Светочувствительность камеры – Как выбрать камеру видеонаблюдения

Содержание

Чувствительность, камеры с ИК подсветкой, внешние источники освещения, электронно оптический преобразователь, тепловизоры

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности

Большинство противоправных действий, связанных с порчей и кражами имущества, а так же причинением вреда здоровью граждан, совершается в ночное время.

Соответственно, одной из основных функций камеры видеонаблюдения является способность давать четкую качественную картинку при недостаточном освещении.
 
 
Содержание:

Существует множество программных и аппаратных способов улучшить видеонаблюдение в ночное время. Прежде всего – это светочувствительность матрицы камеры.

Чувствительность

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности
Существует два основных определения этого параметра:

  • Scene illumination – минимальная освещенность объекта, при которой возможно разграничить переход от белого к черному;
  • Image illumination – минимально необходимая освещенность матрицы при которой она способна отобразить переход.

Эти показатели существенно отличаются, иногда более чем в 10 раз.

Солидные производители всегда указывают в спецификации на изделие оба параметра, в то время как фирмы более низкого уровня, стараясь выделить свои изделия за счет количественных показателей, указывают только светочувствительность матрицы.

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности
Во время проведения работ по установке видеодомофона, особенно связанных с электричеством, необходимо придерживаться правил использования оборудования.

Если вызывные панели изначально выпускаются в антивандальном корпусе, то наружные камеры без дорогостоящего защитного кожуха довольно хрупкое устройство. Подробнее о видеодомофонах для дачи читайте в этой статье.

Формула расчета, по которой можно определить, будет камера давать качественное изображение или нет следующая:

Icam=Isce*R/(n*F2), где

  • Icam – показатель освещенности CCD матрицы;
  • Isce – уровень освещенности объекта;
  • R – коэффициент отражаемого света поверхностью объекта;
  • F2 – коэффициент усиления света объективом, равен 1,4
  • n – кратность светосилы, у каждого объектива своя.

Коэффициент отражения берут усредненный 0,75, но если известно какие объекты будут перед камерой, то лучше взять из справочника.

Приблизительные коэффициенты наиболее распространенных объектов наведены в таблице:

Лицо человека от0,15 до 0,25
Деревья, кусты, земля 0,2
Бетонное покрытие от 0,25 до 0,3
Кирпичная стена 0,35
Асфальтовое покрытие 0,4
Стекло 0,7
Белое лакокрасочное покрытие от 0,75 до 0,9
Снег до 0,9

 

Если условия эксплуатации камер довольно специфические, то лучше провести измерения в месте установки при помощи люксметра. Для этого подойдет обычная модель измерительного прибора.

Люксметр Ю-116.

Устройство предназначено для измерения освещенности, которая создается как искусственным, так и естественным светом с произвольного направления.

В стандартную комплектацию входит набор светофильтров, с помощью которых можно произвести измерение в диапазоне от 0,1 Лкс до 100000 Лкс.

Если предполагается использовать камеру на открытой местности, то уровень освещенности можно узнать из таблицы:

Солнечный безоблачный день 100000 Лкс
Солнечная погода с легкими облаками 70000 Лкс
Пасмурная погода 500 Лкс
Раннее утро 4 Лкс
Сумерки 0,2 Лкс
Безоблачная ночь при полной луне 0,02 Лкс
Безоблачная ночь при молодой или старой луне 0,007 Лкс
Облачная погода ночью 0,001 Лкс
Безлунная ночь с небольшими облаками 0,0007 Лкс
Ночь с облаками 0,00005 Лкс

Камеры с ИК подсветкой

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности


Чувствительность черно-белых камер, в системе ночного видеонаблюдения, существенно смещена в инфракрасный диапазон, по сравнению с человеческим зрением.

Этот эффект позволяет, при недостатке освещения, использовать специальные источники инфра красного излучения, которые помогают записывать все события не прибегая к источникам видимого освещения.

Цветные камеры имеют светочувствительность гораздо меньшую, чем черно-белые и у них отсутствует восприятие в ИК части спектра. Именно поэтому функция перехода в ночной режим дает черно-белое изображение с цветной камеры.

МВК-8152цДВИ

Оснащена CCD матрицей второго поколения 1/3″ SONY Super HAD, которая обеспечивает качество изображения 550Твл. Объектив имеет автоматическую ИК коррекцию, благодаря чему резкость изображения в ночное время с ИК подсветкой не ухудшается. Функция день-ночь имеет аппаратный детектор.

В отличие от большинства камер подобного типа источники ИК освещения вынесены за основной корпус, чтобы не засвечивать объектив. Их корпуса имеют ребристую поверхность для лучшего охлаждения диодной матрицы небольшого размера.

Использование точечного источника и оптических линз позволяет формировать разные углы подсветки. В поставляемом комплекте имеются два набора линз на 600 и 300.

Светочувствительность камеры в цветном режиме составляет 0,12 Лкс / F1,5, в ночном режиме – 0,06Лкс / F1,5, при абсолютной темноте и использовании ИК освежения дальность съемки составляет 30 м.

Внешние источники освещения

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности


Обычно это ИК-светодиоды, монтируемые непосредственно вокруг объектива камеры, но есть и внешние модули, имеющие существенно большую мощность.

Существуют модели для миниатюрных камер с внешним диаметром 25 мм и внутренним – 13,5 мм. Такой модуль можно установить на любую камеру, он будет включаться автоматически по датчику уровня освещенности. ИК-излучения с 9ти светодиодов достаточно для освещения на Расстоянии 9-10м.

D140-850-35 (AC220V, 0,12A) – инфра красный прожектор, состоящий из излучающей светодиодной матрицы покрытой комбинированной формирующей излучение оптикой. Светодиодная панель закрыта специальным светофильтром из ИК пластика.

Устройство имеет вынесенную ручную настройку мощности излучения, выход, подключаемый к камере имеющей схему внешнего управления функцией день-ночь. Выход для импульсного управления включением прожектора.

Используется при условии наличия у камеры функции автоматического включения по детектору движения.

Устройство может работать и автономно, так как оборудовано детектором освещенности и стабилизатором тока.

      

Электронно оптический преобразователь

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности
Камеры, оборудованные микроканальным электронно оптическим преобразователем (ЭОП), являются фактически гибридом прибора ночного видения и аналоговой камеры.

Светочувствительность такого устройства от 100 до 10000 раз выше, чем у стандартных моделей, это позволяет им запечатлеть тепловое излучение человеческого тела.

Однако их непомерная стоимость в сочетании с капризностью не привели к их широкому распространению.

Объектив такой камеры следует закрывать в дневное время для предотвращения выгорания ЭОП катода, а во время работы следует периодически немного поворачивать, чтобы избежать неравномерного выгорания, но и при таком обращении время безотказной работы не превосходит одного года.

Тепловизоры

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности
В современных системах видеонаблюдения ночного видения широко используются такие специализированные приборы как тепловизоры.

На данном этапе развития тепловизионной техники использование специализированных систем способных функционировать только в ночное время в узконаправленном диапазоне не представляется целесообразным.

Тепловизионнае системы широко интегрируются с обычными, оптическими камерами видеонаблюдения и представляют собой автоматизированные комплексы с широким функционалом.

АМБ-М-640-320-ХХ-П-РК

Назначение данного комплекса обнаружение и идентификация объектов на больших расстояниях. Они используются для охраны особо важных объектов имеющих территорию большой продолжительности и площади.

В устройстве используется светочувствительная камера с микроболометрической матрицей, способная давать качество разрешения до 640х480. Объектив имеет высокий коэффициент светового усиления, некоторые модели имеют постоянный 200 мм фокус, что позволяет вести видеонаблюдение на дальних дистанциях.

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности


Программное обеспечение для серверов видеонаблюдения должно иметь функции быстрой установки и простого добавления новых серверов и устройств по мере роста сети.

Устройство видеозахвата преобразует аналоговый электрический сигнал, поступающий от матрицы в цифровой. Подробнее о принципах работы IP видеонаблюдения читайте тут.

Возможна смена комплектации на вариофокальный трансфокаторный объектив с оптическим 37 кратным зумом и изменяемым фокусным расстоянием от 25-255 мм.

Наблюдательный комплекс может устанавливаться на PTZ платформу с горизонтальным вращением на 3600 и углом наклона 300-450. При этом скорость горизонтального углового перемещения 300/сек, а вертикального – 150/сек.

Камеры такого типа используются не только в стационарных системах ночного видеонаблюдения, но и устанавливаются на автомобили.

Ночное видеонаблюдение - обязательный фактор качественной системы безопасности

К примеру, камера Pergam-Driver устанавливается на автомобиль с помощью магнитного кронштейна.

Имеет ручную регулировку по наклону и горизонтальному направлению. Подключение осуществляется через видеовыход «тюльпан» к любому совместимому монитору.

Корпус камеры герметичен и имеет степень защиты IP 66, что позволяет устанавливать ее вне салона автомобиля. Дальности распознания человеческой фигуры до 175 м достаточно для избегания ДТП.

На практике тепловое «препятствие» будет видно с дистанции не менее 300 м.

nabludau.ru

Светочувствительность цифровых камер — Википедия

Светочувствительность цифровой фотокамеры — характеристика цифрового фотоаппарата, определяющая зависимость числовых параметров созданного им цифрового изображения от экспозиции, полученной светочувствительной матрицей. Светочувствительность цифровых фотоаппаратов принято выражать в единицах, эквивалентных светочувствительности ISO желатиносеребряных фотоэмульсий[1]. Это позволяет пользоваться методами измерения экспозиции, свойственными классической плёночной фотографии.

