1.4.1.2 Разрешающая способность

В настоящее время количество разнопланового оборудования, из которого состоят системы видеонаблюдения, привело к тому, что понятие разрешающая способность стало больше путать пользователей CCTV, чем отвечать на естественный вопрос: «Какая разрешающая способность у этого оборудования?».

Основную путаницу вносит то, что мы ни как не привыкнем к тому, что одно дело количество дискретных элементов (пикселов), которые работают с изображением и совсем другое дело как эти элементы «создают» изображение. И многие пользователи CCTV заметили, что видеокамеры с одинаковыми по количеству пекселов ПЗС матрицами создают совершенно разные по качеству изображения.

Давайте вспомним, что означало понятие разрешающей способности у обыкновенного аналогового телевизора.

Разрешающая способность подразделялась на разрешающую способность по вертикали и по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали – максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование.

Рис. 27 - График разрешающей способности по вертикали, ограниченный количеством строк в кадре

Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре (рис. 27). Так, для стандартов CCIR и SECAM это 625 строк или линий (точно 575), а для EIA – 525 строк или линий (точно 475). Точное значение количества строк отличается от общего количества строк в кадре за счет того, что строки, «находящиеся» в кадровом гасящем импульсе, не передают изображение, а значит, и не должны учитываться в разрешающей способности по вертикали. Но это теоретическое разрешение по вертикали, практически разрешение равно результату умножения 575 или 475 на поправочный коэффициент 0,7 (Келл фактор).

Исходя из вышесказанного, практическое разрешение по вертикали для CCIR и EIA равно 403 и 333 линиям соответственно. Обратите внимание, что разрешение по вертикали измеряется в линиях, а не в телевизионных линиях.

Разрешающая способность по горизонтали – это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование (рис. 28). Она зависит от верхней границы полосы частот сигнала и от размера апертуры (диаметра) сканирующего луча. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.

Рис. 28 - Разрешающая способность по горизонтали

На заре эфирного телевидения широко использовался термин: «количество элементов разложения», который соответствовал количеству точек пересечения горизонтальных линий развертки с вертикальными линиями. Общее их количество составляло величину порядка 390 – 400 тысяч.

В настоящее время, с появлением дискретных структур (ПЗС), мы имеем эти же элементы разложения, только они стали называться пикселами.

В эфирном телевидении наличие разрешающих способностей – как по горизонтали, так и по вертикали – создавали определенные неудобства в описании характеристик оборудования. Поэтому возникла необходимость выработать единый параметр для оценки разрешающей способности. Эта задача была решена путем пересчета разрешающей способности по горизонтали к разрешающей способности по вертикали, используя соотношение сторон экрана ¾. В результате чего и появился коэффициент 0,75, а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «твл».

Например, часто можно видеть такие расчеты:

1. ПЗС-матрица видеокамеры по горизонтали имеет 627 пикселей, то есть она способна прорисовать 627 линий. Разрешающая способность равна 627 х 0,75 = 470 твл.

2. Разрешающая способность камеры 600 твл. Количество пикселей в горизонтальном ряду матрицы 600 : 0,75 = 800 пикселов.

И эти расчеты вполне оправданы. Ведь естественно, что если количество пикселов в одной камере с 752х564 (564 твл), а в другой 520х390 (390 твл), то разрешающая способность первой камеры лучше.

Но количество пикселов и связанное с этим разрешение это только сравнение видеокамер или любого оборудования по «внешним» признакам, т.е. по количеству дискретных элементов в структуре их фоточувствительного элемента – ПЗС матрице. И пока мы не касаемся характеристик изображения, которые формирует оборудование, то такая разрешающая способность имеет право на существование, и совершенно не важно представлена она в виде телевизионных линий или в виде количества пикселов по горизонтали и вертикали. Называть такую разрешающую способность целесообразно как - потенциальная разрешающая способность. Но лучше не использовать в этом случаи понятие разрешающей способности, а характеризовать видеокамеру имеющую 752х564 пикселов в матрице как 0,424 мегапиксельную, что представляет из себя результат умножения количества пикселей по вертикали на количество пикселей по горизонтали. Тем более что такие аналогии уже присутствуют в фото и видео технике.

Но как только мы хотим сравнить оборудование по разрешающей способности создаваемого им изображения, количество пикселов в матрице совершенно не достаточно для получения численного значения этой характеристики. Изображение хоть и создается дискретной структурой ПЗС матрицы, но кроме количества пикселов, нужно знать величину еще одного немаловажного параметра. Этот параметр должен характеризовать как каждый пиксел работает с изображением, т.е. как он способен передать все полтона изображения, которые на него проецируются.

