TV przemysłowa / CCTV

Systemy alarmowe

Kontrola dostępu

Kamery sportowe

Partnerzy LC Security

Kamery online

Kamery CCTV - matryce

Kamery CCTV to zdecydowanie najważniejsze elementy każdego systemu telewizji przemysłowej. W zależności od techniki budowy systemu CCTV kamery przemysłowe stanowią połowę całkowitych kosztów inwestycji (monitoring IP) lub jedną trzecią (analogowy system CCTV). Mało kto skupia się na budowie kamer przemysłowych, a najczęściej branym pod uwagę parametrem technicznym tego typu urządzeń jest zdolność rozdzielcza. Często niedocenianym i niezauważalnym lecz bardzo ważnym elementem każdej kamery CCTV jest jej światłoczuła matryca. To właśnie od tego elementu budowy w ogromnej mierze zależy jakość generowanych przez kamery obrazów. Podstawy technologii stosowanych w dotychczasowych matrycach sięgają początku lat 70. XX wieku. Nic więc dziwnego, że to właśnie matryce przetworników są obecnie głównym rozwijalnym elementem kamer przemysłowych. W niniejszym artykule przyjrzę się poszczególnym parametrom matryc, w celu opisania ich wpływu na jakość otrzymywanych przy ich pomocy obrazów.

Czym jest matryca?

Jest to podstawowe pytanie na które należy udzielić dokładnej odpowiedzi przed omawianiem wpływu matryc na jakość obrazów generowanych przez kamery przemysłowe. Matryca to najczęściej krzemowa płytka zbudowana z dużej ilości elementów światłoczułych, zwanych potocznie pikselami. Elementy światłoczułe matryc odpowiadają za wyłapywanie światła w postaci dających na nie fotonów. Następnie padające na matrycę fotony w wyniku tak zwanego zjawiska efektu fotoelektrycznego wewnętrznego powodują uwolnienie elektronów, które następnie magazynowane są w kondensatorach. Im dłużej trwa ekspozycja, tym większa ilość elektronów zostaje zmagazynowana w kondensatorach. Zgromadzone w ten sposób ładunki informują o natężeniu światła padającego na dany piksel, co pozwala na dokładane określenie jasności dla każdego pikselu znajdującego się na matrycy. W tak skonstruowanym układzie nie otrzymujemy informacji na temat koloru danego piksela. W celu uzyskania barw przed matrycą światłoczułą umieszcza się specjalny filtr barwny typu RGB. Zastosowanie filtru sprawia, że na dany piksel pada tylko światło o spektrum odpowiadającemu konkretnej barwie (czerwony, zielony, niebieski) co umożliwia zbudowanie kolorowego obrazu. To właśnie ten element sprawia, że kamery kolorowe często cechują się gorszą zdolnością rozdzielczą niż kamery monochromatyczne. Więcej słów na ten temat w dalszej części artykułu.

Rodzaje matryc kamer CCTV

Obecnie większość współczesnych kamer przemysłowych korzysta z dwóch rodzajów matryc: CCD (Charge-Coupled Device) lub CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Oba te skróty odnoszą się jedynie do zastosowanych technologii, a nie do samych matryc. Obie te technologie korzystają z tego samego zjawiska fotoelektrycznego i działają na bardzo podobnej zasadzie. Najistotniejsza różnica pomiędzy technologią CCD a CMOS polega na sposobie przetwarzania.

