kamera aufgezeichnet wird.
Die Matrix besteht aus Pixeln, deren Zweck es ist, ein elektronisches Signal auszugeben, das der auf sie fallenden Lichtmenge entspricht.
Der Unterschied zwischen CCD- und CMOS-Matrizen ist Konvertierungstechnik vom Pixel empfangenes Signal. Bei einem CCD – sequentiell und mit minimalem Rauschen, bei CMOS – schnell und mit weniger Stromverbrauch (und dank zusätzlicher Schaltkreise wird das Rauschen deutlich reduziert).
Aber das Wichtigste zuerst...

Es gibt CCD- und CMOS-Matrizen

CCD-Matrix

Ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) wird so genannt, weil die Ladung zwischen lichtempfindlichen Elementen übertragen wird. von Pixel zu Pixel und ultimativ Entfernen der Ladung vom Sensor .

Ladungen werden entlang der Matrix linienförmig von oben nach unten verschoben. Somit bewegt sich die Ladung gleichzeitig über die Zeilen vieler Register (Spalten).
Vor dem Verlassen des CCD-Sensors wird die Ladung jedes Pixels verstärkt und das Ausgangssignal ist ein analoges Signal mit einer unterschiedlichen Spannung (abhängig von der Lichtmenge, die auf das Pixel trifft). Vor der Verarbeitung wird dieses Signal an gesendet separate (außerhalb des Chips) Analog-Digital-Wandler, und die resultierenden digitalen Daten werden in Bytes umgewandelt, die eine Zeile des vom Sensor empfangenen Bildes darstellen.

Da das CCD eine elektrische Ladung liefert, die einen geringen Widerstand aufweist und weniger anfällig für Störungen durch andere elektronische Komponenten ist, enthält das resultierende Signal typischerweise weniger Lärm im Vergleich zum Signal von CMOS-Sensoren.

CMOS-Matrix

IN CMOS-Matrix (CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductor, auf Englisch – CMOS) befindet sich das Verarbeitungsgerät neben jedem Pixel (manchmal auf der Matrix selbst montiert), wodurch es zunimmt Leistung Systeme. Auch aufgrund des Mangels an zusätzlichen Verarbeitungsgeräten stellen wir fest niedriges Niveau Energieverbrauch CMOS-Matrizen.

Eine Vorstellung vom Prozess des Auslesens von Informationen aus Matrizen erhalten Sie im folgenden Video

Die Technologien werden ständig verbessert, und heute weist das Vorhandensein einer CMOS-Matrix in einer Kamera oder Videokamera auf ein Modell höherer Klasse hin. Hersteller konzentrieren sich häufig auf Modelle mit CMOS-Matrizen.
In jüngster Zeit erfreut sich die Entwicklung einer CMOS-Matrix mit rückseitiger Anordnung der Leiter großer Beliebtheit, da sie bei Aufnahmen bei schlechten Lichtverhältnissen bessere Ergebnisse liefert und zudem einen geringeren Rauschpegel aufweist.

Derzeit verwenden die meisten Bilderfassungssysteme CCD-Matrizen (Charge-Coupled Device) als lichtempfindliches Gerät.

Das Funktionsprinzip einer CCD-Matrix ist wie folgt: Auf Siliziumbasis entsteht eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen (Akkumulationsabschnitt). Jedes lichtempfindliche Element hat die Eigenschaft, Ladungen proportional zur Anzahl der auftreffenden Photonen anzusammeln. Somit wird im Laufe einiger Zeit (Belichtungszeit) im Akkumulationsabschnitt eine zweidimensionale Ladungsmatrix proportional zur Helligkeit des Originalbildes erhalten. Die angesammelten Ladungen werden zunächst in den Speicherbereich übertragen und dann Zeile für Zeile und Pixel für Pixel an den Ausgang der Matrix übertragen.

Die Größe des Speicherbereichs im Verhältnis zum Akkumulationsbereich variiert:

• pro Frame (Matrizen mit Frame-Transfer für Progressive Scan);
• pro Halbbild (Matrizen mit Bildübertragung für Interlaced-Scanning);

Es gibt auch Matrizen, bei denen kein Speicherabschnitt vorhanden ist und die Leitungsübertragung dann direkt über den Akkumulationsabschnitt erfolgt. Damit solche Matrizen funktionieren, ist natürlich ein optischer Verschluss erforderlich.

Die Qualität moderner CCD-Matrizen ist so, dass die Ladung während des Übertragungsvorgangs nahezu unverändert bleibt.

Trotz der scheinbaren Vielfalt der Fernsehkameras sind die darin verwendeten CCD-Matrizen praktisch gleich, da die Massen- und Großserienproduktion von CCD-Matrizen nur von wenigen Unternehmen durchgeführt wird. Dies sind SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Die Hauptparameter von CCD-Matrizen sind:

• Dimension in Pixel;
• physikalische Größe in Zoll (2/3, 1/2, 1/3 usw.). Darüber hinaus bestimmen die Zahlen selbst nicht die genaue Größe des sensiblen Bereichs, sondern die Klasse des Geräts;
• Empfindlichkeit.

Auflösung von CCD-Kameras.

Die Auflösung von CCD-Kameras wird hauptsächlich durch die Größe der CCD-Matrix in Pixel und die Qualität des Objektivs bestimmt. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch die Elektronik der Kamera beeinflusst werden (wenn sie schlecht verarbeitet ist, kann sich die Auflösung verschlechtern, aber ehrlich gesagt machen sie heutzutage selten etwas wirklich Schlechtes).

Hier ist es wichtig, eine Anmerkung zu machen. In einigen Fällen werden in Kameras hochfrequente Ortsfilter eingebaut, um die scheinbare Auflösung zu verbessern. In diesem Fall erscheint ein Bild eines Objekts, das mit einer kleineren Kamera aufgenommen wurde, möglicherweise noch schärfer als ein Bild desselben Objekts, das objektiv mit einer besseren Kamera aufgenommen wurde. Für den Einsatz der Kamera in visuellen Überwachungssystemen ist dies natürlich akzeptabel, für den Aufbau von Messsystemen ist sie jedoch völlig ungeeignet.

Auflösung und Format von CCD-Matrizen.

Derzeit produzieren verschiedene Unternehmen CCD-Matrizen, die ein breites Spektrum an Abmessungen von mehreren Hundert bis mehreren Tausend abdecken. So wurde über eine Matrix mit einer Dimension von 10000 x 10000 berichtet, und in dieser Nachricht wurde weniger auf das Problem der Kosten dieser Matrix als vielmehr auf das Problem der Speicherung, Verarbeitung und Übertragung der resultierenden Bilder hingewiesen. Wie wir wissen, sind Matrizen mit Abmessungen bis zu 2000 x 2000 mittlerweile mehr oder weniger weit verbreitet.

Zu den am weitesten verbreiteten bzw. massenhaft verwendeten CCD-Matrizen gehören sicherlich Matrizen mit einer am Fernsehstandard orientierten Auflösung. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Matrizen in zwei Formaten:

• 512*576;
• 768*576.

Mit den Matrizen 768*576 (manchmal etwas mehr, manchmal etwas weniger) erhalten Sie die maximale Auflösung für ein Standard-Fernsehsignal. Gleichzeitig verfügen sie im Gegensatz zu Matrizen im Format 512*576 über eine quadratische Rasteranordnung lichtempfindlicher Elemente und damit über eine gleiche horizontale und vertikale Auflösung.

Kamerahersteller geben häufig die Auflösung in Fernsehzeilen an. Das bedeutet, dass Sie mit der Kamera N/2 dunkle vertikale Striche auf hellem Hintergrund sehen können, die in einem im Bildfeld eingeschriebenen Quadrat angeordnet sind, wobei N die angegebene Anzahl der Fernsehzeilen ist. Bezogen auf einen Standard-Fernsehtisch setzt dies folgendes voraus: Durch die Wahl des Abstands und die Fokussierung des Tischbildes ist darauf zu achten, dass die Ober- und Unterkante des Tischbildes auf dem Monitor mit der Außenkontur des Tisches übereinstimmen, markiert durch die Spitzen schwarzer und weißer Prismen; dann, nach der letzten Unterfokussierung, wird die Zahl an der Stelle des vertikalen Keils abgelesen, wo die vertikalen Striche zum ersten Mal nicht mehr aufgelöst werden. Die letzte Bemerkung ist sehr wichtig, weil... und im Bild von Testfeldern eines Tisches mit 600 oder mehr Zeilen sind oft abwechselnde Streifen sichtbar, die tatsächlich Moiré sind, das durch die Überlagerung der Ortsfrequenzen der Zeilen des Tisches und des Rasters empfindlicher Elemente entsteht die CCD-Matrix. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Kameras mit hochfrequenten Ortsfiltern (siehe oben)!

Ich möchte anmerken, dass die Auflösung von Schwarzweißkameras unter sonst gleichen Bedingungen (dies kann hauptsächlich durch das Objektiv beeinflusst werden) eindeutig durch die Größe der CCD-Matrix bestimmt wird. Eine Kamera im 768*576-Format hat also eine Auflösung von 576 Fernsehzeilen, obwohl in einigen Prospekten ein Wert von 550 und in anderen 600 zu finden ist.

Linse.

Die physikalische Größe der CCD-Zellen ist der Hauptparameter, der die Anforderungen an die Auflösung des Objektivs bestimmt. Ein weiterer solcher Parameter kann die Anforderung sein, den Betrieb der Matrix unter leichten Überlastbedingungen sicherzustellen, worauf weiter unten eingegangen wird.

Für eine 1/2 Zoll SONY ICX039-Matrix beträgt die Pixelgröße 8,6 µm x 8,3 µm. Daher muss das Objektiv eine bessere Auflösung haben als:

1/8,3*10e-3= 120 Linien (60 Linienpaare pro Millimeter).

Bei Objektiven für 1/3-Zoll-Matrizen sollte dieser Wert sogar noch höher sein, obwohl dies seltsamerweise keinen Einfluss auf die Kosten und einen Parameter wie die Blende hat, da diese Objektive unter Berücksichtigung der Notwendigkeit der Bilderzeugung hergestellt werden auf einem kleineren lichtempfindlichen Feld der Matrix. Daraus folgt auch, dass Linsen für kleinere Matrizen nicht für große Matrizen geeignet sind, da sich die Eigenschaften an den Rändern großer Matrizen deutlich verschlechtern. Gleichzeitig können Objektive für große Sensoren die Auflösung von Bildern begrenzen, die von kleineren Sensoren erhalten werden.

Leider ist es bei der heutigen Fülle an Objektiven für Fernsehkameras sehr schwierig, Informationen über deren Auflösung zu erhalten.

