1.3.3 Контраст и функция передачи модуляции

Контраст (от французского contraste – противоположность) – отношение разности яркостей объекта и фона, нормированного к максимальному значению. Величина контраста изменяется в диапазоне от ноля до единицы.

Почему контраст является основным критерием при тестировании видеооборудования и объективов? Прежде всего, потому, что изображение на мониторе должно соответствовать оригиналу, то есть объекту наблюдения. Это значит, что все полутона объекта от белого цвета до черного должны передаваться на устройства отображения без искажений. Но в реальной действительности этого не происходит.

Каждый элемент в видеотракте искажает полутона, что приводит к снижению контраста. Степень вносимых искажений в полутона в большой степени зависит от пространственных размеров элементов изображения. Чем меньше пространственные размеры, тем сильней проявляются искажения полутонов. В конечном итоге контраст снижается до такой степени, что различить два рядом расположенных цвета становится невозможно. Отсюда следует, что чем больше оборудование сохраняет исходный контраст объекта, тем большим количеством полутонов «прорисовывается» изображение на мониторе.

При тестировании объектива на предмет того, как он ухудшает контраст, определяют коэффициент передачи модуляции. Для этой цели используют специальную миру (рис. 8), состоящую из чередующихся белых и черных полос. Количество линий на 1 мм может быть разным. Миры могут быть в виде тестовых таблиц на бумажных носителях или в виде светового изображения, создаваемого специальными приборами.

Традиционно миры для испытания объективов имеют 10, 20 и 40 lp/mm при модуляции, равной единице. В объективах модуляцию оценивают в виде ее уменьшения от центра объектива к периферии.

Напомню, что в оптике одна линия состоит из двух линий (черной и белой) и обозначается lp/mm. Если приведено обозначение lpm, то в этом случае черная и белая линии считаются как две.

Рис. 8 - Определение коэффициента передачи модуляции

При тестировании миры могут размещаться перед испытуемым устройством по-разному (рис. 9). Если мира размещена вдоль радиуса-вектора (1), то такое расположение миры называется тангенциальным, или меридианным. Если мира размещена перпендикулярно (2), то расположение называется радиальным, или сагиттальным.

Рис. 9 - Тестирование миры

На сегодняшний день наиболее информативно оценить и сравнить оптическое качество объективов можно при помощи MTF-характеристики (Modular Transfer Function). В России она называется функцией передачи модуляции (ФПМ). ФПМ для оценки изображения в нашей стране начала применяться более 40 лет назад. Этот термин часто используется и в настоящее время. Сам термин ФПМ был впервые принят в СССР и законодательно утвержден в ГОСТ 2653–80.

Пожалуй, лучше всего объяснить значение ФПМ на примере обыкновенного усилителя низкой частоты, предназначенного для усиления музыкальных произведений.

Любой усилитель низкой частоты имеет в качестве характеристики АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), которая на высоких частотах имеет естественных завал. Что это для меломанов значит? А значит следующее: если на вход усилителя пришла высокочастотная составляющая спектра, с каким то уровнем, то меломан хочет слышать эту частотную составляющую в таком же соотношении уровней к другим составляющим спектра, которые поданы на вход усилителя.

Но тракт усилителя этот уровень высокочастотной составляющей исказил - значительно уменьшил уровень сигнала на этой частоте.

Какой результат: меломан слушает не ту гармонию звуков, которая является первородной. Он слышит гармонию звуков с уровнями, которые создал усилитель в строгом соответствии со своей АЧХ.

В результате АЧХ это характеристика усилителя и она не имеет ни какого отношения, к тому, что происходит с сигналом до того момента, когда он попал на вход усилителя.

Функция передачи модуляции это то же самое, что и АЧХ. Она может быть для всего видеотракта или для любого элемента в нем.

Но, так же как и АЧХ ФПМ показывает, как ухудшает видеотракт исходный контраст сюжета, который попадает в поле зрения объектива (поскольку он первый элемент видеотракта).

На высоких разрешениях или когда элементы изображения в сюжете маленькие видеотракт в соответствии со своей ФПМ ухудшает их контраст. Точно также как и АЧХ.