W matrycach wykonanych w technologii CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) każdy z pikseli matrycy posiada swój własny wzmacniacz oraz specjalny rejestr odczytu, który w każdej chwili pozwala na odczytanie wartości danego piksela. Nieco inaczej wygląda sytuacja w przypadku matryc typu CCD, gdzie piksele nie posiadają indywidualnych wzmacniaczy i rejestrów, a sam odczyt wartości pikseli prowadzony jest wierszami bądź kolumnami. Różnice pomiędzy obiema technologiami sprawiają, że matryce typu CMOS są szybsze od CCD. Ponadto, matryce CMOS cechują się także niższym poborem mocy niż CCD. Dodatkowo ze względu na stosowanie popularnych półprzewodników koszty związane z produkcją matryc CMOS są zdecydowanie niższe niż matryc wykonanych w technologii CCD. Jednakże, pomimo tych kilku zalet większość współczesnych kamer przemysłowych wyposażanych jest w przetworniki obrazu typu CCD. Dlaczego matryce CCD są częściej stosowane niż matryce CMOS? Przede wszystkim wynika to z faktu, iż matryce wykonane w technologii CMOS zdecydowanie gorzej radzą sobie w warunkach słabego oświetlenia. Dzieje się tak między innymi dlatego, iż duża część matrycy CMOS zajęta jest przez elektronikę, co ogranicza dostęp wiązek światła. Ponadto, mała powierzchnia czynna matryc CMOS sprawia, że posiadają one niższą zdolność rozdzielczą niż matryce typu CCD. Biorąc pod uwagę matrycę CMOS i CCD o takiej samej wielkości można zauważyć, że rozdzielczość obrazów w przypadku CCD jest zdecydowanie lepsza.

Stosunkowo niedawno na rynku kamer do telewizji przemysłowej pojawiła się nowa grupa matryc oznaczona akronimem DSP (Digital Pixel System). Technika DSP jest technologią całkowicie cyfrową. DSP analizuje rejestrowany obraz w całkowicie odmienny od matryc CCD i CMOS sposób. W przypadku technologii DSP światło padające na matrycę zostaje poddane wielokrotnemu próbkowaniu, co pozwala na ustalenie maksymalnego czasu ładowania dla każdego z pikseli. W technologii DSP wszystkie informacje magazynowane są do czasu potrzebnego do naładowania pojedynczego piksela. W matrycach DSP każdy z pikseli traktowany jest jako niezależna kamera, która posiada swój indywidualny czas ekspozycji. Zastosowanie techniki DSP pozwala na zwiększenie zakresu dynamiki kamery, dzięki czemu jest ona w stanie rejestrować zdecydowanie większą ilość szczegółów. Dotyczy to zarówno obrazów jasnych jak i ciemnych. Zapewne w najbliższej przyszłości technologia DSP zastąpi dotychczasowe technologie CMOS i CCD.

Rozmiary matryc kamer CCTV

We współczesnych kamerach przemysłowych najczęściej mamy do czynienia z matrycami o wielkości 1/3” i 1/4”. Oczywiście dostępne są także matryce o innych rozmiarach takich jak 1/3”, 1/2" czy też 2/3”. Jakie znaczenie ma wielkość matrycy? Na co konkretnie wpływa wielkość matrycy? Podstawowym elementem budowy kamery na który wpływa wielkość matrycy jest obiektyw. Każdy obiektyw CCTV musi być odpowiednio dopasowany do wielkości zastosowanej w kamerze matrycy. Można zastosować obiektyw przeznaczony dla kamer o większej matrycy w kamerach, w których zastosowano mniejszą matrycę, jednakże zaowocuje to wyświetleniem mniejszego fragmentu obrazu, co może wpłynąć na jakość prowadzonej obserwacji. Przykładowo zastosowanie obiektywu o ogniskowej rzędu 3,5mm w kamerze posiadającej przetwornik obrazu o wielkości matrycy 1/3” pozwoli na obserwację szerszego obszaru niż w przypadku kamery z matrycą o wielkości 1/4”. W tym momencie należy zadać sobie pytanie – jaki wpływ ma wielkość zastosowanej w kamerze przemysłowej matrycy na jakość generowanych przez nią obrazów? Jak już wcześniej wspomniałem wielkość matrycy ma znaczący wpływ na jakość obrazów generowanych przez kamery przemysłowe. Szczególnie widoczne jest to w sytuacjach kiedy na matrycach o niewielkich rozmiarach chcemy uzyskać wysoką rozdzielczość obrazów, co bezpośrednio wiąże się z umieszczeniem na matrycy większej ilości elementów światłoczułych. W przypadku małych matryc w wyniku umieszczenia większej ilości elementów światłoczułych dochodzi do zjawiska pogorszenia czułości na światło oraz generacji większej ilości szumów. Podsumowując wpływ wielkości matrycy na jakość obrazów można jednoznacznie stwierdzić, że większe matryce nie tylko dostarczają nam obrazy o lepszej rozdzielczości ale także generują mniej szumów, przez co obrazy posiadają zdecydowanie wyższą jakość.