Im Allgemeinen entscheiden wir uns nicht oft für Objektive, da fast alle unserer Kunden Videosysteme auf vorhandenen Optiken installieren: Mikroskope, Teleskope usw., daher haben unsere Informationen über den Objektivmarkt den Charakter von Notizen. Wir können nur sagen, dass die Auflösung einfacher und günstiger Objektive im Bereich von 50-60 Linienpaaren pro mm liegt, was in der Regel nicht ausreicht.

Andererseits liegen uns Informationen vor, dass Spezialobjektive von Zeiss mit einer Auflösung von 100-120 Linienpaaren pro mm mehr als 1000 US-Dollar kosten.

Beim Kauf eines Objektivs ist es daher notwendig, vorläufige Tests durchzuführen. Ich muss sagen, dass die meisten Moskauer Verkäufer Objektive zum Testen anbieten. Hier ist es noch einmal angebracht, an den Moiré-Effekt zu erinnern, dessen Vorhandensein, wie oben erwähnt, hinsichtlich der Auflösung der Matrix irreführen kann. Das Vorhandensein von Moiré im Bild von Tischabschnitten mit Strichen über 600 Fernsehzeilen in Bezug auf das Objektiv weist also auf eine gewisse Auflösungsreserve des Objektivs hin, was natürlich nicht schadet.

Vielleicht noch etwas wichtiger Hinweis für diejenigen, die sich für geometrische Messungen interessieren. Alle Objektive weisen in der einen oder anderen Stärke eine Verzerrung auf (kissenförmige Verzerrung der Bildgeometrie), und je kürzer das Objektiv, desto größer sind diese Verzerrungen in der Regel. Unserer Meinung nach weisen Objektive mit Brennweiten über 8-12 mm eine akzeptable Verzerrung für 1/3"- und 1/2"-Kameras auf. Allerdings hängt der Grad der „Akzeptanz“ natürlich von den Aufgaben ab, die die Fernsehkamera lösen muss.

Auflösung von Bildeingabecontrollern

Unter der Auflösung von Bildeingabecontrollern ist die Wandlungsfrequenz des Analog-Digital-Wandlers (ADC) des Controllers zu verstehen, deren Daten dann im Speicher des Controllers aufgezeichnet werden. Offensichtlich gibt es eine vernünftige Grenze für die Erhöhung der Digitalisierungsfrequenz. Bei Geräten, die eine durchgehende Struktur der lichtempfindlichen Schicht aufweisen, beispielsweise Vidicons, ist die optimale Digitalisierungsfrequenz gleich dem Doppelten der oberen Frequenz des Nutzsignals des Vidicons.

Im Gegensatz zu solchen Lichtdetektoren haben CCD-Matrizen eine diskrete Topologie, sodass die optimale Digitalisierungsfrequenz für sie als Verschiebungsfrequenz des Ausgangsregisters der Matrix bestimmt wird. In diesem Fall ist es wichtig, dass der ADC des Controllers synchron mit dem Ausgangsregister der CCD-Matrix arbeitet. Nur in diesem Fall kann die beste Konvertierungsqualität sowohl im Hinblick auf die Gewährleistung einer „starren“ Geometrie der resultierenden Bilder als auch im Hinblick auf die Minimierung von Rauschen durch Taktimpulse und transiente Prozesse erreicht werden.

Empfindlichkeit von CCD-Kameras

Seit 1994 verwenden wir in unseren Geräten SONY-Kartenkameras auf Basis der ICX039 CCD-Matrix. Die SONY-Beschreibung für dieses Gerät gibt eine Empfindlichkeit von 0,25 Lux bei einem Objekt mit einer Objektivblende von 1,4 an. Wir sind bereits mehrfach auf Kameras mit ähnlichen Parametern (Größe 1/2 Zoll, Auflösung 752*576) und einer angegebenen Empfindlichkeit gestoßen, die 10 oder sogar 100 Mal höher ist als die unserer „unserer“ SONY.

Wir haben diese Zahlen mehrmals überprüft. In den meisten Fällen fanden wir bei Kameras verschiedener Hersteller die gleiche ICX039-CCD-Matrix. Darüber hinaus wurden alle „Rohrleitungs“-Mikroschaltungen ebenfalls von SONY hergestellt. Und Vergleichstests zeigten eine nahezu vollständige Identität aller dieser Kameras. Was ist also die Frage?

Und die ganze Frage ist, bei welchem ​​Signal-Rausch-Verhältnis (s/n) die Empfindlichkeit bestimmt wird. In unserem Fall SONY-Unternehmen zeigten gewissenhaft eine Empfindlichkeit bei s/n = 46 dB, während andere Firmen dies entweder nicht oder in einer Weise angegeben haben, dass unklar ist, unter welchen Bedingungen diese Messungen durchgeführt wurden.

Dies ist im Allgemeinen ein häufiges Problem der meisten Kamerahersteller, da sie die Bedingungen für die Messung von Kameraparametern nicht spezifizieren.

Tatsache ist, dass mit abnehmender Anforderung an das S/N-Verhältnis die Empfindlichkeit der Kamera umgekehrt proportional zum Quadrat des erforderlichen S/N-Verhältnisses steigt:

Wo:
Ich – Sensibilität;
K – Umrechnungsfaktor;
s/n – S/n-Verhältnis in linearen Einheiten,

Daher sind viele Unternehmen versucht, die Kameraempfindlichkeit bei einem niedrigen S/N-Verhältnis anzugeben.

Wir können sagen, dass die Fähigkeit von Matrizen, besser oder schlechter zu „sehen“, von der Anzahl der Ladungen abhängt, die durch auf ihre Oberfläche einfallende Photonen umgewandelt werden, und von der Qualität der Abgabe dieser Ladungen an den Ausgang. Die Menge der angesammelten Ladungen hängt von der Fläche des lichtempfindlichen Elements und der Quanteneffizienz der CCD-Matrix ab, und die Qualität des Transports wird von vielen Faktoren bestimmt, die oft auf eines hinauslaufen – das Ausleserauschen. Das Ausleserauschen moderner Matrizen liegt in der Größenordnung von 10–30 Elektronen oder sogar weniger!

Die Flächen der Elemente von CCD-Matrizen sind unterschiedlich, der typische Wert für 1/2-Zoll-Matrizen für Fernsehkameras beträgt jedoch 8,5 µm * 8,5 µm. Eine Vergrößerung der Elemente führt zu einer Vergrößerung der Matrizen selbst, was ihre Kosten nicht so sehr aufgrund der tatsächlichen Erhöhung des Produktionspreises erhöht, sondern aufgrund der Tatsache, dass die Serienproduktion solcher Geräte erfolgt mehrere Größenordnungen kleiner. Darüber hinaus wird die Fläche der lichtempfindlichen Zone durch die Topologie der Matrix in dem Maße beeinflusst, dass der Prozentsatz der Gesamtoberfläche des Kristalls von der empfindlichen Fläche eingenommen wird (Füllfaktor). In einigen speziellen Matrizen wird der Füllfaktor mit 100 % angegeben.

Die Quanteneffizienz (wie stark sich die Ladung einer empfindlichen Zelle in Elektronen im Durchschnitt ändert, wenn ein Photon auf ihre Oberfläche fällt) beträgt für moderne Matrizen 0,4–0,6 (für einige Matrizen ohne Anti-Blooming erreicht sie 0,85).

Somit lässt sich erkennen, dass die Empfindlichkeit von CCD-Kameras, bezogen auf einen bestimmten S/N-Wert, nahe an die physikalische Grenze gelangt ist. Unserer Schlussfolgerung zufolge liegen typische Empfindlichkeitswerte von Kameras für den allgemeinen Gebrauch bei s/w = 46 im Bereich von 0,15–0,25 Lux Beleuchtung des Objekts bei einer Objektivblende von 1,4.

In diesem Zusammenhang empfehlen wir nicht, den in den Beschreibungen von Fernsehkameras angegebenen Empfindlichkeitswerten blind zu vertrauen, insbesondere wenn die Bedingungen für die Bestimmung dieses Parameters nicht gegeben sind und wenn Sie im Reisepass einer Kamera mit einem Preis von bis zu 500 US-Dollar eine Empfindlichkeit von sehen 0,01-0,001 Lux im Fernsehmodus, bevor Sie ein Beispiel für, gelinde gesagt, falsche Informationen sind.

Über Möglichkeiten zur Erhöhung der Empfindlichkeit von CCD-Kameras

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, Bilder im Laufe der Zeit zu sammeln. Durch den Einsatz dieser Methode kann die Empfindlichkeit des CCD deutlich gesteigert werden. Natürlich lässt sich diese Methode auf stationäre Beobachtungsobjekte anwenden oder in Fällen, in denen Bewegungen kompensiert werden können, wie es in der Astronomie der Fall ist.

Abb. 1 Planetarischer Nebel M57.

Teleskop: 60 cm, Belichtungszeit - 20 Sek., Temperatur während der Belichtung - 20 C.
Im Zentrum des Nebels befindet sich ein Sternobjekt der Stärke 15.
Das Bild wurde von V. Amirkhanyan am Speziellen Astrophysikalischen Observatorium der Russischen Akademie der Wissenschaften aufgenommen.

Man kann mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass die Empfindlichkeit von CCD-Kameras direkt proportional zur Belichtungszeit ist.

Beispielsweise erhöht sich die Empfindlichkeit bei einer Verschlusszeit von 1 Sekunde gegenüber der ursprünglichen 1/50 Sekunde um das 50-fache, d. h. es wird besser sein - 0,005 Lux.

Natürlich gibt es auf diesem Weg Probleme, und das ist zunächst einmal der Dunkelstrom der Matrizen, der gleichzeitig mit dem Nutzsignal Ladungen mit sich bringt. Der Dunkelstrom wird zum einen von der Herstellungstechnologie des Kristalls, zum anderen vom Stand der Technik und natürlich zu einem sehr großen Teil von der Betriebstemperatur der Matrix selbst bestimmt.

Um lange Akkumulationszeiten in der Größenordnung von Minuten oder mehreren zehn Minuten zu erreichen, werden die Matrizen normalerweise auf minus 20 bis 40 Grad abgekühlt. C. Das Problem der Abkühlung der Matrizen auf solche Temperaturen wurde gelöst, aber man kann einfach nicht sagen, dass dies nicht möglich ist, da immer Konstruktions- und Betriebsprobleme im Zusammenhang mit dem Beschlagen von Schutzgläsern und der Wärmeabgabe an der heißen Verbindungsstelle auftreten ein thermoelektrischer Kühlschrank.