То есть если в сюжете полоски на белой рубашке черные, то на мониторе они будут светло серые. А если рубашка не белая, то полосок на мониторе мы можем и не увидеть. (Если не видим полосок, то описывая объект мы даем не достоверную информацию об элементах его одежды.)

Отсюда следует очень неприятный для CCTV вывод: Поскольку объекты в сюжете перед видеокамерой имеют широкий диапазон полутонов или градаций яркости, то при завале ФПМ на высоких пространственных частотах мы на мониторах теряем очень много информации о деталях объектов и вообще о сюжете.

Примечание автора. К сожалению, до настоящего времени в CCTV модуляциею часто путают с контрастом. Поэтому в литературе по CCTV можно встретить самые разные варианты записи контраста: например, такие как 700 или 700:1. Другие авторы приводят контраст в виде 10%, утверждая, что это слабое различие между двумя градациями яркости. Можно встретить и запись в виде 0,01 и утверждение, что это очень высокий контраст. Во всем этом многообразии правильных и неправильных вариантов самым неприятным является то, что невозможно сравнить результаты разных авторов, которые рассматривают одно и то же устройство. Единственный путь исключения такой неоднозначности заключается в том, чтобы параметр «контраст» или «модуляция» были величиной не абсолютной, а относительной, нормируемой к максимальному уровню. В своих работах контраст и модуляцию мы определяем как:



Эти формулы контраста и модуляции приведены во всех классических изданиях по оптике и смежным с ней наукам.

В чем же отличие модуляции от контраста, а следовательно и ФПМ от ЧКХ? (ФПМ – функция передачи модуляции. ЧКХ – частотно-контрастная характеристика)

ФПМ и ЧКХ это абсолютно разные вещи с точки зрения физического смысла. ФПМ это модуляция, а это значит изменение параметра (контраста) относительно среднего значения. Для примера: стоит человек на фоне стены дома. Казалось бы, что нас интересует, как контрастирует человек на фоне стены, а ФПМ нам покажет, как контрастирует человек не на фоне стены, а на среднем значении яркостей между стеной и человеком. В системах видеонаблюдения нас интересует контраст объекта относительно фона. Поэтому в CCTV нужно использовать характеристику, показывающую зависимость контраста, а не модуляции. Такой характеристикой является ЧКХ.

Но между контрастом и модуляцией существует строгая взаимосвязь, которая позволяет находить один параметр через другой.

В дальнейшем, при изложении материала мы будем использовать ФПМ, как наиболее известный читателям параметр.

Смысл тестирования оптики при измерении ФПМ заключается в определении степени падения модуляции изображения, создаваемого объективом, в сравнении с оригиналом (тест таблицей). Если объектив очень хороший, то изображение мало чем отличается от оригинала и по четкости, и по контрасту, а значит, значение ФПМ такого объектива всегда будет близким к 1 (или к 100%, что одно и то же). При снижении модуляции изображение будет выглядеть более размытым, то есть потеряет резкость. На графиках ФПМ отображается зависимость уменьшение модуляции изображения на разном удалении от центра объектива при максимально открытой диафрагме. В оптике принято классифицировать объективы по их ФПМ следующим образом:

1) ФПМ укладывается в диапазон от 70% до 100% – хороший объектив;

2) ФПМ падает до 30% – удовлетворительный объектив;

3) ФПМ ниже 30% – плохой объектив.

Рассмотрим ФПМ (рис. 10) двух объективов [4].

Первый объектив (кривая 1) имеет хорошее значение модуляции в центральной части объектива. Но к краям качество изображения (модуляция) довольно сильно падает.

Второй объектив (кривая 2) уступает первому в центре. Разница в модуляции составляет до 15%. Но зато изображение, формируемое этим объективом, одинаково по всей площади объектива. Кривая ФПМ в данном случае несколько неравномерна, однако неравномерность невелика.