Однако понятие светочувствительности цифровых камер не имеет ничего общего с традиционными фотоматериалами в силу неприменимости законов сенситометрии, и отражает чувствительность матрицы лишь косвенно. В отличие от светочувствительности фотоматериалов, относящейся только к конкретной используемой фотоэмульсии, в цифровой фотографии под светочувствительностью понимают передаточную функцию всей системы, включающей матрицу, предусилитель и алгоритмы АЦП. Для цифровых видеокамер и передающих телекамер, основанных на аналогичных матрицах, единицы ISO не применяются, а светочувствительность выражается в минимальной освещённости объекта съёмки в люксах, позволяющей получать изображение с допустимым уровнем шумов[2][3]. В некоторых случаях чувствительность видеокамер выражается минимальной освещённостью при определённом уровне усиления сигнала в децибелах[4].

Светочувствительность узкоспециализированных видеоустройств, например, видеорегистраторов, часто указывается в нестандартных единицах, учитывающих светосилу жёстковстроенного объектива. Однако, в большинстве случаев светочувствительность таких приборов выражается в отношении электрического напряжения в вольтах, получаемого на аналоговом выходе матрицы к величине экспозиции излучением с длиной волны 550 нанометров, считающейся максимумом спектральной чувствительности человеческого зрения. С единицами ISO эта величина никак не соотносится.

Колесо установки значения ISO цифрового фотоаппарата «Canon PowerShot G9»

Эквивалентная светочувствительность

Цифровыми фотоаппаратами при одной и той же экспозиции может быть получено изображение разной степени яркости. Это достигается изменением предварительного усиления электрических сигналов светочувствительной матрицы и алгоритмов их последующего аналогово-цифрового преобразования в цветовое пространство, главным образом, sRGB[1]. Производители цифровой аппаратуры устанавливают фиксированную зависимость между значениями сигналов матрицы и соответствующими параметрами цветового пространства, принимаемую в качестве экспозиционного индекса EI. Большинство цифровых фотоаппаратов имеет несколько значений EI, переключение между которыми позволяет находить наиболее приемлемый компромисс между возможностью съёмки с короткими выдержками и интенсивностью шумов в получаемом изображении. Значения EI выбираются таким образом, чтобы получаемое цифровое изображение было сопоставимо с получаемым на плёнке такой же чувствительности ISO, с теми же экспозиционными параметрами. Поэтому, в обиходе принято называть значения EI цифровых фотоаппаратов «эквивалентной светочувствительностью ISO». Однако, этот параметр имеет лишь косвенное отношение к светочувствительности матрицы, и выражается в единицах плёночной сенситометрии только для удобства использования классических приёмов измерения экспозиции, принятых в традиционной фотографии.

Некоторые производители предусматривают возможность регулировки параметров яркости в пределах одного значения EI, как дополнительный пункт меню настроек камеры или установок конвертации «сырых» файлов RAW. Современные цифровые камеры многократно превосходят фотоматериалы по светочувствительности, и в эквивалентных ISO единицах достигают значения 4 560 000, недоступного для галогеносеребряных фотоэмульсий[5]. Совершенствование алгоритмов шумопонижения позволяет получать при таких значениях EI изображение приемлемого качества.

Сравнение разных единиц светочувствительности

В таблице приведены сравнительные значения систем измерения светочувствительности ISO и APEX, и эквивалентные значения светочувствительности, выбираемые производителями цифровых фотоаппаратов для градуировки их шкал в соответствии со стандартом ISO12232:2006. Видно, что значения, превышающие 20 000 ISO не применимы к существующим фотоматериалам и отражают только регистрирующую способность цифровых фотокамер, выпускаемых со второй половины 2000-х годов.

Сравнение светочувствительности фотоматериалов и цифровых фотовидеокамер
APEX Sv ISO
арифм./логарифм.°
Эквивалент ISO
цифровых фотоаппаратов
Пример плёнки или камеры,
обладающих такой светочувствительностью 
2 12/12°   Gevacolor 8-мм обращаемая, позднее Agfa Dia-Direct, «Свема» КН-1
  16/13°   Agfacolor 8-мм обращаемая
  20/14°   Adox CMS 20
3 25/15°   старый Agfacolor, Kodachrome II и Kodachrome 25, Efke 25, «Тасма» ЦО-22Д
  32/16°   Kodak Panatomic-X, «Свема» ДС-5М, Фото-32
  40/17°   Kodachrome 40 (киноплёнка)
4 50/18° 50 Fuji RVP, Ilford Pan F Plus, Kodak Vision2 50D 5201 (киноплёнка), AGFA CT18, Efke 50
  64/19°   Kodachrome 64, Ektachrome-X, ORWOCOLOR NC-19
  80/20°   Ilford Commercial Ortho, «Свема» Фото-65
5 100/21° 100 Kodacolor Gold, Kodak T-Max, Provia, Efke 100, «Свема» КН-3
  125/22°   Ilford FP4+, Kodak Plus-X Pan, «Свема» Фото-130
  160/23°   Fujicolor Pro 160C/S, Kodak High-Speed Ektachrome, Kodak Portra 160NC и 160VC
6 200/24° 200 Fujicolor Superia 200, Agfa Scala 200x, «Свема» ОЧТ-180, «Тасма» ОЧ-180, ЦО-Т-180Л
  250/25°   «Тасма» Фото-250
  320/26°   Kodak Tri-X Pan Professional
7 400/27° 400 Kodak T-Max, Tri-X 400, Ilford HP5+, Fujifilm Superia X-tra 400, Konica VX-400 «Свема» ОЧТ-В
  500/28°   Kodak Vision3 500T 5219 (киноплёнка), «Тасма» Панхром тип-17
  640/29°   Polaroid 600
8 800/30° 800 Fuji Pro 800Z
  1000/31°   Kodak P3200 TMAX, Ilford Delta 3200
  1250/32°   Kodak Royal-X Panchromatic
9 1600/33° 1600 Fujicolor 1600, Kodak Ektapress 1600, «Тасма» Изопанхром тип-42
  2000/34°    
  2500/35°    
10 3200/36° 3200 «Тасма» Панхром тип-13, фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-107[6], Fujifilm FP-3000b
  4000/37°    
  5000/38°   «Тасма» Изопанхром тип-24
11 6400/39° 6400  
  8000/40°    
  10000/41°    
12 12500/42° 12800
  16000/43°    
  20000/44°   Фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-612[6] 
13 25000/45° 25600 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Canon EOS 5D Mark II (2008)
  32000/46°    
  40000/47°    
14 50000/48° 51200  
  64000/49°    
  80000/50°    
15 100000/51° 102400 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D3S и Canon EOS-1D Mark IV (2009)
  125000/52°    
  160000/53°    
16 200000/54° 204800 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400000/57° 409600 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D4s и Sony α-7S (2014)
500000/58°
620000/59°
18 800000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
20 3200000/66° 3280000 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Nikon D5[7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 Первая серийная видеокамера с таким эквивалентом ISO: Canon ME20F-SH[5] (2015)
Примечания к таблице: значения светочувствительности систем APEX и ISO, выделенные жирным шрифтом, соответствуют реальным значениям, использующимся производителями для конкретных фотоматериалов. Все остальные значения вычислены на основе тех же прогрессий в качестве математической экстраполяции существующих шкал.

Стандарт ISO 12232:2006

С 1998 года существует стандарт ISO[8], устанавливающий зависимость между величиной сигналов матрицы и конкретными экспозиционными индексами (EI)[9]. Этот стандарт даёт производителям цифровых фотоаппаратов пять возможных способов определения конкретных значений EI, три из которых существуют с 1998 года, а два появились в 2006 году в соответствии с рекомендациями CIPA DC-004[10], предложенными японской Ассоциацией по Стандартизации Систем Отображения (англ. Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA). В зависимости от выбранной методики, экспозиционный индекс EI зависит от светочувствительности и уровня собственных шумов матрицы, а также от характеристик получаемого изображения. Стандарт ISO определяет светочувствительность всего канала отображения фотокамеры, а не его отдельных компонентов, как это было предложено компанией Kodak в 2001 году для двух собственных сенсоров[11].

Методика рекомендованного экспозиционного индекса (REI), появившаяся в последней версии стандарта ISO 12232:2006[12], разрешает производителям аппаратуры самостоятельно устанавливать значения EI, основываясь на собственной точке зрения, при каких значениях EI получаются правильно экспонированные изображения. Это единственная методика, применимая к форматам изображения, использующим цветовые пространства, отличные от sRGB, а также в случаях использования матричного режима измерения экспозиции.

Методика стандартной выходной чувствительности (англ. Standard Output Sensitivity, SOS) также появилась в последнем стандарте и основана на предположении, что средний уровень яркости в выходном изображении sRGB должен получаться при съёмке серой карты с 18 % отражательной способностью при измерении экспозиции экспонометрической системой, откалиброванной в соответствии со стандартом ISO 2721 без экспокоррекции. Поскольку измерения должны проводиться в цветовом пространстве sRGB, методика применима только к снимкам, сделанным в этом пространстве — главным образом, формата JPEG, — и неприменима к снимкам в формате RAW. Кроме того, методика неприемлема в случае использования матричного режима измерения.

Методика, основанная на точке насыщения, близка методике SOS, но основывается не на 18 % серой карте, а на 100 % яркости, при которой начинают пропадать детали в света́х. Значения экспозиционного индекса, полученного таким методом, выше, чем предыдущие, на 0,704. Так же, как и предыдущая методика SOS, метод точки насыщения предполагает измерения в цветовом пространстве sRGB и неприменим к файлам формата RAW.

Две методики, основанные на уровне шумов, иногда используются для определения диапазона EI любительских цифровых фотокамер. В этом случае определяются крайние значения EI, при которых снимки могут считаться «отличными» или «приемлемыми», соответственно для наименьшей и наибольшей эквивалентной светочувствительности.