Gleichzeitig hat der technologische Fortschritt bei der Herstellung von CCD-Matrizen auch einen Parameter wie den Dunkelstrom beeinflusst. Hier sind die Errungenschaften sehr bedeutend und der dunkle Strom einiger guter moderner Matrizen ist sehr gering. Unserer Erfahrung nach ermöglichen Kameras ohne Kühlung Aufnahmen bei Raumtemperatur innerhalb von mehreren zehn Sekunden und mit Kompensation des dunklen Hintergrunds bis zu mehreren Minuten. Als Beispiel hier ein Foto des Planetarischen Nebels M57, aufgenommen mit dem Videosystem VS-a-tandem-56/2 ohne Kühlung mit einer Belichtungszeit von 20 s.

Die zweite Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist der Einsatz elektronenoptischer Wandler (EOC). Bildverstärker sind Geräte, die den Lichtstrom verstärken. Moderne Bildverstärkerröhren können sehr große Verstärkungswerte haben. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, können wir jedoch sagen, dass der Einsatz von Bildverstärkerröhren nur die Schwellenempfindlichkeit der Kamera verbessern kann und daher ihre Verstärkung nicht zu groß eingestellt werden sollte.

Spektrale Empfindlichkeit von CCD-Kameras

Für einige Anwendungen ist die spektrale Empfindlichkeit des CCD ein wichtiger Faktor. Da alle CCDs auf der Basis von Silizium hergestellt werden, entspricht die spektrale Empfindlichkeit des CCDs in ihrer „nackten“ Form diesem Parameter von Silizium (siehe Abb. 2).

Wie Sie sehen, haben CCD-Matrizen bei aller Vielfalt an Eigenschaften die maximale Empfindlichkeit im roten und nahen Infrarotbereich (IR) und sehen im blau-violetten Teil des Spektrums absolut nichts. Die Nah-IR-Empfindlichkeit von CCDs wird in verdeckten Überwachungssystemen, die mit IR-Lichtquellen beleuchtet werden, sowie bei der Messung thermischer Felder von Hochtemperaturobjekten genutzt.

SONY produziert alle seine Schwarz-Weiß-Matrizen mit den folgenden spektralen Eigenschaften (siehe Abb. 3). Wie Sie dieser Abbildung entnehmen können, ist die Empfindlichkeit des CCD im nahen IR deutlich reduziert, die Matrix begann jedoch, den blauen Bereich des Spektrums wahrzunehmen.

Für verschiedene Spezialzwecke werden Matrizen entwickelt, die im ultravioletten und sogar im Röntgenbereich empfindlich sind. Normalerweise sind diese Geräte einzigartig und ihr Preis ist ziemlich hoch.

Über progressives und interlacedes Scannen

Das Standardfernsehsignal wurde für ein Rundfunkfernsehsystem entwickelt und weist aus der Sicht moderner Bildeingabe- und -verarbeitungssysteme einen großen Nachteil auf. Obwohl das TV-Signal 625 Zeilen enthält (davon etwa 576 Videoinformationen), werden nacheinander zwei Halbbilder angezeigt, die aus geraden Zeilen (gerades Halbbild) und ungeraden Zeilen (ungerades Halbbild) bestehen. Dies führt dazu, dass bei der Eingabe eines bewegten Bildes die Analyse keine Y-Auflösung verwenden kann, die größer ist als die Anzahl der Zeilen in einem Halbbild (288). Darüber hinaus führt in modernen Systemen bei der Visualisierung des Bildes auf einem Computermonitor (der über Progressive Scan verfügt) die Bildeingabe von der Interlaced-Kamera bei der Bewegung des Objekts zu einem unangenehmen visuellen Effekt der Verdoppelung.

Alle Methoden zur Beseitigung dieses Mangels führen zu einer Verschlechterung der vertikalen Auflösung. Die einzige Möglichkeit, diesen Nachteil zu überwinden und eine Auflösung zu erreichen, die der Auflösung des CCD entspricht, ist die Umstellung auf progressive Abtastung im CCD. CCD-Hersteller produzieren solche Matrizen, aber aufgrund des geringen Produktionsvolumens ist der Preis solcher Matrizen und Kameras viel höher als der herkömmlicher. Beispielsweise ist der Preis einer SONY-Matrix mit Progressive Scan ICX074 dreimal höher als der ICX039 (Interlace Scan).

Andere Kameraoptionen

Zu diesen anderen gehört ein Parameter wie „Blüten“, d.h. Verteilung der Ladung über die Oberfläche der Matrix, wenn ihre einzelnen Elemente überbelichtet werden. In der Praxis kann ein solcher Fall beispielsweise bei der Betrachtung von Objekten mit Blendung auftreten. Dies ist ein eher unangenehmer Effekt von CCDs, da einige helle Flecken das gesamte Bild verzerren können. Glücklicherweise enthalten viele moderne Matrizen Anti-Blooming-Geräte. So haben wir in den Beschreibungen einiger der neuesten SONY-Matrizen den Wert 2000 gefunden, der die zulässige leichte Überlastung einzelner Zellen charakterisiert, die noch nicht zu einer Ladungsverteilung führt. Dies ist ein recht hoher Wert, zumal dieses Ergebnis erfahrungsgemäß nur mit einer speziellen Anpassung der Treiber erreicht werden kann, die direkt die Matrix und den Videosignal-Vorverstärkungskanal steuern. Darüber hinaus trägt die Linse auch zur „Ausbreitung“ heller Punkte bei, da bei solch großen Lichtüberladungen bereits kleine Streuungen über den Hauptfleck hinaus für eine spürbare Lichtunterstützung benachbarter Elemente sorgen.

An dieser Stelle ist auch zu beachten, dass Matrizen mit Anti-Blooming einigen Daten zufolge, die wir nicht selbst überprüft haben, eine 2-fach geringere Quanteneffizienz aufweisen als Matrizen ohne Anti-Blooming. In diesem Zusammenhang kann es in Systemen, die eine sehr hohe Empfindlichkeit erfordern, sinnvoll sein, Matrizen ohne Anti-Blooming zu verwenden (in der Regel handelt es sich dabei um spezielle Aufgaben wie beispielsweise astronomische).

Über Farbkameras

Die Materialien in diesem Abschnitt gehen etwas über den Rahmen der Betrachtung der von uns etablierten Messsysteme hinaus, jedoch zwingt uns die weit verbreitete Verwendung von Farbkameras (noch mehr als Schwarzweißkameras) dazu, dieses Problem zu klären, zumal Kunden dies häufig versuchen Schwarzweißkameras mit unseren Kameras, Farbfernsehkameras mit weißen Framegrabbern, und sie sind sehr überrascht, wenn sie in den resultierenden Bildern Flecken finden und sich die Auflösung der Bilder als unzureichend herausstellt. Lassen Sie uns erklären, was hier vor sich geht.

Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Farbsignal zu erzeugen:

• 1. Verwendung einer Single-Matrix-Kamera.
• 2. Verwendung eines Systems aus 3 CCD-Matrizen mit einem Farbtrennkopf, um R-, G-, B-Komponenten des Farbsignals auf diesen Matrizen zu erhalten.

Der zweite Weg bietet die beste Qualität und ist die einzige Möglichkeit, Messsysteme zu erhalten; Kameras, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind jedoch recht teuer (mehr als 3000 US-Dollar).

In den meisten Fällen werden Single-Chip-CCD-Kameras verwendet. Schauen wir uns ihr Funktionsprinzip an.

Wie aus den relativ breiten Spektraleigenschaften der CCD-Matrix hervorgeht, kann sie die „Farbe“ eines auf die Oberfläche treffenden Photons nicht bestimmen. Um ein Farbbild einzugeben, wird daher vor jedem Element der CCD-Matrix ein Lichtfilter installiert. In diesem Fall bleibt die Gesamtzahl der Matrixelemente gleich. SONY beispielsweise produziert exakt die gleichen CCD-Matrizen für Schwarzweiß- und Farbversionen, die sich nur durch das Vorhandensein eines Rasters aus Lichtfiltern in der Farbmatrix unterscheiden, die direkt auf die empfindlichen Bereiche aufgetragen werden. Es gibt verschiedene Matrix-Farbschemata. Hier ist einer davon.

Hier kommen 4 verschiedene Filter zum Einsatz (siehe Abb. 4 und Abb. 5).

Abbildung 4. Verteilung der Filter auf CCD-Matrixelementen

Abbildung 5. Spektrale Empfindlichkeit von CCD-Elementen mit verschiedenen Filtern.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

In Zeile A1 ergibt sich das „rote“ Farbdifferenzsignal als:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

und in Zeile A2 erhält man ein „blaues“ Farbdifferenzsignal:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Daraus wird deutlich, dass die räumliche Auflösung einer Farb-CCD-Matrix im Vergleich zur gleichen Schwarz-Weiß-Matrix in der Regel horizontal und vertikal um das 1,3- bis 1,5-fache schlechter ist. Aufgrund der Verwendung von Filtern ist auch die Empfindlichkeit eines Farb-CCD schlechter als die eines Schwarzweiß-CCD. Wir können also sagen, dass Sie bei einem Single-Matrix-Empfänger 1000 * 800 tatsächlich etwa 700 * 550 für das Helligkeitssignal und 500 * 400 (700 * 400 ist möglich) für das Farbsignal erhalten.

Abgesehen von technischen Aspekten möchte ich anmerken, dass viele Hersteller elektronischer Kameras zu Werbezwecken völlig unverständliche Daten zu ihren Geräten melden. Beispielsweise gibt die Firma Kodak die Auflösung ihrer elektronischen Kamera DC120 mit 1200*1000 bei einer Matrix von 850x984 Pixeln an. Aber meine Herren, Informationen kommen nicht aus dem Nichts, obwohl sie optisch gut aussehen!

Man kann sagen, dass die räumliche Auflösung eines Farbsignals (ein Signal, das Informationen über die Farbe des Bildes trägt) mindestens zweimal schlechter ist als die Auflösung eines Schwarzweißsignals. Darüber hinaus ist die „berechnete“ Farbe des Ausgabepixels nicht die Farbe des entsprechenden Elements des Quellbildes, sondern lediglich das Ergebnis der Verarbeitung der Helligkeit verschiedener Elemente des Quellbildes. Grob gesagt kann aufgrund des starken Helligkeitsunterschieds benachbarter Elemente eines Objekts eine Farbe berechnet werden, die überhaupt nicht vorhanden ist, während eine geringfügige Kameraverschiebung zu einer starken Änderung der Ausgabefarbe führt. Beispiel: Der Rand eines dunkel- und hellgrauen Feldes sieht so aus, als ob er aus mehrfarbigen Quadraten bestünde.

Alle diese Überlegungen beziehen sich nur auf das physikalische Prinzip der Informationsgewinnung über Farb-CCD-Matrizen, wobei berücksichtigt werden muss, dass das Videosignal am Ausgang von Farbkameras üblicherweise in einem der Standardformate PAL, NTSC oder seltener dargestellt wird S-Video.