Какой же объектив лучше? Однозначного ответа нет. Наверно, все зависит от поставленной этому объективу задачи, но одно ясно, что дальность обнаружения объекта для объектива с номером 2 на периферийной части кадра значительно выше, так как контраст объекта относительно фона больше.

Рис. 10 - ФПМ двух объектов

Если основная задача камеры с этим объективом обеспечить наилучшие возможности оператору или цифровой системе видеонаблюдения по обнаружению объекта, то второй объектив предпочтительнее.

Такие графики сегодня рассчитываются для всех разрабатываемых объективов, но далеко не все производители считают нужным показать их потенциальному покупателю.

Рассмотрим ФПМ характеристики объектива, который фирма «Schneider» выставляет на своем сайте. Кому интересно более подробно ознакомиться, какая информация должна предоставляться пользователю, может зайти на сайт http://www.schneideroptics.com/photography/digital_photography/digitar/47/page5.php. Подборку ФПМ для фотографических объективов разных фирм можно найти на сайте http://www.riddle.ru/?page=articles/lens.

На рис. 11 представлена ФПМ характеристика объектива с диафрагмой 5,6 и пространственной частотой линий 10, 20 и 40 lp/mm. Какую информацию владелец такого объектива может вынести из этих графиков?

Рис. 11 - ФПМ объектива

1. Модуляция изображения даже в центральной части объектива не доходит до 100%, а при увеличении пространственной частоты линий до 40 lp/mm опускается до 70%.

2. Модуляция изображения на периферийной части объектива значительно ухудшается, и в большей степени – при работе объектива с мелкими элементами объекта.

Чем ближе изображение к периферийной области объектива, тем искажения становятся все более значительными. А в случаях, когда речь идет о реальном изображении, контраст которого значительно меньше, чем на мире, то на периферии объектива они сольются в один тон, а это значит, что будет потеряна очень важная информация о деталях объекта.

К сожалению, все эти характеристики можно найти только для фотографических объективов. Для объективов, используемых в CCTV, найти такие характеристики, может быть, и можно, но мне не удалось. Я имею в виду характеристики объективов для CCTV от их производителей.

В фотографии у фотокамеры, кроме объектива и фотопленки, нет никаких элементов, снижающих качество изображения. И размерность разрешения в линиях на миллиметр, как объектива, так и фотопленки устраивает фотографов. В CCTV объектив не единственный элемент, который влияет на разрешающую способность всего видеотракта. Видеокамера, устройства обработки видеосигнала, монитор, да и радиочастотный кабель, так же как и объектив, имеют свою разрешающую способность. Но разрешающая способность видеооборудования в основном оценивается в телевизионных линиях (твл). Объектив в этом смысле выпадает из устоявшейся в телевидении размерности оценивать разрешающую способность оборудования в твл. Такое положение создает существенные трудности при проектировании видеотрактов. Поэтому мы в своей работе разрешение объектива определяем традиционно в телевизионных линиях. Придерживаясь такого подхода, графики ФПМ объективов, которые будем рассматривать ниже, построены как зависимость модуляции от количества телевизионных линий.

Для построения таких ФПМ используют миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос (рис. 12).

Рис. 12 - Миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос

На рис. 13 представлены ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм.

Исходя из классификации объективов, приведенных выше, ФПМ на уровне 30% является предельным значением, когда объектив целесообразно использовать. Для объективов, характеристики которых представлены на рис. 13, уровень 30% ФПМ соответствует предельному разрешению видеокамер 420–470 твл, то есть работа таких камер с этими объективами возможна.

Рис. 13 - ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм

Для камер с большим разрешением это плохие объективы, и использовать их нежелательно.

Но обратите внимание, что один объектив передает модуляцию на низких значениях твл чуть более 60%, в то время как у второго она близка к 100%. Поэтому объектив с ФПМ, близкой к 100%, значительно лучше будет прорисовывать изображение с максимальным количеством градаций яркости, полутонов.

Для того чтобы сравнить объективы, не прибегая к анализу их ФПМ, используют параметр «четкость» или реальная разрешающая способность. Четкость объектива соответствует количеству телевизионных линий на уровне ФПМ = 0,5 и записывается следующим образом:

ФПМ(0,5) = 180 твл – верхний график,

ФПМ(0,5) = 360 твл – нижний график.