В качестве такого параметра выступает контраст, а точнее зависимость величины ухудшения контраста от размера элементов изображения. Другими словами эта характеристика покажет нам, на сколько оборудование ухудшает контраст объектов, находящихся в поле зрения камеры в зависимости от их пространственных размеров.

Но каждый пиксел в ПЗС матрице вроде и «занимается» тем, что накапливает заряды, количество которых пропорционально количеству фотонов света, падающих на него. Если бы мы рассматривали идеальный случай, то количество градаций яркости на изображении было равно количеству электронов, накопленных в потенциальной яме. Но такого не происходить по ряду объективных и субъективных причин.

Любой объект на изображении, который нам интересен, всегда находится на каком то фоне. Что бы мы могли увидеть объект его яркость должна быть больше или меньше яркости фона. Если яркость объекта ровна яркости фона, то объект сольется с фоном и различить его очень трудно. Отсюда мы приходим к очень важному параметру, определяющему видимость объекта, - к яркостному контрасту объекта с фоном. Аналитическое выражение для его определения выглядит следующим образом:

где: Еоб –яркость объекта.
Eф – яркость фона.

Когда мы определяем предельную разрешающую способность оборудования, по создаваемому им изображению мы как раз должны ответить на вопрос: «Какой минимальный размер изображения способно обработать оборудование, при условии, что контраст между объектом и фоном снизится до предельных значений. На сегодняшний день в качестве предельного значения выступает модуляция равная 10%. Если пересчитать 10% модуляцию в контраст, то контраст будет равен 18,18(18)%. Естественно, что на глаз ни кто не определяет, как снизился контраст изображения, для этого существуют специальные программно-аппаратные средства.

Что же такое модуляция и чем она отличается от контраста?

Прежде всего, приведу широко известную формулу для определения модуляции:

На самом деле эта формула легко может ввести в заблуждение. Ведь мы с Вами хотим знать, как контрастирует объект наблюдения относительно фона, а модуляция на этот вопрос не дает нам ответа. Модуляция показывает, какой контраст объекта относительно среднего значения яркостей объекта и фона. Если это выразить в виде формулы, то она будет выглядеть так:

Поэтому в CCTV основным параметрам, определяющим характеристику изображения должен быть контраст, а не модуляция. Тем более что контраст наиболее чувствительный в областях малых освещенностей.

Значение модуляции равное 10% приближается к предельным возможностям человеческого зрения различать две расположенные рядом градации яркости. Поэтому значение разрешающей способности, полученное таким образом, является предельным разрешением. Но пользователям, а тем более проектировщикам интересно знать разрешение оборудования не на предельных его значениях, а во всем диапазоне возможных значений.

Для видеокамер, видеорегистраторов, мониторов и другого оборудования, работающего с видеосигналом, наиболее полную информацию об их разрешении и качестве формируемого изображения предоставляет функция передачи модуляции (ФПМ). Что такое ФПМ, мы рассмотрели в разделе объективы. Но поскольку в CCTV параметр модуляция не отражает физического смысла решаемых видеосистемами задач, целесообразно строить не ФПМ, а частотно контрастную характеристику (ЧКХ). Частотно контрастная характеристика незаменима при определении разрешающей способности оборудования и видеотрактов, а также их линейности во всем диапазоне пространственных частот. Эта характеристика является полным аналогом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая широко используется в технике связи, при звуковоспроизведении и в акустических системах. Отличие состоит в том, что АЧХ – это зависимость амплитуды сигнала от частоты, а ЧКХ – зависимость контраста видеосигнала от пространственной частоты. Почему контраст является основным критерием при тестировании видеооборудования? Потому что контраст, а точнее его уменьшение в зависимости от уменьшения пространственных размеров объектов характеризует способность оборудования передавать без искажений все градации яркости объектов на монитор. Чем больше контраст, тем больше полутонов в нем может присутствовать. И наоборот.

Количество градаций яркости, или полутонов, в изображении определяет, насколько «сочным», высокохудожественным оно будет. Если видеооборудование, на вход которого подается сигнал белого и черного цвета, без потери контраста передаст его на устройство отображения, то количество градаций яркости будет определяться только возможностями монитора. Если же оборудование снижает контраст при передаче изображения на монитор, то и количество градаций яркости также будет уменьшаться.

Для видеооборудования ЧКХ выражает зависимость передачи контраста мелких деталей объекта при уменьшении их размеров или, что то же самое, – увеличении пространственной частоты линий на мире, выраженной в их количестве, приходящемся на одну строку изображения.