Die Formate PAL und NTSC sind gut, weil sie auf Standardmonitoren mit Videoeingang sofort wiedergegeben werden können. Allerdings müssen wir bedenken, dass diese Standards ein deutlich schmaleres Band für das Farbsignal vorsehen, sodass es richtiger ist, von einem farbigen Bild zu sprechen als ein farbiges. Ein weiteres unangenehmes Merkmal von Kameras mit Videosignalen, die einen Farbanteil enthalten, ist das Auftreten der oben erwähnten Streifen im Bild, das von Schwarz-Weiß-Framegrabbern gewonnen wird. Und der Punkt hier ist, dass das Chrominanzsignal fast in der Mitte des Videosignalbandes liegt, was zu Störungen beim Eintritt in ein Bild führt. Auf einem Fernsehmonitor sehen wir diese Interferenz nicht, da die Phase dieser „Interferenz“ nach vier Bildern umgekehrt und vom Auge gemittelt wird. Daher die Verwirrung des Kunden, der ein Bild mit Störungen erhält, die er nicht sieht.

Daraus folgt, dass, wenn Sie einige Messungen durchführen oder Objekte anhand der Farbe entschlüsseln müssen, dieses Problem unter Berücksichtigung sowohl der oben genannten als auch anderer Merkmale Ihrer Aufgabe angegangen werden muss.

Über CMOS-Matrizen

In der Welt der Elektronik verändert sich alles sehr schnell, und obwohl der Bereich der Fotodetektoren zu den konservativsten gehört, drängen hier in letzter Zeit neue Technologien auf. Dies hängt zunächst mit der Entstehung von CMOS-Fernsehmatrizen zusammen.

Tatsächlich ist Silizium ein lichtempfindliches Element und jedes Halbleiterprodukt kann als Sensor verwendet werden. Der Einsatz der CMOS-Technologie bietet gegenüber der herkömmlichen Technologie mehrere offensichtliche Vorteile.

Erstens ist die CMOS-Technologie gut beherrscht und ermöglicht die Herstellung von Elementen mit einer hohen Ausbeute an nützlichen Produkten.

Zweitens ermöglicht die CMOS-Technologie die Platzierung auf der Matrix zusätzlich zum lichtempfindlichen Bereich und verschiedene Geräte Rahmen (bis hin zum ADC), die bisher „außen“ montiert wurden. Dadurch ist es möglich, Kameras mit digitalem Ausgang „auf einem einzigen Chip“ zu produzieren.

Dank dieser Vorteile wird es möglich, deutlich günstigere Fernsehkameras herzustellen. Darüber hinaus erweitert sich das Spektrum der Unternehmen, die Matrizen herstellen, deutlich.

Derzeit steht die Produktion von Fernsehmatrizen und Kameras in CMOS-Technologie gerade erst am Anfang. Informationen über die Parameter solcher Geräte sind sehr rar. Wir können nur feststellen, dass die Parameter dieser Matrizen nicht über das derzeit Erreichte hinausgehen; was den Preis betrifft, sind ihre Vorteile unbestreitbar.

Lassen Sie mich als Beispiel eine Single-Chip-Farbkamera von Photobit PB-159 nennen. Die Kamera ist auf einem einzigen Chip aufgebaut und verfügt über folgende technische Parameter:

• Auflösung - 512*384;
• Pixelgröße – 7,9 µm x 7,9 µm;
• Empfindlichkeit - 1 Lux;
• Ausgang - digitales 8-Bit-SRGB;
• Körper - 44 PLCC-Beine.

Dadurch verliert die Kamera das Vierfache an Empfindlichkeit, zudem geht aus Informationen zu einer anderen Kamera hervor, dass diese Technologie Probleme mit einem relativ großen Dunkelstrom hat.

Über Digitalkameras

IN in letzter Zeit Ein neues Marktsegment ist entstanden und wächst schnell, das CCD- und CMOS-Matrizen verwendet – Digitalkameras. Darüber hinaus gibt es derzeit einen starken Anstieg der Qualität dieser Produkte bei gleichzeitigem starken Preisverfall. Noch vor zwei Jahren kostete eine Matrix mit einer Auflösung von 1024*1024 allein etwa 3.000 bis 7.000 US-Dollar, aber jetzt sind Kameras mit solchen Matrizen und einer Menge Schnickschnack (LCD-Bildschirm, Speicher, Vari-Objektiv, praktisches Gehäuse usw.) erhältlich .) kann für weniger als 1000 $ gekauft werden. Dies lässt sich nur durch den Übergang zur Großserienproduktion von Matrizen erklären.

Da diese Kameras auf CCD- und CMOS-Matrizen basieren, gelten für sie alle Diskussionen in diesem Artikel über Empfindlichkeit und die Prinzipien der Farbsignalbildung.

Statt einer Schlussfolgerung

Die gesammelten praktischen Erfahrungen lassen uns folgende Schlussfolgerungen ziehen:

• Die Produktionstechnologie von CCD-Matrizen stößt hinsichtlich Empfindlichkeit und Rauschen sehr nahe an physikalische Grenzen;
• Auf dem Markt für Fernsehkameras finden Sie Kameras von akzeptabler Qualität, es können jedoch Anpassungen erforderlich sein, um höhere Parameter zu erreichen.
• Lassen Sie sich nicht von den hohen Empfindlichkeitsangaben in Kamerabroschüren täuschen;
• Und doch können sich die Preise für qualitativ absolut identische Kameras und sogar für einfach identische Kameras verschiedener Anbieter um mehr als das Doppelte unterscheiden!

Anbieter bieten mittlerweile eine riesige Auswahl an Videoüberwachungskameras an. Die Modelle unterscheiden sich nicht nur in den allen Kameras gemeinsamen Parametern – Brennweite, Blickwinkel, Lichtempfindlichkeit etc. – sondern auch in verschiedenen proprietären Features, mit denen jeder Hersteller seine Geräte ausstatten möchte.

Daher oft Kurzbeschreibung Merkmale einer Videoüberwachungskamera ist eine erschreckende Liste unverständlicher Begriffe, zum Beispiel: 1/2,8" 2,4MP CMOS, 25/30fps, OSD-Menü, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0,05 Lux und das ist nicht alles.

Im vorherigen Artikel haben wir uns auf Videostandards und die darauf basierende Klassifizierung von Kameras konzentriert. Heute analysieren wir die Hauptmerkmale von Videoüberwachungskameras und entschlüsseln die Symbole spezieller Technologien, die zur Verbesserung der Qualität des Videosignals eingesetzt werden:

1. Brennweite und Betrachtungswinkel
2. Blende (F-Zahl) oder Objektivblende
3. Anpassen der Blende (automatische Blende)
4. Elektronischer Verschluss (AES, Verschlusszeit, Verschlusszeit)
5. Empfindlichkeit (Lichtempfindlichkeit, minimale Beleuchtung)
6. Schutzklassen IK (Vandalismussicher, Anti-Vandalismus) und IP (vor Feuchtigkeit und Staub)

Matrixtyp (CCD CCD, CMOS CMOS)

Es gibt zwei Arten von CCTV-Kameramatrizen: CCD (auf Russisch – CCD) und CMOS (auf Russisch – CMOS). Sie unterscheiden sich sowohl im Aufbau als auch im Funktionsprinzip.

Lange Zeit glaubte man, dass die CCD-Matrix wesentlich hochwertigere Bilder erzeugt als CMOS. Allerdings stehen moderne CMOS-Matrizen CCDs oft praktisch in nichts nach, insbesondere wenn die Anforderungen an das Videoüberwachungssystem nicht zu hoch sind.

Matrixgröße

Gibt die Diagonalgröße der Matrix in Zoll an und wird als Bruch geschrieben: 1/3", 1/2", 1/4" usw.

Es wird allgemein angenommen, dass je größer die Matrixgröße ist, desto besser: weniger Rauschen, klareres Bild, größerer Betrachtungswinkel. Tatsächlich wird die beste Bildqualität jedoch nicht durch die Größe der Matrix erreicht, sondern durch die Größe ihrer einzelnen Zelle oder ihres einzelnen Pixels – je größer es ist, desto besser. Daher müssen Sie bei der Auswahl einer Videoüberwachungskamera neben der Pixelanzahl auch die Matrixgröße berücksichtigen.

Wenn Matrizen mit den Größen 1/3" und 1/4" die gleiche Anzahl an Pixeln haben, liefert in diesem Fall eine 1/3"-Matrix natürlich ein besseres Bild. Wenn sie jedoch mehr Pixel hat, müssen Sie zuschlagen Nehmen Sie einen Taschenrechner und berechnen Sie die ungefähre Pixelgröße.

Aus den Berechnungen der Matrixzellengröße unten können Sie beispielsweise ersehen, dass in vielen Fällen die Pixelgröße auf einer 1/4-Zoll-Matrix größer ausfällt als auf einer 1/3-Zoll-Matrix, was bedeutet, dass ein Videobild mit 1/4 Zoll groß ist. 4", obwohl es kleiner ist, ist es besser.

Brennweite und Betrachtungswinkel

Diese Parameter sind bei der Auswahl einer Videoüberwachungskamera von großer Bedeutung und hängen eng miteinander zusammen. Tatsächlich ist die Brennweite eines Objektivs (oft mit f bezeichnet) der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Sensor.

In der Praxis bestimmt die Brennweite den Blickwinkel und die Reichweite der Kamera:

• Je kürzer die Brennweite, desto größer der Betrachtungswinkel und desto weniger Details sind bei Objekten in der Ferne zu erkennen.
• Je länger die Brennweite, desto enger ist der Blickwinkel der Videokamera und desto detaillierter ist das Bild entfernter Objekte.

Wenn Sie einen Gesamtüberblick über einen bestimmten Bereich benötigen und dafür möglichst wenige Kameras verwenden möchten, kaufen Sie eine Kamera mit kurzer Brennweite und entsprechend großem Betrachtungswinkel.

In Bereichen, in denen eine detaillierte Beobachtung eines relativ kleinen Bereichs erforderlich ist, ist es jedoch besser, eine Kamera mit erhöhter Brennweite zu installieren und diese auf das Beobachtungsobjekt zu richten. Dies wird häufig an den Kassen von Supermärkten und Banken verwendet, wo Sie den Nennwert von Banknoten und anderen Zahlungsdetails sehen müssen, sowie an der Einfahrt zu Parkplätzen und anderen Bereichen, wo die Unterscheidung zwischen einem Nummernschild und einem Nummernschild erforderlich ist eine lange Distanz.

Die gebräuchlichste Brennweite beträgt 3,6 mm. Er entspricht in etwa dem Blickwinkel des menschlichen Auges. Kameras mit dieser Brennweite werden zur Videoüberwachung in kleinen Räumen eingesetzt.