Имея характеристику «четкость» объектива, не составит труда сравнить объективы и выбрать тот, характеристики которого лучше.

Чем выше значение «четкость», тем лучше объектив.

Снижение модуляции до уровней 0,07–0,1, соответствует предельной разрешающей способности объектива. Для верхнего графика предельное разрешение составляет 660 твл, а для нижнего – всего 480 твл. И, несмотря на то, что предельное разрешение у второго объектива меньше, чем у первого, для камер с разрешением 420–470 твл этот объектив значительно лучше. И его достоинство заключается только в том, что модуляция объектива близка к 1, в отличие от первого, где она чуть больше 0,6 и четкость на уровне ФПМ(0,5) = 360 твл. Этот момент очень важен, потому что высокая предельная разрешающая способность не всегда соответствует такому же высокому качеству формируемого изображения.

Теперь немного о том, как интерпретировать графики ФПМ.

1. Если значения ФПМ близки к 100%, то изображение будет исключительно резким и контрастным.

2. Качества объективов, имеющих ФПМ на уровне 70–80% и выше, вполне достаточно для профессионального уровня. Ну а объектив, чей график ФПМ опускается ниже 30%-ной отметки, лучше не приобретать.

3. Высокие значения ФПМ, полученные на участке миры с частым следованием полос (высокие значения твл), говорят о том, что даже при выводе изображения на мониторы с большей диагональю оно будет резким, с хорошей проработкой мелких деталей.

4. Близкие к 100% показатели ФПМ для миры с редким следованием полос (до 100 твл) свидетельствуют о высокой контрастности объектива, а следовательно, и получаемого с помощью его изображения.

5. Если при хороших показателях ФПМ с редким следованием полос график с частым следованием полос лежит в области низких значений твл, то исследуемый объектив при хорошем контрасте имеет проблемы с резкостью изображения, что будет особенно заметно при больших диагоналях мониторов.

6. Если высокие значения ФПМ объектив показывает не только в центре изображения, но и на периферии, то резкость такого объектива будет хороша на значительной площади кадра и при больших диагоналях мониторов.

7. Чем ближе друг от друга проходят графики ФПМ для сагиттальной и тангенциальной ориентаций миры, тем лучше у этого объектива исправлен астигматизм, а следовательно, более естественным и «мягким» будет размытие изображения в зоне нерезкости.

8. Ну и, наконец, сравнивая графики ФПМ объектива при максимальном относительном отверстии и задиафрагмированного до f/8 – f/11, можно сделать вывод о том, насколько уменьшение отверстия диафрагмы повышает разрешающую способность.

Падение контраста в объективе при его эксплуатации может быть и по причине боковой засветки передней линзы объектива.

Чтобы использовать возможности объектива на все 100 процентов, необходимо создать такие условия его работы, при которых он в состоянии реализовать свои лучшие характеристики. Для этого надо выбирать диапазон работы диафрагмы, где аберрация и дифракция проявляются не так явно. Следить за тем, чтобы лучи света, идущие с боков, не засвечивали поверхность передней линзы, а если видеокамера установлена в помещении с большим количеством осветительных приборов, применять козырек гермобокса или бленды. Ну и, конечно, использовать режим автоматического затвора с продуманной подсветкой сектора наблюдения в вечернее и ночное время.

В ходе изложения материала этого параграфа употреблялись термины: резкость, четкость и размытость. Для однозначного понимания того, что под этим подразумевается, приведу формулировки этих понятий.

Резкость – характеристика изображения, определяющая ширину переходной области, при яркостном перепаде от черного к белому. Чем эта область шире, тем резкость хуже. Резкость определяют по переходной характеристике или иногда ее называют пограничной кривой. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

Четкость:

Характеристика, используемая для сравнения оборудования по реальной разрешающей способности.

Размытость – характеристика изображения, определяющая яркостной переход как широкую расплывчатую зону с не оформленными границами. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

Далее >>>