Частотно контрастная характеристика может строиться по разным мирам, отличающиеся друг от друга контрастом и законом изменения контраста.

Наибольшее распространение получили миры, которые имеют 100% контраст между белыми и черными штрихами. На рис. 29 изображена одна из таких мир, представляющая собой чередующиеся белые и черные полосы, следующие с возрастающей частотой. Верхняя половина представляет собой эталонную миру с контрастом, равным 1, нижняя – изображение миры после прохождения через тестируемое устройство. Хорошо видно, как на нижней половине рис. 29 падает контраст между черным и белым по мере увеличения частоты следования черных и белых полос, а на высоких частотах полосы сливаются, превращаясь в серый фон.

Рис. 29 - Функция передачи модуляции

Используя эту миру, строят частотно контрастную характеристику. На рис. 30 представлена функция передачи модуляции (Приводим графики ФПМ, а не ЧКХ в связи с отсутствием последних). Ось ординат на графике – это значение модуляции, которое получается на изображении, создаваемом видеокамерой, видеорегистратором, монитором или любым другим испытуемым видеоустройством. Ось абсцисс представляет количество телевизионных линий.

Для примера на рис. 30 приведены ФПМ двух видеорегистраторов и платы видеозахвата компьютерной системы видеонаблюдения. Что бросается в глаза? Прежде всего, модуляция изображения относительно своего исходного значения, равного 1 стала немного меньше, а со значений (100 - 150) твл резко падает до ноля (искажается исходный контраст объекта). При этом плата видеозахвата значительно превосходит видеорегистраторы по предельному разрешению, по четкости, да и максимальный уровень модуляции очень близок к единице.

Рис. 30 - ФПМ двух видеорегистраторов и платы видеозахвата компьютерной системы видеонаблюдения

Но, к сожалению, все эти превосходства не позволяют этой плате видеозахвата работать даже с видеокамерами среднего разрешения 420–470 твл. в связи с тем, что предельное разрешение платы видеозахвата по уровню модуляции 0,1 (контраст 0,18) составляет величину 380 твл.

Поскольку каждый элемент в видеотракте снижает контраст, результирующая ФПМ видеотракта, состоящего из объектива, камеры и платы видеозахвата будет еще хуже, чем ФПМ каждого элемента в отдельности. На рис. 31 как раз представлена сквозная характеристика видеотракта. В результате предельное разрешение составило 300 твл, а четкость – 150 твл при хорошей модуляции на низких частотах.

Рис. 31 - Сквозная характеристика видеотракта

Наверно, именно потому, что разрешение, которое способны обеспечить цифровые системы обработки видеосигнала, имеют такое низкое значение, во всех рекламных проспектах не приводится параметр «разрешающая способность», а появилась очень странная характеристика: «Средний размер кадра на разрешении 768 x 576, ч/б – 7,7 кб». Но ведь разрешение 768 х 576 пикселей говорит нам о том, что в этот кадр можно вывести изображение с разрешением 576 телевизионных линий. Если этот параметр характеризует предельную возможность экранной области, то это вполне возможно, а вот если подразумеваются возможности платы видеозахвата работать с таким разрешением, то этого просто не может быть. А ведь заказчик платит деньги за конкретное разрешение видеокамер, которое, как он надеется, будет и на экране.

Когда мы покупаем магнитофон (усилитель), то в его паспорте читаем: «Полоса частот от 100 Гц до 12000 Гц». И нам абсолютно ясно, что ниже 100 Гц мы ничего не услышим или услышим с искажениями. То же самое касается и частот выше 12000 Гц. Но поскольку мы собираемся слушать только бардовские песни, то нас такой магнитофон (усилитель) устраивает. Но если мы хотим слушать симфонический оркестр, то ищем оборудование с полосой частот 20 Гц – 20 кГц. Почему же когда мы приобретаем видеорегистратор или компьютерную систему видеонаблюдения, у нас нет никаких характеристик, описывающих для какого качества видеосигнала он рассчитан. То же самое касается и объективов.

Создается впечатление, что объективы, видеорегистраторы и т. п. имеют идеальные характеристики, которых с лихвой хватает для работы с любой видеокамерой. В реальной действительности все как раз наоборот. Видеокамеры ушли далеко вперед по качеству создаваемого ими изображения. А вот устройства обработки видеосигналов, объективы являются реальным тормозом на пути к высокому качеству изображения.

Такое положение дел в CCTV отрицательно сказывается на этапах проектирования систем, ну и конечно, на изображении, качество которого невозможно прогнозировать.

Далее >>>