Видеонаблюдение постепенно становится мегапиксельным. Это обусловлено широким распространением IP-видеонаблюдения, при котором формат изображения может быть практически любым, не ограниченным жесткими стандартами телевидения. Появление и развитие стандарта HDcctv (HD-SDI), основанного на цифровых вещательных форматах HD и FullHD, только усилило мегапиксельную тенденцию. Что естественно, поскольку качество изображения, основным критерием которого является разрешение, в традиционном видеонаблюдении всегда было весьма скромным.
С другой стороны, в системах видеонаблюдения уже довольно давно используется инфракрасная подсветка. Ее применение обусловлено наличием в видеосенсорах области ИК-чувствительности. Более того, практически все технологии увеличения чувствительности сенсоров – как CCD, так и CMOS – основаны на расширении области чувствительности в ИК-диапазон.
Обычно область спектральной чувствительности сенсоров без дополнительных срезающих фильтров простирается до 1000 нм. Кстати, естественная чувствительность самого материала сенсоров – кремния – простирается значительно шире используемого видимого диапазона (400–700 нм) и имеет максимум на длине волны около 900 нм.
Форма спектральной чувствительности специально формируется близкой к кривой видности глаза для адекватной передачи яркости цветных объектов: желтых и зеленых – как относительно светлых, а красных и синих – как относительно темных. При расширении спектрального диапазона в область ИК, естественно, эти соотношения несколько изменяются, но при этом камеры работают либо в черно-белом ночном режиме, либо в цветном ночном режиме без серьезных претензий к качеству цветопередачи.
Другими словами, ИК-подсветка для мегапиксельных камер не имеет серьезных особенностей за исключением несколько меньшей чувствительности CMOS-сенсоров по сравнению с CCD-сенсорами, используемыми в аналоговых камерах. Причем в общем случае не имеет никакого значения, применяется IP- или HD-SDI-камера.
Различия в интегральной чувствительности сенсоров обусловлены прежде всего различной эффективной площадью пикселя. К этому приводит их большее количество в мегапиксельном сенсоре и худшее использование площади из-за большого количества различных элементов на матрице.
Дополнительные потери световой энергии возникают от традиционного использования цветовых фильтров RGB-структуры вместо CMYG в CCD. Однако технологии не стоят на месте, и интегральная чувствительность CMOS-сенсоров сегодня вплотную приблизилась к чувствительности CCD. Во всяком случае, она уже не отличается от CCD на порядок и более, как в первых образцах.
В 2008 г. специально для CMOS-матриц компания Sony разработала новую технологию CMOS-сенсоров – Exmor. Изменение архитектуры сенсора и переход на медные соединительные элементы позволили уменьшить потери света при прохождении в глубину матрицы, сократить рассеивание на элементах. Уменьшился шум и увеличилась скорость считывания за счет параллельного аналого-цифрового преобразования и сокращения аналоговых связей. При считывании с использованием двойной выборки происходит, можно сказать, вычитание шума пикселей и элементов схемы.
На рис. 1 приведен разрез пикселей в традиционной и Exmor CMOS-матрицах. Видно, что толщина электронной структуры уменьшилась на 40%.
Еще более совершенной стала технология Sony Exmor R, основанная на обратной засветке сенсора BSI (Back-Illuminated Sensor). В данном решении удалось до минимума сократить потери света при прохождении вглубь матрицы. Разработчик заявляет увеличение чувствительности еще на 8 дБ (почти в 2,5 раза) относительно предыдущих моделей CMOS-сенсоров.
К сожалению, на сегодня технология Exmor R неприменяется в CMOS-сенсорах для видеонаблюдения, а используется лишь в цифровых фотоаппаратах, портативных цифровых видеокамерах (камкордерах) и мобильных устройствах (смартфоны и коммуникаторы). Видимо, это обусловлено несоразмерностью рынков потребительского и профессионального оборудования.
В основном CMOS Exmor R – это миниатюрные сенсоры, имеющие разрешение 8–13 Мпкс с размерами пикселя до 1,78 мкм. Поскольку развитие технологий основано на единых физических законах, другие производители CMOS-сенсоров также используют схожие методики.
В таблице приведены сравнительные характеристики матриц CCD и CMOS Sony формата 1/3" (1/2,8"), наиболее распространенного для камер охранного видеонаблюдения.