Die folgende Tabelle enthält Informationen und Beziehungen zwischen Brennweite, Betrachtungswinkel, Erkennungsentfernung usw. für die gängigsten Fokusse. Bei den Angaben handelt es sich um Näherungswerte, da sie nicht nur von der Brennweite, sondern auch von weiteren Parametern der Kameraoptik abhängen.

Abhängig von der Breite des Betrachtungswinkels werden Videoüberwachungskameras normalerweise unterteilt in:

• konventionell (Blickwinkel 30°-70°);
• Weitwinkel (Blickwinkel ab ca. 70°);
• Langfokus (Betrachtungswinkel weniger als 30°).

Der Buchstabe F, meist nur groß geschrieben, bezeichnet auch die Objektivblende – achten Sie daher beim Lesen der Kenndaten auf den Kontext, in dem der Parameter verwendet wird.

Linsentyp

Feste (monofokale) Linse- das einfachste und kostengünstigste. Die Brennweite ist fest und kann nicht verändert werden.

IN Gleitsichtgläser (Variofokallinsen). Sie können die Brennweite ändern. Die Einstellung erfolgt manuell, in der Regel einmal bei der Installation der Kamera am Aufnahmeort und dann nach Bedarf.

Transfaktor- oder Zoomobjektive Sie bieten auch die Möglichkeit, die Brennweite jederzeit aus der Ferne zu ändern. Die Veränderung der Brennweite erfolgt über einen elektrischen Antrieb, weshalb man sie auch motorisierte Objektive nennt.

„Fisheye“ (Fischauge, Fischauge) oder Panoramaobjektiv ermöglicht die Installation nur einer Kamera und eine 360°-Ansicht.

Natürlich hat das resultierende Bild einen „Blasen“-Effekt – gerade Linien werden gekrümmt, aber in den meisten Fällen können Sie mit Kameras mit solchen Objektiven ein allgemeines Panoramabild in mehrere separate Bilder unterteilen, wobei Anpassungen an die dem menschlichen Auge vertraute Wahrnehmung vorgenommen werden .

Lochlinsen Aufgrund seiner geringen Größe ist eine verdeckte Videoüberwachung möglich. Tatsächlich hat eine Lochkamera kein Objektiv, sondern nur ein Miniaturloch. In der Ukraine ist der Einsatz verdeckter Videoüberwachung stark eingeschränkt, ebenso wie der Verkauf von Geräten dafür.

Dies sind die häufigsten Linsentypen. Aber wenn wir tiefer gehen, werden Objektive auch nach anderen Parametern unterteilt:

Blende (F-Zahl) oder Objektivblende

Bestimmt die Fähigkeit der Kamera, bei schlechten Lichtverhältnissen qualitativ hochwertige Bilder aufzunehmen. Wie größere Zahl F, je kleiner die Blende ist und desto mehr Licht benötigt die Kamera. Je kleiner die Blende, desto größer ist die Blende und der Camcorder kann auch bei schlechten Lichtverhältnissen klare Bilder erzeugen.

Der Buchstabe f (normalerweise in Kleinbuchstaben) bezeichnet auch die Brennweite. Achten Sie daher beim Lesen der Merkmale auf den Kontext, in dem der Parameter verwendet wird. Im Bild oben wird die Blende beispielsweise durch ein kleines f angezeigt.

Objektivfassung

Es gibt drei Arten von Halterungen zum Anbringen eines Objektivs an einer Videokamera: C, CS, M12.

• Der C-Mount wird kaum noch verwendet. C-Objektive können mit einem speziellen Ring an einer CS-Mount-Kamera montiert werden.
• Der CS-Mount ist der gebräuchlichste Typ. CS-Objektive sind nicht mit C-Kameras kompatibel.
• Der M12-Anschluss wird für kleine Objektive verwendet.

Blendeneinstellung (automatische Blende), ARD, ARD

Die Blende ist für den Lichtfluss auf die Matrix verantwortlich: Bei erhöhtem Lichtfluss verengt sie sich und verhindert so eine Überbelichtung des Bildes, bei schwachem Licht hingegen öffnet sie sich, sodass mehr Licht auf die Matrix fällt .

Es gibt zwei große Gruppen von Kameras: feste Blende(dazu zählen auch Kameras ohne diese Funktion) und mit verstellbar.

Die Blende kann bei verschiedenen Modellen von Videoüberwachungskameras angepasst werden:

• Manuell.
• Automatisch Videokamera verwenden Gleichstrom, basierend auf der Lichtmenge, die auf den Sensor trifft. Diese automatische Irisanpassung (ADA) wird als bezeichnet DD (Direct Drive) oder DD/DC.
• Automatisch ein spezielles Modul, das in das Objektiv eingebaut ist und den Lichtstrom verfolgt, der durch die relative Blende gelangt. Diese ARD-Methode wird in den Spezifikationen von Videokameras als bezeichnet VD (Videolaufwerk). Es ist auch dann wirksam, wenn direktes Sonnenlicht auf das Objektiv trifft, allerdings sind Überwachungskameras damit teurer.

Elektronischer Verschluss (AES, Verschlusszeit, Verschlusszeit, Verschlusszeit)

U verschiedene Hersteller Dieser Parameter kann als automatischer elektronischer Verschluss, Verschlusszeit oder Verschlusszeit bezeichnet werden, im Wesentlichen bedeutet er jedoch dasselbe: die Zeit, während der Licht auf den Sensor fällt. Sie wird normalerweise als 1/50-1/100.000s ausgedrückt.

Die Wirkungsweise des elektronischen Verschlusses ähnelt in gewisser Weise der automatischen Blendeneinstellung – er passt die Lichtempfindlichkeit der Matrix an die Lichtstärke des Raumes an. In der Abbildung unten sehen Sie die Bildqualität bei schlechten Lichtverhältnissen mit unterschiedliche Geschwindigkeiten Verschluss (das Bild zeigt die manuelle Einstellung, während AES dies automatisch tut).

Im Gegensatz zu ARD erfolgt die Anpassung nicht durch Anpassen des in die Matrix eintretenden Lichtflusses, sondern durch Anpassen der Verschlusszeit, also der Dauer der Ansammlung elektrischer Ladung auf der Matrix.

Jedoch Die Fähigkeiten des elektronischen Verschlusses sind viel schwächer als die der automatischen Blendeneinstellung. Daher ist es in offenen Räumen, in denen die Beleuchtungsstärke zwischen Dämmerung und hellem Sonnenlicht variiert, besser, Kameras mit ADS zu verwenden. Videokameras mit elektronischem Verschluss eignen sich optimal für Räume, in denen sich das Lichtniveau im Laufe der Zeit kaum ändert.

Die Eigenschaften des elektronischen Verschlusses unterscheiden sich nicht wesentlich von verschiedene Modelle. Eine nützliche Funktion ist die Möglichkeit, die Verschlusszeit (Verschlusszeit) manuell anzupassen, da bei schlechten Lichtverhältnissen automatisch niedrige Werte eingestellt werden, was zu unscharfen Bildern bewegter Objekte führt.

Sens-UP (oder DSS)

Dies ist eine Funktion der Akkumulation der Ladung der Matrix in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke, d. h. der Erhöhung ihrer Empfindlichkeit auf Kosten der Geschwindigkeit. Notwendig für die Aufnahme hochwertiger Bilder bei schlechten Lichtverhältnissen, wenn die Verfolgung von Hochgeschwindigkeitsereignissen nicht kritisch ist (es gibt keine sich schnell bewegenden Objekte am Beobachtungsobjekt).

Sie hängt eng mit der oben beschriebenen Verschlusszeit (Verschlusszeit) zusammen. Wenn die Verschlusszeit jedoch in Zeiteinheiten ausgedrückt wird, dann wird Sens-UP im Verschlusszeit-Erhöhungsfaktor (xN) ausgedrückt: Die Ladungsakkumulationszeit (Verschlusszeit) erhöht sich um das N-fache.

Erlaubnis

Im letzten Artikel haben wir das Thema CCTV-Kameraauflösungen ein wenig angesprochen. Bei der Kameraauflösung handelt es sich tatsächlich um die Größe des resultierenden Bildes. Sie wird entweder in TVL (Fernsehzeilen) oder in Pixeln gemessen. Je höher die Auflösung, desto mehr Details können Sie im Video erkennen.

Videokameraauflösung in TVL- Dies ist die Anzahl der vertikalen Linien (Helligkeitsübergänge), die horizontal im Bild platziert sind. Es gilt als genauer, da es eine Vorstellung von der Größe des Ausgabebildes vermittelt. Während die in der Herstellerdokumentation angegebene Auflösung in Megapixeln den Käufer irreführen kann, bezieht sie sich oft nicht auf die Größe des endgültigen Bildes, sondern auf die Anzahl der Pixel auf der Matrix. In diesem Fall müssen Sie auf einen Parameter wie „Effektive Pixelanzahl“ achten.

Auflösung in Pixel- Dies ist die horizontale und vertikale Größe des Bildes (wenn 1280 x 960 angegeben ist) oder die Gesamtzahl der Pixel im Bild (wenn 1 MP (Megapixel), 2 MP usw. angegeben ist). Eigentlich ist die Auflösung in Megapixeln sehr einfach zu ermitteln: Sie müssen die Anzahl der horizontalen Pixel (1280) mit der Anzahl der vertikalen Pixel (960) multiplizieren und durch 1.000.000 dividieren. Insgesamt 1280×960 = 1,23 MP.

Wie konvertiere ich TVL in Pixel und umgekehrt? Eine genaue Umrechnungsformel gibt es nicht. Um die Videoauflösung in TVL zu bestimmen, müssen Sie spezielle Testtabellen für Videokameras verwenden. Für eine ungefähre Darstellung des Verhältnisses können Sie die Tabelle verwenden:

Effektive Bildpunkte

Wie bereits erwähnt, gibt die in den Eigenschaften von Videokameras angegebene Größe in Megapixeln oft keine genaue Vorstellung von der Auflösung des resultierenden Bildes. Der Hersteller gibt die Anzahl der Pixel auf der Kameramatrix (Sensor) an, allerdings sind nicht alle an der Bilderstellung beteiligt.

Daher wurde der Parameter „Anzahl (Anzahl) effektiver Pixel“ eingeführt, der genau angibt, wie viele Pixel das endgültige Bild bilden. Meistens entspricht sie der tatsächlichen Auflösung des resultierenden Bildes, obwohl es Ausnahmen gibt.