Методы расчёта экспозиционных индексов

Значения эквивалентной светочувствительности ISO цифровых камер зависят от свойств сенсора и алгоритмов цифровой обработки получаемого изображения в камере. Эта величина может быть выражена через экспозицию H, получаемую матрицей, в люксах на секунду. Для усреднённого объектива с фокусным расстоянием f, намного меньшим, чем расстояние до объекта съёмки, экспозиция составляет:

H=qLtN2,{\displaystyle H={\frac {qLt}{N^{2}}},}

где L — яркость объекта съёмки в канделах на квадратный метр, t — выдержка в секундах, N — диафрагменное число. Тогда коэффициент q определяется равенством:

q=π4Tv(θ)cos4⁡θ{\displaystyle q={\frac {\pi }{4}}T\,v(\theta )\,\cos ^{4}\theta }

Эта величина зависит от коэффициента пропускания T объектива, коэффициента виньетирования v(θ) и угла θ относительно оптической оси объектива. Чаще всего q=0,65, при условии, что θ=10°, T= 0,9, а v= 0,98[8].

Точка насыщения

Светочувствительность, определяемая по точке насыщения, рассчитывается с помощью равенства:

Ssat=78Hsat,{\displaystyle S_{\mathrm {sat} }={\frac {78}{H_{\mathrm {sat} }}},}

где Hsat{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }} — максимальная экспозиция, не приводящая к появлению «пробитых» областей, лишённых информации. Обычно нижний предел такой чувствительности зависит от свойств матрицы, но при усилении её сигнала перед АЦП эквивалентная светочувствительность повышается. Коэффициент 78 принят потому, что калибровка экспонометров основывается на измерении серой карты с отражательной способностью 18 %. Такой объект даёт на изображении значение яркости, составляющее 18 %/√2 = 12,7 % от уровня насыщения. Множитель √2 обеспечивает запас в полступени, учитывающий блики, более яркие, чем света́ объекта съёмки[12].

Определение по шумам

Светочувствительность, определяемая по методу измерения шумов, зависит от экспозиции, необходимой для достижения определённого отношения сигнал/шум на отдельных пикселях. Используются два соотношения: 40:1 («отличное изображение») и 10:1 («приемлемое качество»). Эти соотношения соответствуют субъективному восприятию изображения с разрешением 70 точек на сантиметр, рассматриваемого с расстояния в 25 сантиметров. Уровень шума определяется как среднеквадратическое отклонение яркости и цветности отдельных пикселей. Светочувствительность, определяемая этим методом, в наибольшей степени зависит от качества матрицы, и в значительно меньшей — от шумов предусилителя.

Стандартная выходная чувствительность

В дополнение к описанным методикам определения светочувствительности, стандарт ISO 12232:2006 предусматривает методику стандартной выходной чувствительности, основанной на зависимости числовых значений пикселей изображения от полученной экспозиции. Методика основана на равенстве:

Ssos=10Hsos,{\displaystyle S_{\mathrm {sos} }={\frac {10}{H_{\mathrm {sos} }}},}

в котором Hsos{\displaystyle H_{\mathrm {sos} }} отражает экспозицию, дающую значение 118 в 8-битном изображении sRGB, которое соответствует отображению 18 % серой карты при гамма-коррекции 2,2[12].

Применимость методик стандарта ISO

Стандарт определяет, какая из методик определения светочувствительности предпочтительна в различных ситуациях. Если светочувствительность, выбранная на основе соотношения уровня полезного сигнала к уровню шума 40:1 («отличное качество»), превосходит тот же параметр, полученный по точке насыщения, выбирается первое из двух значений, округлённое до ближайшего нижнего значения стандартной шкалы. Основанием для такого выбора считается тот факт, что меньшая экспозиция, вычисленная на основе более высокой светочувствительности, даёт заведомо худшее изображение. Кроме того, нижняя граница диапазона значений чувствительности выбирается на основе точки насыщения, а верхняя — по оценке наихудшего отношения сигнал/шум 10:1 («приемлемое качество»). В случае, если соотношение сигнал/шум 40:1 оказывается меньше, чем значение, вычисленное по точке насыщения, или не определяется из-за сильных шумов, для отсчёта берётся последнее, округлённое до ближайшего верхнего значения стандартной шкалы, поскольку использование «шумовой» чувствительности приведёт к передержке. Светочувствительность камеры также может быть однозначно определена на основе стандартной выходной чувствительности, округлённой до ближайшего стандартного значения.

Допустим, сенсор камеры обладает следующими характеристиками: чувствительность по отношению сигнал/шум 40:1 — 107, а по отношению 10:1 — 1688 и «точка насыщения» — 49. Тогда в соответствии со стандартом фотоаппарат должен обладать следующими значениями шкалы:

при дневном свете — ISO 100;
диапазон значений — ISO 50—1600;
стандартная выходная чувствительность — ISO 100.

Стандартная чувствительность может иметь пользовательскую настройку. Для камеры с более шумным сенсором те же значения могут составлять соответственно 40, 800 и 200. В этом случае система должна быть настроена на чувствительность ISO 200, соответствующую пользовательской настройке стандартной выходной чувствительности[12].

Несмотря на подробные инструкции стандарта о применении той или иной методики определения эквивалентной светочувствительности, инструкции фотоаппаратов не отражают, какой именно способ использован для разметки их шкал.

См. также

Примечания

  1. 1 2 Экспозиция в цифровой фотосъёмке, 2008, с. 18.
  2. ↑ Телевидение, 2002, с. 105.
  3. В.П. Майоров, Л.Ф. Овчинников, М.С. Сёмин. Рассуждения о телевизионных камерах (рус.) // Компьютерра : журнал. — 1998. — № 14. — ISSN 0815-2198.
  4. Николай Миленин, Леонид Чирков. Телевизионные камеры: куда ведёт прогресс? (рус.) // «625» : журнал. — 1993. — № 4. — ISSN 0869-7914.
  5. 1 2 Александр Будик. Canon ME20F-SH: Full HD-камера чувствительностью ISO 4 000 000 (рус.). Новости Hardware. 3D News (1 августа 2015). Проверено 18 ноября 2016.
  6. 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Film Index (англ.). Film. The Land List. Проверено 10 марта 2014.
  7. ↑ D 5 (англ.). DSLR Cameras. Nikon USA. Проверено 7 января 2016.
  8. 1 2 ISO 12232:1998 (англ.). Photography — Electronic still-picture cameras — Determination of ISO speed. ISO (20 April 2006). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  9. ↑ Светочувствительность (рус.). Вопросы и Ответы. Zenit Camera. Проверено 24 октября 2015.
  10. Standardization Commettee. Sensitivity of Digital Cameras (англ.). CIPA DC-004. Standard of the Camera & Imaging Products Association (27 July 2004). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  11. ↑ Kodak Image Sensors ISO Measurment (англ.). Revision 5.0 MTD/PS-0234. Kodak (28 September 2009). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  12. 1 2 3 4 ISO 12232:2006 (англ.). Photography — Digital still cameras — Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index. ISO (4 October 2011). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.

Литература

  • Крис Уэстон. Экспозиция в цифровой фотосъёмке = Mastering digital exposure and HDR imaging / Т. И. Хлебнова. — М.,: «АРТ-родник», 2008. — С. 18—20. — 192 с. — ISBN 978-5-9794-0235-2.
  • В. Е. Джакония. II. Преобразование изображений в электрические сигналы и воспроизведение изображений // Телевидение. — М.,: «Горячая линия — Телеком», 2002. — С. 105—134. — 640 с. — ISBN 5-93517-070-1.

wikipedia.green

Светочувствительность цифровых камер — Википедия

Светочувствительность цифровой фотокамеры — характеристика цифрового фотоаппарата, определяющая зависимость числовых параметров созданного им цифрового изображения от экспозиции, полученной светочувствительной матрицей. Светочувствительность цифровых фотоаппаратов принято выражать в единицах, эквивалентных светочувствительности ISO желатиносеребряных фотоэмульсий[1]. Это позволяет пользоваться методами измерения экспозиции, свойственными классической плёночной фотографии.

Однако понятие светочувствительности цифровых камер не имеет ничего общего с традиционными фотоматериалами в силу неприменимости законов сенситометрии, и отражает чувствительность матрицы лишь косвенно. В отличие от светочувствительности фотоматериалов, относящейся только к конкретной используемой фотоэмульсии, в цифровой фотографии под светочувствительностью понимают передаточную функцию всей системы, включающей матрицу, предусилитель и алгоритмы АЦП. Для цифровых видеокамер и передающих телекамер, основанных на аналогичных матрицах, единицы ISO не применяются, а светочувствительность выражается в минимальной освещённости объекта съёмки в люксах, позволяющей получать изображение с допустимым уровнем шумов[2][3]. В некоторых случаях чувствительность видеокамер выражается минимальной освещённостью при определённом уровне усиления сигнала в децибелах[4].

Светочувствительность узкоспециализированных видеоустройств, например, видеорегистраторов, часто указывается в нестандартных единицах, учитывающих светосилу жёстковстроенного объектива. Однако, в большинстве случаев светочувствительность таких приборов выражается в отношении электрического напряжения в вольтах, получаемого на аналоговом выходе матрицы к величине экспозиции излучением с длиной волны 550 нанометров, считающейся максимумом спектральной чувствительности человеческого зрения. С единицами ISO эта величина никак не соотносится.