Из табличных значений видно, что чувствительность CMOS Exmor формата HD (1,3 Мпкс) уже практически сравнялась с популярной в свое время высокочувствительной матрицей EX-view HAD (ICX259AK). Вместе с тем CMOS наиболее популярного в настоящее время формата FullHD уступает ей почти в 3 раза, а современной матрице ICX673AKA, применяемой в камерах с технологией Effio-E, – почти в 6 раз.
При ИК-подсветке телекамера взаимодействует с ИК-излучением в узкой спектральной полосе излучателя. Для современных светодиодов это около 50–70 нм. Поэтому распространенное мнение о высокой эффективности ИК-подсветки следует признать несколько оптимистичным. Однако при использовании современных сенсоров с увеличенным ИК-диапазоном чувствительности подсветка становится более эффективной. На рис. 2 приведена спектральная характеристика чувствительности матрицы CMOS Exmor с дневным (красная кривая) и ночным (синяя кривая) ИК-фильтром. Видно, что в области ИК чувствительность даже выше, чем в видимом диапазоне. Сиреневым цветом выделены области засветки ИК-осветителей с длиной волны 850 и 940 нм. Кривые спектральной чувствительности получены интегрированием RGB-характеристик матриц CMOS Exmor.
Данные характеристики показывают, что интегральная чувствительность при переходе в ночной режим с ИК-чувствительностью растет на 240%, или почти в 3,5 раза. Разумеется, это существенно увеличивает эффективность ночного наблюдения при освещении естественными или искусственными широкополосными источниками. При подсветке светодиодными ИК-осветителями эффективность составляет около 10% для 850 нм и 4% для 940 нм.
Чувствительность является внутренней характеристикой телекамеры и определяется чувствительностью сенсора, причем нормируется при отключенных системах АРУ, Sens-Up (DSS), DNR и т.д. Однако для мегапиксельных камер производитель часто нормирует чувствительность (минимальную освещенность) с включенной АРУ, DSS, а иногда и DNR. Причем для пользователя во многих случаях остаются загадкой глубина АРУ, кратность накопления или вообще факт использования этих функций при измерении. Зачастую потребитель не в курсе, имеется ли ИК-чувствительность ночного режима в данной конкретной камере и какова она.
Конечно, повышенная чувствительность ночного режима одновременно может означать наличие ИК-чувствительности, поскольку откуда же еще она возьмется. Правда, многократное увеличение необъяснимо даже для современных матриц и противоречит приведенным характеристикам (рис. 2). Причем эти данные по порядку величины эквивалентны характеристикам и увеличению чувствительности для CCD-сенсоров.
Для иллюстрации этих соображений на фото 1 приведены видеокадры с двух аналоговых камер на CCD без ИК-чувствительности (color) и с подвижным ИК-фильтром (ICR) в дневном режиме (Effio), а также двух мегапиксельных камер на CMOS Exmor – 3 Мпкс IP и FullHD HD-SDI. Все камеры работают в дневном режиме при освещенности 200– 300 лк. Поскольку освещение производится лампами накаливания с большой ИК-составляющей, на изображениях трех камер видны сильные цветовые искажения черного цвета (валенок куклы).
На фото 2 приведены видеокадры с этих же видеокамер в ночном режиме с ИК-подсветкой 940 нм. Видно, что изображения камер Effio и HD-SDI вполне удовлетворительны, а IP-камера, практически аналогичная по матрице камере HD-SDI, выдает сильно зашумленное изображение. Очевидно, в ночном режиме ИК-чувствительность у нее незначительная.
Тип камеры – IP или HD-SDI – в данном случае совершенно не имеет значения. Не надо думать, что все IP-камеры работают так. Различия этих камер заключаются только в способе передачи сигналаВ заключение можно сделать вывод, что ИК-подсветка с мегапиксельными IP-камерами применима точно так же, как и с аналоговыми. Причем нет ни какого различия – это IP-камеры или HD-SDI.
Если подсветка встроенная, то можно в какой-то мере довериться производителю и считать заявленную дальность реальной. По крайней мере на половинной дальности, где освещенность увеличится в 4 раза, можно рассчитывать на получение какого-то изображения.
При использовании отдельного ИК-осветителя, что является, безусловно, более предпочтительным вариантом, надо предварительно убедиться, что в ночном режиме камера обладает достаточно высокой ИК-чувствительностью. Хотя бы получить такой ответ от продавца, поскольку, как мы выяснили, наличие режима "день/ночь" еще не гарантирует чувствительности в ИК-области подсветки.