IR-Beleuchtung (Infrarot), IR

Ermöglicht Aufnahmen bei Nacht. Die Fähigkeiten der Matrix (Sensor) einer Videoüberwachungskamera sind viel höher als die des menschlichen Auges – beispielsweise kann die Kamera in Infrarotstrahlung „sehen“. Dieses Anwesen wurde für Filmaufnahmen bei Nacht und in unbeleuchteten/schwach beleuchteten Räumen genutzt. Bei Erreichen einer bestimmten Mindestbeleuchtung schaltet die Videokamera in den Aufnahmemodus im Infrarotbereich und schaltet die Infrarotbeleuchtung (IR) ein.

IR-LEDs sind so in die Kamera eingebaut, dass das Licht von ihnen nicht in das Kameraobjektiv fällt, sondern dessen Blickwinkel beleuchtet.

Das bei schlechten Lichtverhältnissen mit Infrarotbeleuchtung aufgenommene Bild ist immer schwarzweiß. Auch Farbkameras, die Nachtaufnahmen unterstützen, wechseln in den Schwarzweißmodus.

IR-Beleuchtungswerte in Videokameras werden normalerweise in Metern angegeben – das heißt, wie viele Meter von der Kamera entfernt die Beleuchtung es ermöglicht, ein klares Bild zu erhalten. IR-Beleuchtung mit großer Reichweite wird als IR-Beleuchtung bezeichnet.

Was ist Smart IR, Smart IR?

Mit der intelligenten IR-Beleuchtung (Smart IR) können Sie die Leistung der Infrarotstrahlung je nach Entfernung zum Objekt erhöhen oder verringern. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass Objekte, die sich in der Nähe der Kamera befinden, im Video nicht überbelichtet werden.

IR-Filter (ICR), Tag-/Nachtmodus

Der Einsatz von Infrarotbeleuchtung für Nachtaufnahmen weist eine Besonderheit auf: Die Matrix solcher Kameras ist mit erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem Infrarotbereich gefertigt. Dies stellt ein Problem bei Aufnahmen am Tag dar, da die Matrix tagsüber das Infrarotspektrum registriert, was die normale Farbe des resultierenden Bildes stört.

Daher arbeiten solche Kameras in zwei Modi – Tag und Nacht. Tagsüber ist die Matrix mit einem mechanischen Infrarotfilter (ICR) abgedeckt, der die Infrarotstrahlung abschneidet. Nachts bewegt sich der Filter, sodass die Strahlen des Infrarotspektrums ungehindert in die Matrix eindringen können.

Manchmal ist die Umschaltung des Tag-/Nachtmodus in der Software implementiert, diese Lösung führt jedoch zu Bildern mit geringerer Qualität.

Der ICR-Filter kann auch in Kameras ohne Infrarotbeleuchtung eingebaut werden, um tagsüber das Infrarotspektrum abzuschneiden und die Farbwiedergabe von Videos zu verbessern.

Wenn Ihre Kamera nicht über einen IGR-Filter verfügt, weil sie ursprünglich nicht für Nachtaufnahmen konzipiert wurde, können Sie ihr nicht einfach durch den Kauf eines separaten IR-Moduls Nachtaufnahmefunktionen hinzufügen. In diesem Fall wird die Farbe des Tagesvideos erheblich verzerrt.

Empfindlichkeit (Lichtempfindlichkeit, minimale Beleuchtung)

Im Gegensatz zu Kameras, bei denen die Lichtempfindlichkeit durch den ISO-Parameter ausgedrückt wird, ist dies bei Videoüberwachungskameras am häufigsten der Fall ausgedrückt in Lux (Lux) und bedeutet die minimale Beleuchtung, bei der die Kamera ein Videobild erzeugen kann gute Qualität- klar und rauschfrei. Je niedriger der Wert dieses Parameters ist, desto höher ist die Empfindlichkeit.

Videoüberwachungskameras werden entsprechend den Einsatzbedingungen ausgewählt: Wenn die Mindestempfindlichkeit der Kamera beispielsweise 1 Lux beträgt, ist es ohne zusätzliche Infrarotbeleuchtung nicht möglich, nachts ein klares Bild zu erhalten .

Das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) bestimmt die Qualität des Videosignals. Rauschen in Videobildern wird durch schlechte Beleuchtung verursacht und erscheint als farbiger oder schwarz-weißer Schnee oder Körnchen.

Der Parameter wird in Dezibel gemessen. Das Bild unten zeigt bereits bei 30 dB eine recht gute Bildqualität, bei modernen Kameras sollte das S/N jedoch mindestens 40 dB betragen, um qualitativ hochwertige Videos zu erhalten.

DNR-Rauschunterdrückung (3D-DNR, 2D-DNR)

Natürlich blieb das Problem des Bildrauschens bei den Herstellern nicht unbemerkt. An dieser Moment Um Bildrauschen zu reduzieren und das Bild entsprechend zu verbessern, gibt es zwei Technologien:

• 2-DNR. Ältere und weniger fortschrittliche Technologie. Grundsätzlich wird nur das Rauschen aus dem nahen Hintergrund entfernt; zudem ist das Bild manchmal durch die Reinigung leicht unscharf.
• 3-DNR. Neueste Technik, was entsprechend funktioniert komplexer Algorithmus und entfernt nicht nur Umgebungsgeräusche, sondern auch Schnee und Getreide im entfernten Hintergrund.

Bildrate, fps (Streamrate)

Die Bildrate beeinflusst die Glätte des Videobildes – je höher sie ist, desto besser. Um ein flüssiges Bild zu erzielen, ist eine Frequenz von mindestens 16-17 Bildern pro Sekunde erforderlich. Die PAL- und SECAM-Standards unterstützen Bildraten von 25 fps und der NTSC-Standard unterstützt 30 fps. Bei professionellen Kameras können Bildraten bis zu 120 fps und mehr erreichen.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass je höher die Bildrate ist, desto mehr Speicherplatz wird zum Speichern von Videos benötigt und desto stärker wird der Übertragungskanal belastet.

Lichtkompensation (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Häufige Probleme bei der Videoüberwachung sind:

• einzelne helle Objekte, die in den Rahmen fallen (Scheinwerfer, Lampen, Laternen), die einen Teil des Bildes beleuchten und dadurch wichtige Details nicht erkennen;
• zu helle Beleuchtung im Hintergrund (sonnige Straße hinter den Zimmertüren oder außerhalb des Fensters usw.), wodurch nahegelegene Objekte zu dunkel erscheinen.

Um diese Probleme zu lösen, werden in Überwachungskameras verschiedene Funktionen (Technologien) eingesetzt.

HLC – Helllichtkompensation. Vergleichen:

BLC – Gegenlichtkompensation. Dies wird durch eine Erhöhung der Belichtung des gesamten Bildes erreicht, wodurch Objekte im Vordergrund heller werden, der Hintergrund jedoch zu hell ist, um Details zu erkennen.

WDR (manchmal auch HDR genannt) – großer Dynamikbereich. Wird auch zur Gegenlichtkompensation verwendet, ist jedoch effektiver als BLC. Bei Verwendung von WDR haben alle Objekte im Video ungefähr die gleiche Helligkeit und Klarheit, sodass Sie nicht nur den Vordergrund, sondern auch den Hintergrund detailliert sehen können. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kamera Bilder mit unterschiedlichen Belichtungen aufnimmt und diese dann kombiniert, um ein Bild mit optimaler Helligkeit aller Objekte zu erhalten.

D-WDR- Softwareimplementierung breit Dynamikbereich , was etwas schlechter ist als der vollwertige WDR.

Schutzklassen IK (Vandalismussicher, Anti-Vandalismus) und IP (vor Feuchtigkeit und Staub)

Dieser Parameter ist wichtig, wenn Sie eine Kamera für die Videoüberwachung im Freien oder in einem Raum mit hoher Luftfeuchtigkeit, Staub usw. auswählen.

IP-Klassen- Dies ist ein Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern unterschiedlichen Durchmessers, einschließlich Staubpartikeln, sowie ein Schutz vor Feuchtigkeit. KlassenICH K- Dies ist ein Schutz vor Vandalismus, d. h. vor mechanischer Einwirkung.

Die gängigsten Schutzklassen bei Outdoor-CCTV-Kameras sind IP66, IP67 und IK10.

• Schutzklasse IP66: Die Kamera ist vollständig staubdicht und vor starkem Wasserstrahl (oder Meereswellen) geschützt. Wasser gelangt in geringen Mengen ins Innere und beeinträchtigt den Betrieb der Videokamera nicht.
• Schutzklasse IP67: Die Kamera ist vollständig staubdicht und übersteht kurzzeitiges vollständiges Untertauchen unter Wasser oder längere Zeit unter Schnee.
• Schutzklasse gegen Vandalismus IK10: Das Kameragehäuse hält einer Belastung von 5 kg aus 40 cm Höhe stand (Stoßenergie 20 J).

Verborgene Bereiche (Datenschutzmaske)

Manchmal ist es notwendig, bestimmte Bereiche, die in das Sichtfeld der Kamera fallen, vor der Beobachtung und Aufzeichnung auszublenden. Meistens ist dies auf den Schutz der Privatsphäre zurückzuführen. Bei einigen Kameramodellen können Sie die Einstellungen mehrerer dieser Zonen anpassen und so einen oder mehrere bestimmte Teile des Bildes abdecken.

Im Bild unten sind beispielsweise die Fenster eines Nachbarhauses im Kamerabild ausgeblendet.

Weitere Funktionen von CCTV-Kameras (DIS, AGC, AWB usw.)

OSD-Menü- Gelegenheit Manuelle Einstellungen viele Kameraparameter: Belichtung, Helligkeit, Brennweite (falls vorhanden) usw.

- Aufnahmen bei schlechten Lichtverhältnissen ohne Infrarotbeleuchtung.

DIS- Bildstabilisierungsfunktion der Kamera bei Aufnahmen unter Vibrations- oder Bewegungsbedingungen

EXIR-Technologie- von Hikvision entwickelte Infrarot-Beleuchtungstechnologie. Dadurch wird eine höhere Effizienz der Hintergrundbeleuchtung erreicht: größere Reichweite bei geringerem Stromverbrauch, Streuung usw.

AWB- Automatische Anpassung des Weißabgleichs im Bild, damit die Farbwiedergabe möglichst natürlich und für das menschliche Auge sichtbar ist. Besonders relevant für Räume mit künstlicher Beleuchtung und verschiedenen Lichtquellen.

AGC (AGC)- automatische gewinn Kontrolle. Es wird verwendet, um sicherzustellen, dass der Ausgabevideostream von Kameras immer stabil ist, unabhängig von der Stärke des Eingabevideostreams. Am häufigsten ist eine Verstärkung des Videosignals bei schlechten Lichtverhältnissen und eine Abschwächung erforderlich – im Gegenteil, wenn die Beleuchtung zu stark ist.