Колесо установки значения ISO цифрового фотоаппарата «Canon PowerShot G9»

Эквивалентная светочувствительность

Цифровыми фотоаппаратами при одной и той же экспозиции может быть получено изображение разной степени яркости. Это достигается изменением предварительного усиления электрических сигналов светочувствительной матрицы и алгоритмов их последующего аналогово-цифрового преобразования в цветовое пространство, главным образом, sRGB[1]. Производители цифровой аппаратуры устанавливают фиксированную зависимость между значениями сигналов матрицы и соответствующими параметрами цветового пространства, принимаемую в качестве экспозиционного индекса EI. Большинство цифровых фотоаппаратов имеет несколько значений EI, переключение между которыми позволяет находить наиболее приемлемый компромисс между возможностью съёмки с короткими выдержками и интенсивностью шумов в получаемом изображении. Значения EI выбираются таким образом, чтобы получаемое цифровое изображение было сопоставимо с получаемым на плёнке такой же чувствительности ISO, с теми же экспозиционными параметрами. Поэтому, в обиходе принято называть значения EI цифровых фотоаппаратов «эквивалентной светочувствительностью ISO». Однако, этот параметр имеет лишь косвенное отношение к светочувствительности матрицы, и выражается в единицах плёночной сенситометрии только для удобства использования классических приёмов измерения экспозиции, принятых в традиционной фотографии.

Некоторые производители предусматривают возможность регулировки параметров яркости в пределах одного значения EI, как дополнительный пункт меню настроек камеры или установок конвертации «сырых» файлов RAW. Современные цифровые камеры многократно превосходят фотоматериалы по светочувствительности, и в эквивалентных ISO единицах достигают значения 4 560 000, недоступного для галогеносеребряных фотоэмульсий[5]. Совершенствование алгоритмов шумопонижения позволяет получать при таких значениях EI изображение приемлемого качества.

Сравнение разных единиц светочувствительности

В таблице приведены сравнительные значения систем измерения светочувствительности ISO и APEX, и эквивалентные значения светочувствительности, выбираемые производителями цифровых фотоаппаратов для градуировки их шкал в соответствии со стандартом ISO12232:2006. Видно, что значения, превышающие 20 000 ISO не применимы к существующим фотоматериалам и отражают только регистрирующую способность цифровых фотокамер, выпускаемых со второй половины 2000-х годов.

Сравнение светочувствительности фотоматериалов и цифровых фотовидеокамер
APEX Sv ISO
арифм./логарифм.°
Эквивалент ISO
цифровых фотоаппаратов
Пример плёнки или камеры,
обладающих такой светочувствительностью 
2 12/12°   Gevacolor 8-мм обращаемая, позднее Agfa Dia-Direct, «Свема» КН-1
  16/13°   Agfacolor 8-мм обращаемая
  20/14°   Adox CMS 20
3 25/15°   старый Agfacolor, Kodachrome II и Kodachrome 25, Efke 25, «Тасма» ЦО-22Д
  32/16°   Kodak Panatomic-X, «Свема» ДС-5М, Фото-32
  40/17°   Kodachrome 40 (киноплёнка)
4 50/18° 50 Fuji RVP, Ilford Pan F Plus, Kodak Vision2 50D 5201 (киноплёнка), AGFA CT18, Efke 50
  64/19°   Kodachrome 64, Ektachrome-X, ORWOCOLOR NC-19
  80/20°   Ilford Commercial Ortho, «Свема» Фото-65
5 100/21° 100 Kodacolor Gold, Kodak T-Max, Provia, Efke 100, «Свема» КН-3
  125/22°   Ilford FP4+, Kodak Plus-X Pan, «Свема» Фото-130
  160/23°   Fujicolor Pro 160C/S, Kodak High-Speed Ektachrome, Kodak Portra 160NC и 160VC
6 200/24° 200 Fujicolor Superia 200, Agfa Scala 200x, «Свема» ОЧТ-180, «Тасма» ОЧ-180, ЦО-Т-180Л
  250/25°   «Тасма» Фото-250
  320/26°   Kodak Tri-X Pan Professional
7 400/27° 400 Kodak T-Max, Tri-X 400, Ilford HP5+, Fujifilm Superia X-tra 400, Konica VX-400 «Свема» ОЧТ-В
  500/28°   Kodak Vision3 500T 5219 (киноплёнка), «Тасма» Панхром тип-17
  640/29°   Polaroid 600
8 800/30° 800 Fuji Pro 800Z
  1000/31°   Kodak P3200 TMAX, Ilford Delta 3200
  1250/32°   Kodak Royal-X Panchromatic
9 1600/33° 1600 Fujicolor 1600, Kodak Ektapress 1600, «Тасма» Изопанхром тип-42
  2000/34°    
  2500/35°    
10 3200/36° 3200 «Тасма» Панхром тип-13, фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-107[6], Fujifilm FP-3000b
  4000/37°    
  5000/38°   «Тасма» Изопанхром тип-24
11 6400/39° 6400  
  8000/40°    
  10000/41°    
12 12500/42° 12800
  16000/43°    
  20000/44°   Фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-612[6] 
13 25000/45° 25600 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Canon EOS 5D Mark II (2008)
  32000/46°    
  40000/47°    
14 50000/48° 51200  
  64000/49°    
  80000/50°    
15 100000/51° 102400 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D3S и Canon EOS-1D Mark IV (2009)
  125000/52°    
  160000/53°    
16 200000/54° 204800 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400000/57° 409600 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D4s и Sony α-7S (2014)
500000/58°
620000/59°
18 800000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
20 3200000/66° 3280000 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Nikon D5[7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 Первая серийная видеокамера с таким эквивалентом ISO: Canon ME20F-SH[5] (2015)
Примечания к таблице: значения светочувствительности систем APEX и ISO, выделенные жирным шрифтом, соответствуют реальным значениям, использующимся производителями для конкретных фотоматериалов. Все остальные значения вычислены на основе тех же прогрессий в качестве математической экстраполяции существующих шкал.

Видео по теме

Стандарт ISO 12232:2006

С 1998 года существует стандарт ISO[8], устанавливающий зависимость между величиной сигналов матрицы и конкретными экспозиционными индексами (EI)[9]. Этот стандарт даёт производителям цифровых фотоаппаратов пять возможных способов определения конкретных значений EI, три из которых существуют с 1998 года, а два появились в 2006 году в соответствии с рекомендациями CIPA DC-004[10], предложенными японской Ассоциацией по Стандартизации Систем Отображения (англ. Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA). В зависимости от выбранной методики, экспозиционный индекс EI зависит от светочувствительности и уровня собственных шумов матрицы, а также от характеристик получаемого изображения. Стандарт ISO определяет светочувствительность всего канала отображения фотокамеры, а не его отдельных компонентов, как это было предложено компанией Kodak в 2001 году для двух собственных сенсоров[11].

Методика рекомендованного экспозиционного индекса (REI), появившаяся в последней версии стандарта ISO 12232:2006[12], разрешает производителям аппаратуры самостоятельно устанавливать значения EI, основываясь на собственной точке зрения, при каких значениях EI получаются правильно экспонированные изображения. Это единственная методика, применимая к форматам изображения, использующим цветовые пространства, отличные от sRGB, а также в случаях использования матричного режима измерения экспозиции.

Методика стандартной выходной чувствительности (англ. Standard Output Sensitivity, SOS) также появилась в последнем стандарте и основана на предположении, что средний уровень яркости в выходном изображении sRGB должен получаться при съёмке серой карты с 18 % отражательной способностью при измерении экспозиции экспонометрической системой, откалиброванной в соответствии со стандартом ISO 2721 без экспокоррекции. Поскольку измерения должны проводиться в цветовом пространстве sRGB, методика применима только к снимкам, сделанным в этом пространстве — главным образом, формата JPEG, — и неприменима к снимкам в формате RAW. Кроме того, методика неприемлема в случае использования матричного режима измерения.

Методика, основанная на точке насыщения, близка методике SOS, но основывается не на 18 % серой карте, а на 100 % яркости, при которой начинают пропадать детали в света́х. Значения экспозиционного индекса, полученного таким методом, выше, чем предыдущие, на 0,704. Так же, как и предыдущая методика SOS, метод точки насыщения предполагает измерения в цветовом пространстве sRGB и неприменим к файлам формата RAW.

Две методики, основанные на уровне шумов, иногда используются для определения диапазона EI любительских цифровых фотокамер. В этом случае определяются крайние значения EI, при которых снимки могут считаться «отличными» или «приемлемыми», соответственно для наименьшей и наибольшей эквивалентной светочувствительности.

Методы расчёта экспозиционных индексов

Значения эквивалентной светочувствительности ISO цифровых камер зависят от свойств сенсора и алгоритмов цифровой обработки получаемого изображения в камере. Эта величина может быть выражена через экспозицию H, получаемую матрицей, в люксах на секунду. Для усреднённого объектива с фокусным расстоянием f, намного меньшим, чем расстояние до объекта съёмки, экспозиция составляет:

H=qLtN2,{\displaystyle H={\frac {qLt}{N^{2}}},}

где L — яркость объекта съёмки в канделах на квадратный метр, t — выдержка в секундах, N — диафрагменное число. Тогда коэффициент q определяется равенством:

q=π4Tv(θ)cos4⁡θ{\displaystyle q={\frac {\pi }{4}}T\,v(\theta )\,\cos ^{4}\theta }

Эта величина зависит от коэффициента пропускания T объектива, коэффициента виньетирования v(θ) и угла θ относительно оптической оси объектива. Чаще всего q=0,65, при условии, что θ=10°, T= 0,9, а v= 0,98[8].

Точка насыщения

Светочувствительность, определяемая по точке насыщения, рассчитывается с помощью равенства:

Ssat=78Hsat,{\displaystyle S_{\mathrm {sat} }={\frac {78}{H_{\mathrm {sat} }}},}

где Hsat{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }} — максимальная экспозиция, не приводящая к появлению «пробитых» областей, лишённых информации. Обычно нижний предел такой чувствительности зависит от свойств матрицы, но при усилении её сигнала перед АЦП эквивалентная светочувствительность повышается. Коэффициент 78 принят потому, что калибровка экспонометров основывается на измерении серой карты с отражательной способностью 18 %. Такой объект даёт на изображении значение яркости, составляющее 18 %/√2 = 12,7 % от уровня насыщения. Множитель √2 обеспечивает запас в полступени, учитывающий блики, более яркие, чем света́ объекта съёмки[12].