Elementy optyczne przed matrycą kamery CCTV

Ze wszystkimi matrycami niezależnie od ich technologii wykonania współpracują specjalne elementy optyczne, które umieszczane są przed nimi (tzw. filtry). Najważniejszym z filtrów umieszczanych przed matrycami są filtry barwne zwane powszechnie siatką Bayera. Filtry tego typu umożliwiają uzyskanie kolorowych obrazów. Jednakże stosowanie tego typu filtrów posiada pewne wady. To właśnie ze względu na stosowanie filtrów barwnych, zdolność rozdzielcza kamer kolorowych jest nieco niższa niż kamer monochromatycznych, w których nie stosuje się filtrów barwnych. W wyniku użycia filtru dla uzyskania informacji barwnej dla każdego z pikseli obrazu konieczne jest odczytanie natężenia w czterech elementach światłoczułych RGBG. Z tego też względu w matrycach kamer kolorowych występuje zdecydowanie więcej elementów światłoczułych niż ma to miejsce w przypadku matryc kamer czarno-białych. Filtry barwne to nie jedyne elementy umieszczane przed matrycami kamer CCTV. Poza filtrami barwnymi przed matrycą umieszcza się także tak zwane filtry dolnoprzepustowe, do których zalicza się filtr podczerwieni. W przypadku pracy w warunkach dziennych światło z zakresu podczerwieni niesie ze sobą niepotrzebne zakłócenia, które negatywnie wpływają na jakość obrazów generowanych przez kamery CCTV. Filtr podczerwieni odpowiedzialny jest za wycięcie pasma podczerwieni, w wyniku czego kamera wytwarza obrazy o lepszej kolorystyce i jakości. Ponadto, filtr podczerwieni zmniejsza ilość światła docierającego do matrycy, przez co obniża się jej czułość na światło. W przypadku kamer przemysłowych typu dzień/noc filtr podczerwieni automatycznie się odsuwa, dzięki czemu kamery mogą rejestrować obrazy w warunkach bardzo niskiego poziomu oświetlenia. Ponadto, odsunięcie filtru podczerwieni umożliwia stosowanie reflektorów IR, dzięki którym kamery mogą pracować nawet przy całkowitym braku oświetlenia obserwowanej sceny.

Poprawa jakości matryc kamer CCTV

Matryce do kamer CCTV są cały czas w procesie rozwojowym. Obecnie wiele firm pracuje nad poprawą jakości matryc do kamer przemysłowych. Niektóre z nich stosują unikalne rozwiązania jakości obrazu generowanego przez przetworniki analogowo-cyfrowe. Pierwszym krokiem w poprawie jakości matryc do kamer CCTV było stworzenie matryc typu Super CCD. W przypadku matryc typu Super CCD elementy światłoczułe zostały skonstruowane w postaci kwadratów i obrócone o 45 stopni, co pozwoliło na uzyskanie większej zdolności rozdzielczej w stosunku do zwykłych matryc typu CCD. Obecnie wiodącym i mającym największy wpływ na jakość matryc do kamer CCTV producentem jest firma SONY. Sony w swoich najnowszych matrycach stosuje technologię HAD (Hole Accumulation Diode), zapewniającą większą redukcję szumów oraz zdecydowanie lepsze odwzorowanie kolorystyki. Ponadto, firma Sony pracuje obecnie także nad wprowadzeniem technologii mającej na celu zapewnienie większej światłoczułości. Powoli raczkuje także technologia Foveon X3, która pozwala na rejestrację kolorowego obrazu za pomocą pojedynczego elementu światłoczułego. Poprawa jakości matryc do kamer przemysłowych jest obecnie jednym z najważniejszych elementów, który w przyszłości wpłynie na kierunek rozwoju systemów telewizji przemysłowej.