Bewegungsmelder- Dank dieser Funktion kann sich die Kamera nur dann einschalten und aufzeichnen, wenn sich das überwachte Objekt bewegt, und beim Auslösen des Melders auch ein Alarmsignal senden. Dies hilft, Platz zum Speichern von Videos auf dem DVR zu sparen, entlastet den Videostream-Übertragungskanal und organisiert die Benachrichtigung des Personals über einen aufgetretenen Verstoß.

Kameraalarmeingang- Dies ist die Möglichkeit, die Kamera einzuschalten und mit der Videoaufzeichnung zu beginnen, wenn ein Ereignis eintritt: die Aktivierung eines angeschlossenen Bewegungssensors oder eines anderen damit verbundenen Sensors.

Alarmausgang ermöglicht es Ihnen, eine Reaktion auf ein von der Kamera aufgezeichnetes Alarmereignis auszulösen, z. B. die Sirene einzuschalten, eine Warnung per E-Mail oder SMS zu senden usw.

Haben Sie die gesuchte Funktion nicht gefunden?

Wir haben versucht, alle häufig anzutreffenden Merkmale von Videoüberwachungskameras zusammenzustellen. Wenn Sie hier keine Erklärung für einen Parameter gefunden haben, der Ihnen unklar ist, schreiben Sie in die Kommentare. Wir werden versuchen, diese Informationen dem Artikel hinzuzufügen.

Wir haben über Matrizen zur Auswahl einer Videokamera für eine Familie geschrieben. Dort haben wir dieses Thema leicht angesprochen, aber heute werden wir versuchen, beide Technologien detaillierter zu beschreiben.

Was ist die Matrix in einer Videokamera? Dabei handelt es sich um eine Mikroschaltung, die ein Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt. Heutzutage gibt es also zwei Technologien 2 Arten von Matrizen – CCD (CCD) und CMOS (CMOS). Sie unterscheiden sich voneinander, jedes hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Es ist unmöglich, mit Sicherheit zu sagen, welches besser und welches schlechter ist. Sie entwickeln sich parallel. Auf technische Details gehen wir nicht ein, denn... Sie werden völlig unverständlich sein, aber im Allgemeinen werden wir ihre wichtigsten Vor- und Nachteile definieren.

CMOS-Technologie (CMOS)

CMOS-Matrizen Zunächst einmal rühmen sie sich eines geringen Stromverbrauchs, was ein Pluspunkt ist. Eine Videokamera mit dieser Technologie hält etwas länger (abhängig von der Akkukapazität). Aber das sind Kleinigkeiten.

Der Hauptunterschied und Vorteil ist das zufällige Auslesen der Zellen (bei CCD erfolgt das Auslesen gleichzeitig), wodurch ein Verschmieren des Bildes vermieden wird. Haben Sie schon einmal „vertikale Lichtsäulen“ von punktförmigen hellen Objekten gesehen? CMOS-Matrizen schließen also die Möglichkeit ihres Auftretens aus. Und darauf basierende Kameras sind günstiger.

Es gibt auch Nachteile. Der erste davon ist die geringe Größe des lichtempfindlichen Elements (im Verhältnis zur Pixelgröße). Hier wird der größte Teil der Pixelfläche von der Elektronik eingenommen, sodass die Fläche des lichtempfindlichen Elements reduziert wird. Folglich nimmt die Empfindlichkeit der Matrix ab.

Weil Da die elektronische Verarbeitung des Pixels erfolgt, nimmt das Bildrauschen zu. Dies ist ebenso ein Nachteil wie die geringe Scanzeit. Dadurch entsteht ein „Rolling-Shutter“-Effekt: Wenn sich der Bediener bewegt, kann das Objekt im Bild verzerrt werden.

CCD-Technologie

Mit Videokameras mit CCD-Matrizen erhalten Sie qualitativ hochwertige Bilder. Optisch ist bei Videos, die mit einem CCD-basierten Camcorder aufgenommen wurden, deutlich weniger Rauschen zu erkennen als bei Videos, die mit einer CMOS-Kamera aufgenommen wurden. Dies ist der allererste und wichtigste Vorteil. Und noch etwas: Die Effizienz von CCD-Matrizen ist einfach erstaunlich: Der Füllfaktor nähert sich 100 %, der Anteil der registrierten Photonen beträgt 95 %. Nehmen Sie das normale menschliche Auge – hier beträgt das Verhältnis etwa 1 %.

Der hohe Preis und der hohe Energieverbrauch sind die Nachteile dieser Matrizen. Die Sache ist, dass der Aufnahmeprozess hier unglaublich schwierig ist. Die Bilderfassung erfolgt dank vieler zusätzlicher Mechanismen, die in CMOS-Matrizen nicht zu finden sind, weshalb die CCD-Technologie deutlich teurer ist.

CCD-Matrizen werden in Geräten verwendet, die farbige und qualitativ hochwertige Bilder benötigen und mit denen dynamische Szenen aufgenommen werden können. Dabei handelt es sich meist um professionelle Videokameras, es gibt aber auch solche für den Heimgebrauch. Dies sind auch Überwachungssysteme, Digitalkameras usw.

CMOS-Matrizen werden dort eingesetzt, wo keine besonders hohen Anforderungen an die Bildqualität gestellt werden: Bewegungssensoren, günstige Smartphones... Dies war jedoch schon früher der Fall. Moderne Matrizen CMOS haben unterschiedliche Modifikationen, was sie im Hinblick auf den Wettbewerb mit CCD-Matrizen sehr hochwertig und würdig macht.

Nun ist es schwierig zu beurteilen, welche Technologie besser ist, da beide hervorragende Ergebnisse liefern. Daher ist es zumindest dumm, den Matrixtyp als einziges Auswahlkriterium festzulegen. Es ist wichtig, viele Merkmale zu berücksichtigen.

Das CCD-Prinzip mit der Idee, elektronische Ladungen zu speichern und dann auszulesen, wurde erstmals Ende der 60er Jahre von zwei Ingenieuren der BELL Corporation auf der Suche nach neuen Arten von Computerspeichern entwickelt, die den Speicher ersetzen könnten Ferritringe(Ja, ja, es gab so eine Erinnerung). Diese Idee erwies sich als wenig vielversprechend, aber die Fähigkeit von Silizium, auf das sichtbare Strahlungsspektrum zu reagieren, wurde erkannt und die Idee entwickelt, dieses Prinzip für die Bildverarbeitung zu nutzen.

Beginnen wir mit der Entschlüsselung des Begriffs.

Die Abkürzung CCD bedeutet „Charge-Coupled Devices“ – dieser Begriff leitet sich vom englischen „Charge-Coupled Devices“ (CCD) ab.

Dieser Gerätetyp hat derzeit ein sehr breites Anwendungsspektrum in den unterschiedlichsten optoelektronischen Geräten zur Bildaufnahme. Im Alltag sind dies Digitalkameras, Videokameras und verschiedene Scanner.

Was unterscheidet einen CCD-Empfänger von einer herkömmlichen Halbleiter-Fotodiode, die über ein lichtempfindliches Pad und zwei elektrische Kontakte zum Aufnehmen eines elektrischen Signals verfügt?

Erstens, solche lichtempfindlichen Bereiche (oft Pixel genannt – Elemente, die Licht empfangen und in umwandeln). elektrische Aufladungen) in einem CCD-Empfänger ist sehr groß, von mehreren Tausend über mehrere Hunderttausend und sogar mehrere Millionen. Die Größen der einzelnen Pixel sind gleich und können zwischen Einheiten und mehreren zehn Mikrometern liegen. Die Pixel können in einer Reihe aneinandergereiht sein – dann nennt man den Empfänger CCD-Array, oder sie können in geraden Reihen einen Bereich der Oberfläche ausfüllen – dann nennt man den Empfänger CCD-Matrix.

Lage der lichtempfangenden Elemente (blaue Rechtecke) im CCD-Array und der CCD-Matrix.

Zweitens In einem CCD-Empfänger, der wie eine normale Mikroschaltung aussieht, gibt es keine große Anzahl elektrischer Kontakte zur Ausgabe elektrischer Signale, die scheinbar von jedem lichtempfangenden Element kommen sollten. An den CCD-Empfänger ist jedoch eine elektronische Schaltung angeschlossen, die es ermöglicht, von jedem lichtempfindlichen Element ein elektrisches Signal zu extrahieren, das proportional zu seiner Beleuchtung ist.

Die Funktionsweise eines CCD lässt sich wie folgt beschreiben: Jedes lichtempfindliche Element – ​​ein Pixel – funktioniert wie ein Sparschwein für Elektronen. Unter dem Einfluss von Licht einer Quelle entstehen Elektronen in Pixeln. Über einen bestimmten Zeitraum wird jedes Pixel im Verhältnis zur einfallenden Lichtmenge allmählich mit Elektronen gefüllt, wie ein Eimer, der bei Regen draußen steht. Am Ende dieser Zeit werden die von jedem Pixel angesammelten elektrischen Ladungen der Reihe nach an den „Ausgang“ des Geräts übertragen und gemessen. All dies ist aufgrund der spezifischen Kristallstruktur möglich, in der sich die lichtempfindlichen Elemente befinden Elektrischer Schaltplan Management.

Eine CCD-Matrix funktioniert fast genauso. Nach der Belichtung (Beleuchtung des projizierten Bildes) versorgt ihn die elektronische Steuerschaltung des Geräts mit einem komplexen Satz von Impulsspannungen, die beginnen, die Spalten mit in den Pixeln angesammelten Elektronen an den Rand der Matrix zu verschieben, wo eine ähnliche Messung erfolgt Es befindet sich ein CCD-Register, dessen Ladungen in senkrechter Richtung verschoben werden und auf das Messelement fallen, wodurch darin Signale erzeugt werden, die proportional zu den einzelnen Ladungen sind. Somit können wir für jeden nachfolgenden Zeitpunkt den Wert der akkumulierten Ladung ermitteln und herausfinden, welchem ​​Pixel in der Matrix (Zeilennummer und Spaltennummer) sie entspricht.

Kurz zur Physik des Prozesses.

Zunächst stellen wir fest, dass CCDs zu den Produkten der sogenannten Funktionselektronik gehören. Man kann sie sich nicht als eine Ansammlung einzelner Funkelemente – Transistoren, Widerstände und Kondensatoren – vorstellen. Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Ladungskopplung. Das Prinzip der Ladungskopplung nutzt zwei aus der Elektrostatik bekannte Maßnahmen:

1. Ladungen stoßen sich gegenseitig ab
2. Ladungen tendieren dazu, sich dort niederzulassen, wo ihre potentielle Energie minimal ist. Diese. ungefähr: „Der Fisch schaut dorthin, wo er tiefer ist.“

Stellen wir uns zunächst einen MOS-Kondensator vor (MOS ist eine Abkürzung für Metalloxid-Halbleiter). Das ist, was vom MOS-Transistor übrig bleibt, wenn man Drain und Source entfernt, also nur eine Elektrode, die durch eine dielektrische Schicht vom Silizium getrennt ist. Zur Bestimmtheit gehen wir davon aus, dass der Halbleiter vom p-Typ ist, d. h. die Konzentration der Löcher unter Gleichgewichtsbedingungen ist viel (mehrere Größenordnungen) größer als die der Elektronen. In der Elektrophysik ist ein „Loch“ die Ladung, die der Ladung eines Elektrons entgegengesetzt ist, also positive Ladung.