Определение по шумам

Светочувствительность, определяемая по методу измерения шумов, зависит от экспозиции, необходимой для достижения определённого отношения сигнал/шум на отдельных пикселях. Используются два соотношения: 40:1 («отличное изображение») и 10:1 («приемлемое качество»). Эти соотношения соответствуют субъективному восприятию изображения с разрешением 70 точек на сантиметр, рассматриваемого с расстояния в 25 сантиметров. Уровень шума определяется как среднеквадратическое отклонение яркости и цветности отдельных пикселей. Светочувствительность, определяемая этим методом, в наибольшей степени зависит от качества матрицы, и в значительно меньшей — от шумов предусилителя.

Стандартная выходная чувствительность

В дополнение к описанным методикам определения светочувствительности, стандарт ISO 12232:2006 предусматривает методику стандартной выходной чувствительности, основанной на зависимости числовых значений пикселей изображения от полученной экспозиции. Методика основана на равенстве:

Ssos=10Hsos,{\displaystyle S_{\mathrm {sos} }={\frac {10}{H_{\mathrm {sos} }}},}

в котором Hsos{\displaystyle H_{\mathrm {sos} }} отражает экспозицию, дающую значение 118 в 8-битном изображении sRGB, которое соответствует отображению 18 % серой карты при гамма-коррекции 2,2[12].

Применимость методик стандарта ISO

Стандарт определяет, какая из методик определения светочувствительности предпочтительна в различных ситуациях. Если светочувствительность, выбранная на основе соотношения уровня полезного сигнала к уровню шума 40:1 («отличное качество»), превосходит тот же параметр, полученный по точке насыщения, выбирается первое из двух значений, округлённое до ближайшего нижнего значения стандартной шкалы. Основанием для такого выбора считается тот факт, что меньшая экспозиция, вычисленная на основе более высокой светочувствительности, даёт заведомо худшее изображение. Кроме того, нижняя граница диапазона значений чувствительности выбирается на основе точки насыщения, а верхняя — по оценке наихудшего отношения сигнал/шум 10:1 («приемлемое качество»). В случае, если соотношение сигнал/шум 40:1 оказывается меньше, чем значение, вычисленное по точке насыщения, или не определяется из-за сильных шумов, для отсчёта берётся последнее, округлённое до ближайшего верхнего значения стандартной шкалы, поскольку использование «шумовой» чувствительности приведёт к передержке. Светочувствительность камеры также может быть однозначно определена на основе стандартной выходной чувствительности, округлённой до ближайшего стандартного значения.

Допустим, сенсор камеры обладает следующими характеристиками: чувствительность по отношению сигнал/шум 40:1 — 107, а по отношению 10:1 — 1688 и «точка насыщения» — 49. Тогда в соответствии со стандартом фотоаппарат должен обладать следующими значениями шкалы:

при дневном свете — ISO 100;
диапазон значений — ISO 50—1600;
стандартная выходная чувствительность — ISO 100.

Стандартная чувствительность может иметь пользовательскую настройку. Для камеры с более шумным сенсором те же значения могут составлять соответственно 40, 800 и 200. В этом случае система должна быть настроена на чувствительность ISO 200, соответствующую пользовательской настройке стандартной выходной чувствительности[12].

Несмотря на подробные инструкции стандарта о применении той или иной методики определения эквивалентной светочувствительности, инструкции фотоаппаратов не отражают, какой именно способ использован для разметки их шкал.

См. также

Примечания

  1. 1 2 Экспозиция в цифровой фотосъёмке, 2008, с. 18.
  2. ↑ Телевидение, 2002, с. 105.
  3. В.П. Майоров, Л.Ф. Овчинников, М.С. Сёмин. Рассуждения о телевизионных камерах (рус.) // Компьютерра : журнал. — 1998. — № 14. — ISSN 0815-2198.
  4. Николай Миленин, Леонид Чирков. Телевизионные камеры: куда ведёт прогресс? (рус.) // «625» : журнал. — 1993. — № 4. — ISSN 0869-7914.
  5. 1 2 Александр Будик. Canon ME20F-SH: Full HD-камера чувствительностью ISO 4 000 000 (рус.). Новости Hardware. 3D News (1 августа 2015). Проверено 18 ноября 2016.
  6. 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Film Index (англ.). Film. The Land List. Проверено 10 марта 2014.
  7. ↑ D 5 (англ.). DSLR Cameras. Nikon USA. Проверено 7 января 2016.
  8. 1 2 ISO 12232:1998 (англ.). Photography — Electronic still-picture cameras — Determination of ISO speed. ISO (20 April 2006). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  9. ↑ Светочувствительность (рус.). Вопросы и Ответы. Zenit Camera. Проверено 24 октября 2015.
  10. Standardization Commettee. Sensitivity of Digital Cameras (англ.). CIPA DC-004. Standard of the Camera & Imaging Products Association (27 July 2004). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  11. ↑ Kodak Image Sensors ISO Measurment (англ.). Revision 5.0 MTD/PS-0234. Kodak (28 September 2009). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  12. 1 2 3 4 ISO 12232:2006 (англ.). Photography — Digital still cameras — Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index. ISO (4 October 2011). Проверено 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.

Литература

  • Крис Уэстон. Экспозиция в цифровой фотосъёмке = Mastering digital exposure and HDR imaging / Т. И. Хлебнова. — М.,: «АРТ-родник», 2008. — С. 18—20. — 192 с. — ISBN 978-5-9794-0235-2.
  • В. Е. Джакония. II. Преобразование изображений в электрические сигналы и воспроизведение изображений // Телевидение. — М.,: «Горячая линия — Телеком», 2002. — С. 105—134. — 640 с. — ISBN 5-93517-070-1.

wiki2.red

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание? / Habr

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.


Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.


Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!


Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.


Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Итоги

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

habr.com

Характеристики камер видеонаблюдения

Выбор камер видеонаблюдения осуществляется в зависимости от поставленных задач. Чтобы обеспечить необходимый обзор важно уточнить характеристики видеокамер: разрешение, фокусное расстояние, материал изготовления корпуса, дальности ИК-подсветки и т.д

Основные характеристики камер видеонаблюдения:

Чувствительность видеокамеры

Чувствительностью называют минимальную освещенность на объекте наблюдения, при которой видеокамера способна зафиксировать изображение. Измеряется чувствительность в люксах (лк). Самое минимальное значение ЛК — от 0,01 лк и менее — указывает на высокую чувствительность видеокамер в слабоосвещенных местах.
Чувствительность — это способность преобразовывать кванты света в электрический сигнал. 

Освещенность различных объектов в люксах
Дневное, естественное освещение на улице 6500 лк
Магазины, супермаркеты 800 лк
Стоянки автотранспорта, товарные склады 60…10 лк

Ночное естественное освещение на улице
Темная ночь

0,003 лк
0,0001 лк

Домашнее, офисное освещение 100 – 1 000 лк

Для видеонаблюдения в полной темноте дополнительно к видеокамерам устанавливают ИК подсветку. В современных интеллектуальных видеокамерах 5-го поколения для съемок в ночное время используется система WDR — Wide Dynamic Rang.

Стоит учитывать, что минимальная освещенность ПЗС-матрицы и минимальная освещенность наблюдаемых объектов – это разные параметры. Определяя чувствительность камеры видеонаблюдения по минимальной освещенности объектов, учитывайте параметры чувствительности датчика видеокамеры, светосилу объектива и отражающие свойства объектов.

Минимальная освещенность

Минимальная освещенность также называемая чувствительностью видеокамеры выражается в люксах. На выходе видеокамеры указан уровень параметра освещенности, при котором аппарат способен воспроизвести изображение. Этот уровень может составлять даже 10%, что при включенной АРУ будет казаться значительно больше.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы видеокамеры определяется как максимальный сигнал по отношению к среднеквадратичному значению фона экспозиции, то есть отношение темных и ярких объектов в пределах одной сцены. Чем выше это отношение, тем более темные элементы видны на ярком общем фоне кадра.

Чувствительность ПЗС-матрицы

ПЗС-матрица – это устройство, состоящее из светочувствительных элементов. Чем выше плотность светочувствительных элементов в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать камера.

Другими словами качество воспроизводимой видеокамерой картинки зависит от количества ТВЛ (телевизионные линии) — это количество горизонтальных полос в «картинке».

Минимальная чувствительность ПЗС-матрицы (низкое разрешение) — 380 — дает нечеткую (размытую) картинку. Самая высокая чувствительность ПЗС-матрицы (высокое разрешение) — 650 ТВЛ — выводит четкую, ясную картину.

Разрешающая способность видеокамеры

Разрешающая способность видеокамеры  — это максимальное число линий (ТВЛ — телевизионные линии), помещающихся в одном кадре монитора, в стандартном видеосигнале CCIR/PAL это 625 строк, стандарт EIA/NTSC различает до 525 строк. Обычно разрешающая способность указывается по горизонтали — в максимальном разрешении до 650 ТВЛ (позволяет различать самые мелкие детали на большом расстоянии).  Но, с учетом искажения сигнала от цифровой обработки, влияния различных параметров входящих в систему видеонаблюдения элементов, длины кабельной трассы и т.д., оптимальным вариантом для просмотра нормального изображения будет 400 — 480 ТВЛ.

Разрешающая способность помогает прибору раздельно наблюдать, фиксировать и (или) отображать рядом расположенные точки графического образа объекта. Измеряется числом раздельно отображаемых точек, приходящихся на дюйм поверхности кадра. Первое число — количество точек по горизонтали, второе — по вертикали. Иногда её измеряют в CIF.

Отношение сигнал/шум

Возникающие на изображении посторонние артефакты называют шумом, который особенно проявляется в условиях недостаточной видимости в момент записи видео. Формула по току имеет вид S/N=20lg (Uc/Uш) Формула по мощности сигнала имеет вид S/N=10lg (Pc/Pш)

Измеряется в децибелах (дБ) и численно равно десятичному логарифму отношения амплитуды напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению напряжения фона, умноженному на 20. На экране зашумленное изображение выглядит как зернистость или снег, а в цветном изображении появляются короткие цветные полоски или вспышки. При отношении сигнал / шум 45 дБ шум практически не заметен.

Качественное изображение достигается высоким соотношением сигнал / шум и зависит от хорошей освещенности объектов, высококачественной ПЗС-матрицы, светосильной оптикой и наличием цифровой фильтрации шумов в электронных схемах камеры наблюдения. Некоторые модели видеокамер оснащены технологией динамического шумоподавления, например, камеры Samsung SSNR III.

Скорость записи

Скорость записи измеряется в кадрах в секунду. Иногда производителями используется pps — количество полуполей, отображаемых видеосистемой за секунду. 1fps = 2pps.

Человеческий глаз видит 24 кадра за секунду. Соответственно, если  скорость   записи  с камеры составляет 25 кадров, то этого вполне достаточно.

В дополнение можно сказать, что скорость записи видео ряда обуславливается количеством камер, подключаемых к каждой плате. Для одной и двух видеокамер, подключенных к одной плате, обеспечивается скорость записи по 25 кадр/сек на камеру. При четырёх камерах количество кадров в секунду падает до 15 кадр/сек для каждой камеры. Если камер три, то одна из них будет писаться со скоростью 25 кадр/сек, две другие — по 15 кадр/сек.

Угол обзора

Угол обзора — очень важный параметр для видеокамеры, так как в зависимости от фокусного расстояния, угол обзора определяет масштаб изображения, входящего в кадр. Чем меньше фокусное расстояние видеокамеры, тем больший угол зрения наблюдаемого пространства можно получить и наоборот. Соотношения угла обзора от фокусного расстояния зависят от размера изображения на матрице.

(При равном фокусном расстоянии, чем размер изображения на матрице больше – тем больше угол обзора).
Для «стандартизации» используют значение фокусного расстояния «в плёночном эквиваленте» — т.е. как у плёночных фотоаппаратов. Зависимость приведена в таблице:

Влияние параметров фокусного расстояния на качество изображения

Объектив (фокусное расстояние), мм

Угол обзора по вертикали, град

Угол обзора по горизонтали, град

Угол обзора по диагонали, град

Дистанция распознавания, м

Дистанция наилучшего качества

2,5

90

120

150

2

0,7

2,9

78

104

130

3

1,2

3,4

70

94

110

3,4

1,4

3,5

65

79

100

3,5

1,45

3,6

54

72

92

3,5

1,5

3,7

52

70

90

3,8

1,6

4,0

48

65

75

   

4,3

47

62

73

4

1,8

5,5

40

55

70

5

2

6,0

32

42

53

6

2,3

8,0

24

32

40

8

3

12,0

17

22

28

12

4

16,0

12

17

21

16

6

25,0

8

11

14

25

10

50,0

4

5,5

7

50

20

75

2,8

3,7

4,6

70

30

Режимы записи

  • Непрерывная запись — это постоянная круглосуточная запись видеоизображения,
  • Запись по расписанию — запись в определенное время суток,
  • Запись по тревоге — запись начинается при поступлении определенного сигнала,
  • Запись по детектору движения — запись осуществляется только во время изменения изображения,
  • Экстренная запись или запись в ручном режиме — запись начинается по команде оператора (при нажатии кнопки).

 

video.tcb-spb.ru

Уличное видеонаблюдение светочувствительные уличные видеокамеры

Уличное видеонаблюдение светочувствительные уличные видеокамеры CAICO TECH (Кейко русс.)

 

 

В этой статье мы расскажем и покажем новые решения для уличного видеонаблюдения.

Какие сложности нужно учесть для выбора уличной видеокамеры перед покупкой?

 

Выбираем уличные видеокамеры наблюдения-главные правила выбора уличной видеокамеры наблюдения.
Чем отличается уличная видеокамера. При изготовлении видеокамеры для уличного применения учитываются факторы открытой среды в условиях зимних и летних температур, погодных осадков  снег, дождь, пыль. Производство уличных видеокамер рассчитаны на температурный режим в приделах -40+50.

 


В современных профессиональных видеокамерах уличного наблюдения, от производителей внедряющих новые технологии начиная с 2016-2018 года применяются в производстве видеокамер новые, высокопроизводительные, светочувствительные сенсоры изображения, нового поколения.
Маркировка указываются в документацию в которой указывается марка и модель применяемого датчика изображения (матрицы), честный производитель это указывает в обязательном порядке!.
Если вы не обнаружили в документации точных данных сенсора изображения что часто делают Китайские компании — помните, вас обманываю скрывая главные показатели видеокамеры и маркировку сенсора изображения по которому можно точно определить какую камеру вам продают.

 

Помните многие известные торговые марки позиционирующие себя на очень высокий уровень на самом деле являются только разработчиками программного обеспечения IP камер и DVR при этом не имеют собственных сенсоров изображения, а также остальной Электриной и оптической составляющей — такие компании не указывают точные данные в инструкции пользователей по причине простой боязни потери большой части клиентов.

 

Так как купить то же самое можно намного дешевле не переплачивая при этом за раскрученный китайский бренд.

 

Способность новых высокопроизводительных уличных видеокамер видеть дальше и лучше своих предшественниц выпускаемых ранее. Видеокамеры со старыми технологиями резко подешевели и пошли в распродажи. Не которые Китайские производители по-прежнему производят сборки устаревших видеокамер в расчете на невысокую стоимость конечного продукта.

 

Далее в этой статье расскажем и покажем в чем разница между новыми и старыми видеокамерами какие новые технологии, называние и отличие от применяемых раньше.
При выборе уличной видеокамере выбираете новые высокопроизводительными решениями уличного наблюдения разработанные ведущими мировыми компаниями производителями светочувствительных сенсоров изображения камер видеонаблюдения 2017-2018 года описываемые в этой статье ниже.

 

 

➥ Основным требованием для оценки качества видеокамеры для наружного применения является светочувствительность видеокамеры.

 

 

 

Совсем недавно все видеокамеры могли работать ночью только в черно-белом режиме работы и большинство только с использованием ИК инфракрасного прожектора. Видеокамеры способные работать без ИК прожектора на базе CCD сенсоров изображения, имеют разрешение, 800 TVL.Эти камеры были разработаны в середине 2000-х годов и устарели так как в данное время не поддерживают высокое разрешение  в сравнении с CMOS сенсорами получившие развитие в наши дни.

 

 Развитие технологии построения сенсоров изображения на базе CMOS технологий позволили добиться прорыва в области изготовления относительно не дорогих сенсоров изображения, способных показывать в сложных условиях освещенности не только в черно-белом изображении, но уже и в цвете. Такие видеокамеры могут работать без применения собственного ИК прожектора в ночное время суток, в цвете при значениях 1-0,1 lux без режима накопления, а также имеют разрешение сенсора  2Mpix FULL-HD, в сравнении с CCD технологии равной всего 800 TVL.

 

 

Уличные светочувствительные сенсоры изображения sony STARVIS™ приведены ниже. Серия и порядковый номер CMOS (СИМОС русс.) — это название технологии производства сенсора не имеет отношения к светосильным сенсорам изображения напрямую. STARVIS™  -это технология измененного вида  нового СМOS сенсора разработанная компанией SONY. Все сенсоры обозначаются буквы и цифрой. Сенсоры CMOS SONY STARVIS™ приведены ниже выпуск с 2016-2018 года. Модели 2018года IMX307; IMX 327; IMX385 Для  работы в цвете таким светосильным видеокамерам достаточно  окружающая среда имела освещенность в приделах 1-0,01lux.

 

  • Cветочувствительные камеры следующего поколения CAICO TECH® CCTV.  на фото с права обычные камеры 

 

 

 

На фото ниже: Камера №1 технологии Sony STARVIS 2Mpix; переключена в обычный ИК режим; На изображении  камеры №3 Sony STARVIS 2Mpix; режим цветное изображение. Камера №2 Технология STARLIGHT 5Mpix

 

 

СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ CAICO TECH CCTV

 

 

✔ Такое освещение применяется в населенных пунктах в которых установлено уличное освещение. Даже отдаленный тусклый фонарь расположенный на приличном удалении от камеры позволяет видеокамерам нового поколения показывать в цвете 24 часа в сутки. Если освещения все же не достаточна видеокамера автоматически переключиться в черно-белый режим работы и включит штатный ИК прожектор, как и обычная ИК видеокамера. Для  видеокамер CAICO TECH® CCTV в ночное время суток, с новыми сенсорами изображения CMOS SONY STRVIS™ IMX327; IMX307:

 

Ниже вы сможете просмотреть обозначение освещенности в lux, для разных измерений состояния уличного освещения. Если освещение  будет не достаточно, такие видеокамеры переключаются в ИК режим работы, как обычные ИК камеры, старого поколения.