Was passiert, wenn an eine solche Elektrode (Gate genannt) ein positives Potential angelegt wird? Das vom Gate erzeugte elektrische Feld, das durch das Dielektrikum in das Silizium eindringt, stößt sich bewegende Löcher ab; Es erscheint eine Verarmungsregion – ein bestimmtes Siliziumvolumen, das frei von Mehrheitsträgern ist. Bei den für CCDs typischen Parametern von Halbleitersubstraten beträgt die Tiefe dieses Bereichs etwa 5 µm. Im Gegenteil, die hier unter Lichteinfluss erzeugten Elektronen werden vom Gate angezogen und sammeln sich an der Oxid-Silizium-Grenzfläche direkt unter dem Gate an, d. h. sie fallen in den Potentialtopf (Abb. 1).

Reis. 1
Bildung eines Potentialtopfes beim Anlegen einer Spannung an das Gate

In diesem Fall neutralisieren Elektronen, die sich in der Wanne ansammeln, das durch das Gate im Halbleiter erzeugte elektrische Feld teilweise und können es letztendlich vollständig kompensieren, sodass das gesamte elektrische Feld nur auf das Dielektrikum fällt, und alles wird zurückkehren der Ausgangszustand- mit der Ausnahme, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Elektronenschicht bildet.

Nun soll sich neben dem Tor ein weiteres Tor befinden, an das ebenfalls ein positives Potential angelegt wird, das zudem größer ist als an das erste (Abb. 2). Wenn nur die Tore nahe genug sind, werden ihre Potenzialtöpfe kombiniert und die Elektronen in einem Potenzialtopf wandern in den benachbarten, wenn dieser „tiefer“ ist.
Reis. 2
Überlappende potenzielle Brunnen zweier nahe beieinander liegender Tore. Die Ladung fließt dorthin, wo der Potentialtopf tiefer liegt.

Nun sollte klar sein, dass es bei einer Kette von Gattern möglich ist, durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen an diese ein lokalisiertes Ladungspaket entlang einer solchen Struktur zu übertragen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von CCDs – die Selbstscan-Eigenschaft – besteht darin, dass zur Steuerung einer beliebig langen Gate-Kette nur drei Taktleitungen ausreichen. (Der Begriff Bus ist in der Elektronik ein Leiter elektrischer Strom, der ähnliche Elemente verbindet, ein Taktbus - Leiter, über die eine phasenverschobene Spannung übertragen wird.) Tatsächlich sind für die Übertragung von Ladungspaketen drei Elektroden notwendig und ausreichend: eine sendende, eine empfangende und eine isolierende, die Empfangspaare trennende und voneinander sendend, und die gleichnamigen Elektroden solcher Tripletts können zu einem einzigen Taktbus miteinander verbunden werden, was nur einen externen Ausgang erfordert (Abb. 3).

Reis. 3
Das einfachste dreiphasige CCD-Register.
Die Ladung in jedem Potentialtopf ist unterschiedlich.

Dies ist das einfachste dreiphasige Schieberegister auf einem CCD. Taktdiagramme des Betriebs eines solchen Registers sind in Abb. dargestellt. 4.

Reis. 4
Taktdiagramme zur Ansteuerung eines Drehstromregisters sind drei um 120 Grad verschobene Mäander.
Wenn sich Potenziale ändern, bewegen sich Ladungen.

Es ist ersichtlich, dass für den normalen Betrieb zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Taktbus ein hohes Potenzial und mindestens einer ein niedriges Potenzial (Sperrpotenzial) haben muss. Wenn das Potenzial auf einem Bus ansteigt und auf dem anderen (vorherigen) abnimmt, werden alle Ladungspakete gleichzeitig auf benachbarte Gates übertragen, und für einen vollständigen Zyklus (ein Zyklus auf jedem Phasenbus) werden Ladungspakete auf eines übertragen (verschoben). Registerelement.

Um Ladungspakete in Querrichtung zu lokalisieren, werden sogenannte Stoppkanäle gebildet – schmale Streifen mit erhöhter Konzentration des Hauptdotierstoffs, die entlang des Transferkanals verlaufen (Abb. 5).

Reis. 5.
Draufsicht auf das Register.
Der Transferkanal in seitlicher Richtung wird durch Stoppkanäle begrenzt.

Tatsache ist, dass die Konzentration der Dotierungsverunreinigung bestimmt, bei welcher spezifischen Gate-Spannung darunter ein Verarmungsbereich gebildet wird (dieser Parameter ist nichts anderes als die Schwellenspannung der MOS-Struktur). Aus intuitiven Überlegungen ist klar, dass es umso schwieriger ist, sie tiefer zu treiben, je höher die Verunreinigungskonzentration, d. h. je mehr Löcher im Halbleiter vorhanden sind, d. h. je höher die Schwellenspannung bzw. je niedriger das Potential ist im Potentialbrunnen.

Probleme

Wenn bei der Herstellung digitaler Geräte die Streuung der Parameter über den Wafer ein Vielfaches erreichen kann, ohne dass sich dies spürbar auf die Parameter der resultierenden Geräte auswirkt (da mit diskreten Spannungspegeln gearbeitet wird), dann ist dies beispielsweise bei einem CCD der Fall , die Dotierstoffkonzentration um 10 % ist im Bild bereits erkennbar. Die Größe des Kristalls und die Unmöglichkeit der Redundanz, wie beim LSI-Speicher, bringen ihre eigenen Probleme mit sich, sodass fehlerhafte Bereiche zur Unbrauchbarkeit des gesamten Kristalls führen.

Endeffekt

Verschiedene Pixel der CCD-Matrix weisen technologisch unterschiedliche Lichtempfindlichkeiten auf und dieser Unterschied muss korrigiert werden.

Im digitalen KMA wird diese Korrektur als Auto Gain Control (AGC)-System bezeichnet.

Wie das AGC-System funktioniert

Der Einfachheit halber gehen wir nicht auf etwas Konkretes ein. Nehmen wir an, dass am Ausgang des ADC des CCD-Knotens bestimmte Potentialpegel vorhanden sind. Nehmen wir an, dass 60 der durchschnittliche Weißwert ist.

1. Für jedes Pixel der CCD-Zeile wird ein Wert abgelesen, wenn es mit Referenz-Weißlicht beleuchtet wird (und bei seriöseren Geräten wird auch der „Schwarzwert“ abgelesen).
2. Der Wert wird mit einem Referenzniveau (z. B. dem Durchschnitt) verglichen.
3. Für jedes Pixel wird die Differenz zwischen dem Ausgabewert und dem Referenzpegel gespeichert.
4. Später, beim Scannen, wird dieser Unterschied für jedes Pixel ausgeglichen.

Das AGC-System wird jedes Mal initialisiert, wenn das Scannersystem initialisiert wird. Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass der Scannerschlitten beim Einschalten des Geräts nach einiger Zeit anfängt, sich vorwärts und rückwärts zu bewegen (entlang der schwarzen und weißen Streifen zu kriechen). Dies ist der Initialisierungsprozess des AGC-Systems. Das System berücksichtigt auch den Zustand der Lampe (Alterung).

Sie haben wahrscheinlich auch bemerkt, dass kleine MFPs, die mit einem Farbscanner ausgestattet sind, die Lampe abwechselnd mit drei Farben zum Leuchten bringen: Rot, Blau und Grün. Dann wird nur die ursprüngliche Hintergrundbeleuchtung weiß. Dies geschieht, um die Empfindlichkeit der Matrix separat für RGB-Kanäle besser korrigieren zu können.

Halbtontest (SCHATTIERUNGSTEST) ermöglicht es Ihnen, diesen Vorgang auf Wunsch des Ingenieurs einzuleiten und die Einstellwerte auf reale Bedingungen zu bringen.

Versuchen wir, dies alles an einer echten „Kampf“-Maschine zu betrachten. Nehmen wir ein bekanntes und beliebtes Gerät als Grundlage. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Es ist zu beachten, dass in unserem Fall CCD zum CIS (Contact Image Sensor) wird, sich das Wesentliche des Geschehens jedoch nicht grundlegend ändert. Als Lichtquelle werden einfach LED-Reihen verwendet.

Also:

Das Bildsignal vom CIS hat einen Pegel von etwa 1,2 V und wird dem ADC-Bereich (SADC) des Gerätecontrollers (SADC) zugeführt. Nach SADC wird das analoge CIS-Signal in ein 8-Bit-Digitalsignal umgewandelt.

Der Bildprozessor in SADC verwendet zunächst die Tonkorrekturfunktion und dann die Gammakorrekturfunktion. Anschließend werden die Daten je nach Betriebsmodus an verschiedene Module geliefert. Im Textmodus gehen Bilddaten an das LAT-Modul, im Fotomodus gehen Bilddaten an das Modul „Error Diffusion“ und im PC-Scan-Modus gehen Bilddaten direkt an Persönlicher Computerüber DMA-Zugriff.

Legen Sie vor dem Test mehrere leere weiße Blätter auf das Vorlagenglas. Es versteht sich von selbst, dass die Optik, der S/W-Streifen und generell die Scannerbaugruppe von innen zunächst „geleckt“ werden müssen.

1. Wählen Sie im TECH-MODUS
2. Drücken Sie die ENTER-Taste, um das Bild zu scannen.
3. Nach dem Scannen wird ein „CIS SHADING PROFILE“ gedruckt. Ein Beispiel für ein solches Blatt ist unten dargestellt. Es muss keine Kopie Ihres Ergebnisses sein, aber es sollte im Bild ähnlich sein.
4. Wenn das gedruckte Bild stark von dem in der Abbildung gezeigten Bild abweicht, ist das CIS fehlerhaft. Bitte beachten Sie, dass am Ende des Berichtsblatts „Ergebnisse: OK“ steht. Das bedeutet, dass das System keine ernsthaften Beanstandungen am CIS-Modul hat. Andernfalls werden Fehlerergebnisse ausgegeben.

Beispiel für einen Profilausdruck:

Viel Erfolg!!

Basierend auf Materialien aus Artikeln und Vorträgen von Lehrern der St. Petersburg State University (LSU), der St. Petersburg Electrotechnical University (LETI) und Axl. Vielen Dank an sie.

Material erstellt von V. Schelenberg