 

Уровень освещенности Безлунная ночь Ясная без лунной ночи Полнолуние Уличное освещение Офисное освещение Пасмурный день Ясный день
Уровень  Lux 0,0001 0,002 0,01-0,1 1-5 100-1000  2500-4000  10 000

 

СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ CAICO TECH CCTV

 

 

На примере нашего видео рассматриваются светочувствительные уличные видеокамеры Caico Tech в которых применены светосильные сенсоры нового поколения для светочувствительных видеокамер выпущенных после 2016 года, а также новое решение 2018 года. Во всех камерах используется cmos сенсоры starvis, разработчик компания sony, мировой лидер производства и развития технологий новых светочувствительных сенсоров изображения.

 

 

 

 

  • Светочувствительные уличные видеокамеры CAICO TECH ® CCTV сравнение настройка 

 


 

 

✔ Преимущество новых светочувствительных видеокамер нового поколения не оспорим. Как видим на практике, такие видеокамеры могут получать не только больше информации работая в ночное время в цвете. Также не имеют целого ряда недостатков связанных с особенностями различной природы засветок изображения при применении ИК прожектора в ночное время для камер видеонаблюдения.


Ссылки для получения большей информации разработчик сенсоров изображение технологии STARVIS™ sony

Ссылки для получения большей информации видеокамера 

 

 

 

 

www.ahdcvicamera.ru

Светочувствительность цифровых камер — Gpedia, Your Encyclopedia

Светочувствительность цифровой фотокамеры — характеристика цифрового фотоаппарата, определяющая зависимость числовых параметров созданного им цифрового изображения от экспозиции, полученной светочувствительной матрицей. Светочувствительность цифровых фотоаппаратов принято выражать в единицах, эквивалентных светочувствительности ISO желатиносеребряных фотоэмульсий[1]. Это позволяет пользоваться методами измерения экспозиции, свойственными классической плёночной фотографии.

Однако понятие светочувствительности цифровых камер не имеет ничего общего с традиционными фотоматериалами в силу неприменимости законов сенситометрии, и отражает чувствительность матрицы лишь косвенно. В отличие от светочувствительности фотоматериалов, относящейся только к конкретной используемой фотоэмульсии, в цифровой фотографии под светочувствительностью понимают передаточную функцию всей системы, включающей матрицу, предусилитель и алгоритмы АЦП. Для цифровых видеокамер и передающих телекамер, основанных на аналогичных матрицах, единицы ISO не применяются, а светочувствительность выражается в минимальной освещённости объекта съёмки в люксах, позволяющей получать изображение с допустимым уровнем шумов[2][3]. В некоторых случаях чувствительность видеокамер выражается минимальной освещённостью при определённом уровне усиления сигнала в децибелах[4].

Светочувствительность узкоспециализированных видеоустройств, например, видеорегистраторов, часто указывается в нестандартных единицах, учитывающих светосилу жёстковстроенного объектива. Однако, в большинстве случаев светочувствительность таких приборов выражается в отношении электрического напряжения в вольтах, получаемого на аналоговом выходе матрицы к величине экспозиции излучением с длиной волны 550 нанометров, считающейся максимумом спектральной чувствительности человеческого зрения. С единицами ISO эта величина никак не соотносится.

Колесо установки значения ISO цифрового фотоаппарата «Canon PowerShot G9»

Эквивалентная светочувствительность

Цифровыми фотоаппаратами при одной и той же экспозиции может быть получено изображение разной степени яркости. Это достигается изменением предварительного усиления электрических сигналов светочувствительной матрицы и алгоритмов их последующего аналогово-цифрового преобразования в цветовое пространство, главным образом, sRGB[1]. Производители цифровой аппаратуры устанавливают фиксированную зависимость между значениями сигналов матрицы и соответствующими параметрами цветового пространства, принимаемую в качестве экспозиционного индекса EI. Большинство цифровых фотоаппаратов имеет несколько значений EI, переключение между которыми позволяет находить наиболее приемлемый компромисс между возможностью съёмки с короткими выдержками и интенсивностью шумов в получаемом изображении. Значения EI выбираются таким образом, чтобы получаемое цифровое изображение было сопоставимо с получаемым на плёнке такой же чувствительности ISO, с теми же экспозиционными параметрами. Поэтому, в обиходе принято называть значения EI цифровых фотоаппаратов «эквивалентной светочувствительностью ISO». Однако, этот параметр имеет лишь косвенное отношение к светочувствительности матрицы, и выражается в единицах плёночной сенситометрии только для удобства использования классических приёмов измерения экспозиции, принятых в традиционной фотографии.

Некоторые производители предусматривают возможность регулировки параметров яркости в пределах одного значения EI, как дополнительный пункт меню настроек камеры или установок конвертации «сырых» файлов RAW. Современные цифровые камеры многократно превосходят фотоматериалы по светочувствительности, и в эквивалентных ISO единицах достигают значения 4 560 000, недоступного для галогеносеребряных фотоэмульсий[5]. Совершенствование алгоритмов шумопонижения позволяет получать при таких значениях EI изображение приемлемого качества.

Сравнение разных единиц светочувствительности

В таблице приведены сравнительные значения систем измерения светочувствительности ISO и APEX, и эквивалентные значения светочувствительности, выбираемые производителями цифровых фотоаппаратов для градуировки их шкал в соответствии со стандартом ISO12232:2006. Видно, что значения, превышающие 20 000 ISO не применимы к существующим фотоматериалам и отражают только регистрирующую способность цифровых фотокамер, выпускаемых со второй половины 2000-х годов.

Сравнение светочувствительности фотоматериалов и цифровых фотовидеокамер
APEX Sv ISO
арифм./логарифм.°
Эквивалент ISO
цифровых фотоаппаратов
Пример плёнки или камеры,
обладающих такой светочувствительностью 
2 12/12°   Gevacolor 8-мм обращаемая, позднее Agfa Dia-Direct, «Свема» КН-1
  16/13°   Agfacolor 8-мм обращаемая
  20/14°   Adox CMS 20
3 25/15°   старый Agfacolor, Kodachrome II и Kodachrome 25, Efke 25, «Тасма» ЦО-22Д
  32/16°   Kodak Panatomic-X, «Свема» ДС-5М, Фото-32
  40/17°   Kodachrome 40 (киноплёнка)
4 50/18° 50 Fuji RVP, Ilford Pan F Plus, Kodak Vision2 50D 5201 (киноплёнка), AGFA CT18, Efke 50
  64/19°   Kodachrome 64, Ektachrome-X, ORWOCOLOR NC-19
  80/20°   Ilford Commercial Ortho, «Свема» Фото-65
5 100/21° 100 Kodacolor Gold, Kodak T-Max, Provia, Efke 100, «Свема» КН-3
  125/22°   Ilford FP4+, Kodak Plus-X Pan, «Свема» Фото-130
  160/23°   Fujicolor Pro 160C/S, Kodak High-Speed Ektachrome, Kodak Portra 160NC и 160VC
6 200/24° 200 Fujicolor Superia 200, Agfa Scala 200x, «Свема» ОЧТ-180, «Тасма» ОЧ-180, ЦО-Т-180Л
  250/25°   «Тасма» Фото-250
  320/26°   Kodak Tri-X Pan Professional
7 400/27° 400 Kodak T-Max, Tri-X 400, Ilford HP5+, Fujifilm Superia X-tra 400, Konica VX-400 «Свема» ОЧТ-В
  500/28°   Kodak Vision3 500T 5219 (киноплёнка), «Тасма» Панхром тип-17
  640/29°   Polaroid 600
8 800/30° 800 Fuji Pro 800Z
  1000/31°   Kodak P3200 TMAX, Ilford Delta 3200
  1250/32°   Kodak Royal-X Panchromatic
9 1600/33° 1600 Fujicolor 1600, Kodak Ektapress 1600, «Тасма» Изопанхром тип-42
  2000/34°    
  2500/35°    
10 3200/36° 3200 «Тасма» Панхром тип-13, фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-107[6], Fujifilm FP-3000b
  4000/37°    
  5000/38°   «Тасма» Изопанхром тип-24
11 6400/39° 6400  
  8000/40°    
  10000/41°    
12 12500/42° 12800
  16000/43°    
  20000/44°   Фотокомплекты для моментальной фотографии Polaroid тип-612[6] 
13 25000/45° 25600 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Canon EOS 5D Mark II (2008)
  32000/46°    
  40000/47°    
14 50000/48° 51200  
  64000/49°    
  80000/50°    
15 100000/51° 102400 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D3S и Canon EOS-1D Mark IV (2009)
  125000/52°    
  160000/53°    
16 200000/54° 204800 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400000/57° 409600 Первые серийные цифровые фотоаппараты с таким эквивалентом ISO: Nikon D4s и Sony α-7S (2014)
500000/58°
620000/59°
18 800000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
20 3200000/66° 3280000 Первый серийный цифровой фотоаппарат с таким эквивалентом ISO: Nikon D5[7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 Первая серийная видеокамера с таким эквивалентом ISO: Canon ME20F-SH[5] (2015)
Примечания к таблице: значения светочувствительности систем APEX и ISO, выделенные жирным шрифтом, соответствуют реальным значениям, использующимся производителями для конкретных фотоматериалов. Все остальные значения вычислены на основе тех же прогрессий в качестве математической экстраполяции существующих шкал.

Стандарт ISO 12232:2006

С 1998 года существует стандарт ISO[8], устанавливающий зависимость между величиной сигналов матрицы и конкретными экспозиционными индексами (EI)[9]. Этот стандарт даёт производителям цифровых фотоаппаратов пять возможных способов определения конкретных значений EI, три из которых существуют с 1998 года, а два появились в 2006 году в соответствии с рекомендациями CIPA DC-004[10], предложенными японской Ассоциацией по Стандартизации Систем Отображения (англ. Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA). В зависимости от выбранной методики, экспозиционный индекс EI зависит от светочувствительности и уровня собственных шумов матрицы, а также от характеристик получаемого изображения. Стандарт ISO определяет светочувствительность всего канала отображения фотокамеры, а не его отдельных компонентов, как это было предложено компанией Kodak в 2001 году для двух собственных сенсоров[11].

Методика рекомендованного экспозиционного индекса (REI), появившаяся в последней версии стандарта ISO 12232:2006[12], разрешает производителям аппаратуры самостоятельно устанавливать значения EI, основываясь на собственной точке зрения, при каких значениях EI получаются правильно экспонированные изображения. Это единственная методика, применимая к форматам изображения, использующим цветовые пространства, отличные от sRGB, а также в случаях использования матричного режима измерения экспозиции.

Методика стандартной выходной чувствительности (англ. Standard Output Sensitivity, SOS) также появилась в последнем стандарте и основана на предположении, что средний уровень яркости в выходном изображении sRGB должен получаться при съёмке серой карты с 18 % отражательной способностью при измерении экспозиции экспонометрической системой, откалиброванной в соответствии со стандартом ISO 2721 без экспокоррекции. Поскольку измерения должны проводиться в цветовом пространстве sRGB, методика применима только к снимкам, сделанным в этом пространстве — главным образом, формата JPEG, — и неприменима к снимкам в формате RAW. Кроме того, методика неприемлема в случае использования матричного режима измерения.

Методика, основанная на точке насыщения, близка методике SOS, но основывается не на 18 % серой карте, а на 100 % яркости, при которой начинают пропадать детали в света́х. Значения экспозиционного индекса, полученного таким методом, выше, чем предыдущие, на 0,704. Так же, как и предыдущая методика SOS, метод точки насыщения предполагает измерения в цветовом пространстве sRGB и неприменим к файлам формата RAW.

Две методики, основанные на уровне шумов, иногда используются для определения диапазона EI любительских цифровых фотокамер. В этом случае определяются крайние значения EI, при которых снимки могут считаться «отличными» или «приемлемыми», соответственно для наименьшей и наибольшей эквивалентной светочувствительности.

Методы расчёта экспозиционных индексов

Значения эквивалентной светочувствительности ISO цифровых камер зависят от свойств сенсора и алгоритмов цифровой обработки получаемого изображения в камере. Эта величина может быть выражена через экспозицию H, получаемую матрицей, в люксах на секунду. Для усреднённого объектива с фокусным расстоянием f, намного меньшим, чем расстояние до объекта съёмки, экспозиция составляет:

H=qLtN2,{\displaystyle H={\frac {qLt}{N^{2}}},}

где L — яркость объекта съёмки в канделах на квадратный метр, t — выдержка в секундах, N — диафрагменное число. Тогда коэффициент q определяется равенством:

q=π4Tv(θ)cos4⁡θ{\displaystyle q={\frac {\pi }{4}}T\,v(\theta )\,\cos ^{4}\theta }

Эта величина зависит от коэффициента пропускания T объектива, коэффициента виньетирования v(θ) и угла θ относительно оптической оси объектива. Чаще всего q=0,65, при условии, что θ=10°, T= 0,9, а v= 0,98[8].

Точка насыщения

Светочувствительность, определяемая по точке насыщения, рассчитывается с помощью равенства:

Ssat=78Hsat,{\displaystyle S_{\mathrm {sat} }={\frac {78}{H_{\mathrm {sat} }}},}

где Hsat{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }} — максимальная экспозиция, не приводящая к появлению «пробитых» областей, лишённых информации. Обычно нижний предел такой чувствительности зависит от свойств матрицы, но при усилении её сигнала перед АЦП эквивалентная светочувствительность повышается. Коэффициент 78 принят потому, что калибровка экспонометров основывается на измерении серой карты с отражательной способностью 18 %. Такой объект даёт на изображении значение яркости, составляющее 18 %/√2 = 12,7 % от уровня насыщения. Множитель √2 обеспечивает запас в полступени, учитывающий блики, более яркие, чем света́ объекта съёмки[12].

Определение по шумам

Светочувствительность, определяемая по методу измерения шумов, зависит от экспозиции, необходимой для достижения определённого отношения сигнал/шум на отдельных пикселях. Используются два соотношения: 40:1 («отличное изображение») и 10:1 («приемлемое качество»). Эти соотношения соответствуют субъективному восприятию изображения с разрешением 70 точек на сантиметр, рассматриваемого с расстояния в 25 сантиметров. Уровень шума определяется как среднеквадратическое отклонение яркости и цветности отдельных пикселей. Светочувствительность, определяемая этим методом, в наибольшей степени зависит от качества матрицы, и в значительно меньшей — от шумов предусилителя.

Стандартная выходная чувствительность

В дополнение к описанным методикам определения светочувствительности, стандарт ISO 12232:2006 предусматривает методику стандартной выходной чувствительности, основанной на зависимости числовых значений пикселей изображения от полученной экспозиции. Методика основана на равенстве:

Ssos=10Hsos,{\displaystyle S_{\mathrm {sos} }={\frac {10}{H_{\mathrm {sos} }}},}

в котором Hsos{\displaystyle H_{\mathrm {sos} }} отражает экспозицию, дающую значение 118 в 8-битном изображении sRGB, которое соответствует отображению 18 % серой карты при гамма-коррекции 2,2[12].

Применимость методик стандарта ISO

Стандарт определяет, какая из методик определения светочувствительности предпочтительна в различных ситуациях. Если светочувствительность, выбранная на основе соотношения уровня полезного сигнала к уровню шума 40:1 («отличное качество»), превосходит тот же параметр, полученный по точке насыщения, выбирается первое из двух значений, округлённое до ближайшего нижнего значения стандартной шкалы. Основанием для такого выбора считается тот факт, что меньшая экспозиция, вычисленная на основе более высокой светочувствительности, даёт заведомо худшее изображение. Кроме того, нижняя граница диапазона значений чувствительности выбирается на основе точки насыщения, а верхняя — по оценке наихудшего отношения сигнал/шум 10:1 («приемлемое качество»). В случае, если соотношение сигнал/шум 40:1 оказывается меньше, чем значение, вычисленное по точке насыщения, или не определяется из-за сильных шумов, для отсчёта берётся последнее, округлённое до ближайшего верхнего значения стандартной шкалы, поскольку использование «шумовой» чувствительности приведёт к передержке. Светочувствительность камеры также может быть однозначно определена на основе стандартной выходной чувствительности, округлённой до ближайшего стандартного значения.

Допустим, сенсор камеры обладает следующими характеристиками: чувствительность по отношению сигнал/шум 40:1 — 107, а по отношению 10:1 — 1688 и «точка насыщения» — 49. Тогда в соответствии со стандартом фотоаппарат должен обладать следующими значениями шкалы:

при дневном свете — ISO 100;
диапазон значений — ISO 50—1600;
стандартная выходная чувствительность — ISO 100.

Стандартная чувствительность может иметь пользовательскую настройку. Для камеры с более шумным сенсором те же значения могут составлять соответственно 40, 800 и 200. В этом случае система должна быть настроена на чувствительность ISO 200, соответствующую пользовательской настройке стандартной выходной чувствительности[12].

Несмотря на подробные инструкции стандарта о применении той или иной методики определения эквивалентной светочувствительности, инструкции фотоаппаратов не отражают, какой именно способ использован для разметки их шкал.

См. также

Примечания

  1. 1 2 Экспозиция в цифровой фотосъёмке, 2008, с. 18.
  2. ↑ Телевидение, 2002, с. 105.
  3. В.П. Майоров, Л.Ф. Овчинников, М.С. Сёмин. Рассуждения о телевизионных камерах (рус.) // Компьютерра : журнал. — 1998. — № 14. — ISSN 0815-2198.
  4. Николай Миленин, Леонид Чирков. Телевизионные камеры: куда ведёт прогресс? (рус.) // «625» : журнал. — 1993. — № 4. — ISSN 0869-7914.
  5. 1 2 Александр Будик. Canon ME20F-SH: Full HD-камера чувствительностью ISO 4 000 000 (рус.). Новости Hardware. 3D News (1 августа 2015). Дата обращения 18 ноября 2016.
  6. 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Film Index (англ.) (недоступная ссылка). Film. The Land List. Дата обращения 10 марта 2014. Архивировано 15 декабря 2003 года.
  7. ↑ D 5 (англ.). DSLR Cameras. Nikon USA. Дата обращения 7 января 2016.
  8. 1 2 ISO 12232:1998 (англ.). Photography — Electronic still-picture cameras — Determination of ISO speed. ISO (20 April 2006). Дата обращения 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  9. ↑ Светочувствительность (рус.). Вопросы и Ответы. Zenit Camera. Дата обращения 24 октября 2015.
  10. Standardization Commettee. Sensitivity of Digital Cameras (англ.) (недоступная ссылка). CIPA DC-004. Standard of the Camera & Imaging Products Association (27 July 2004). Дата обращения 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  11. ↑ Kodak Image Sensors ISO Measurment (англ.). Revision 5.0 MTD/PS-0234. Kodak (28 September 2009). Дата обращения 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.
  12. 1 2 3 4 ISO 12232:2006 (англ.). Photography — Digital still cameras — Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index. ISO (4 October 2011). Дата обращения 11 ноября 2012. Архивировано 13 января 2013 года.

Литература

  • Крис Уэстон. Экспозиция в цифровой фотосъёмке = Mastering digital exposure and HDR imaging / Т. И. Хлебнова. — М.,: «АРТ-родник», 2008. — С. 18—20. — 192 с. — ISBN 978-5-9794-0235-2.
  • В. Е. Джакония. II. Преобразование изображений в электрические сигналы и воспроизведение изображений // Телевидение. — М.,: «Горячая линия — Телеком», 2002. — С. 105—134. — 640 с. — ISBN 5-93517-070-1.

www.gpedia.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о