Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание?
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.
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 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:
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.
6 полезных советов по выбору цифровой видеокамеры
Цифровая видеокамера – отличный помощник в нелёгком деле по сохранению памятных моментов вашей жизни. И если один из них намечается в ближайшее время в виде какого-то торжества или же заслуженной поездки на отдых или в путешествие, то Вы наверняка уже задумывались о необходимости её наличия. Что же, в таком случае стоит обратить своё внимание на несколько полезных советов по выбору данного устройства, представленных в этой статье.
Для большинства современных пользователей, независимо от того, что они могут являться любителями частого туризма и путешествий, или же просто периодически выбираются в красивые или памятные места, возможность запечатлеть различные моменты своей жизни, дабы на долгий период времени сохранить его в своей памяти, является достаточно востребованной. Однако не все из них будут довольны наличием одних лишь фотографий, которые хоть и позволяют сохранить тот самый миг, но всё же не в полной мере могут передавать эмоции и напоминать о пережитых ощущениях.
Именно для таких целей данная категория пользователей чаще всего рассматривает возможность приобретения цифровой видеокамеры. И ведь правда, порой, особенно если это запись такого торжества как день рождения, юбилей или даже свадебные видео, смотреть “живые” записи куда приятнее и интереснее, особенно если у кого-то там побывать не получилось. Ну а для того, чтобы сохранить все эти детали в хорошем качестве, максимально передавая атмосферу заснятого действия, камеры, конечно же, должны обладать рядом высоких показателей в определённых параметрах.
На случай же, если Вы не слишком разбираетесь в данном вопросе, то перед непосредственным приобретением устройства лучше всего будет понять, на какие из аспектов важно обратить внимание, а также рассмотреть возможные различия встречающихся параметров. Именно с этой целью мы и представляем Вам данную статью, которая содержит в себе несколько полезных советов по выбору качественной цифровой видеокамеры.
Типы матрицы
Прежде всего матрица в фото- и видео аппаратуре является одним из самых основных компонентов, представляя собой специальную аналоговую (или же цифро-аналоговую) микросхему, которая состоит из фотодиодов, другими словами являющимися светочувствительными элементами. Её основным предназначением является преобразование попадающей проекции оптического изображения в электрический сигнал или же поток цифровых данных (в зависимости от конструкции). Среди же матриц, используемых в современных видеокамерах можно выделить два наиболее часто встречающихся типа: CMOS и MOS.
CMOS (или же КМОП) расшифровывается как “комплементарная структура метал-оксид-полупроводник” и является самым распространённым видом, а точнее частью большинства цифровых микросхем. Стоимость данной матрицы сравнительно небольшая, так как процесс её производства схож с обычными микросхемами, а потому и не требует отдельно специализированного оборудования, которое бы существенно влияло на рост цены. Также её достоинствами считаются низкий уровень энергопотребления, высокая производительность и плотное размещение элементов.
MOS же в данном случае более молодой среди всех датчиков изображения, доступных на всемирном рынке компонентов для фотоаппаратов и видеокамер. Основная идея, заложенная в создание данного типа матрицы, изначально заключалась в том, чтобы устройство могло предоставлять постоянную и беспрерывную передачу изображения с матрицы на дисплей, и первым делом это было рассчитано именно на “зеркалки”. Естественно, показав хорошие результаты она перекочевала и в видеокамеры. По факту она получила гораздо большую светочувствительность и хорошее быстродействие.
Сравнивать оба типа между собой будет не совсем логично, так как преследуя общую цель они всё же имеют свои явные различия. Однако, стоит отметить, что второй тип, как уже было сказано, достаточно молодой, а значит ему ещё есть куда развиваться. В то время как матрицы типа CMOS являются самыми оптимальными и надёжными на данном этапе развития оптических компонентов.
Стабилизатор изображения
Учитывая тот факт, что такая вещь, как стабилизатор для фото- и видео аппаратуры, просто необходима, стоит помнить, что, если в случае с фотоаппаратами Вы можете его там и не найти, всё же современные видеокамеры без стабилизатора встретить сегодня практически невозможно. Без него весь отснятый вами материал стремится быть дрожащим и плавающим, так как даже если Ваши руки не имеют привычки дёргаться, то при съёмке на ходу колебаний Вы можете просто не избежать. Да, в этом деле может здорово помочь штатив, однако же, если Вы собрались на отдых, то вряд ли целенаправленно его упаковали, не говоря уже о его предварительной покупке.
Как в случае и с матрицами, стабилизаторы изображения бывают нескольких типов, которые по сути, а точнее по предоставляемым результатам могут быть практически неразличимы, а плане съёмки среди них нет какого-то более или менее выделяющихся, но всё же, о них тоже будет полезно узнать. Всего их два, как и в любой оптической технике, и именуются они как электронный и оптический стабилизаторы соответственно.
Принцип работы электронного стабилизатора прежде всего опирается на большой размер матрицы устройства, благодаря которому проецируемое изображение так или иначе остаётся в её пределах и фиксируется в нужный момент. Среди однозначных достоинств такой техники стоит отметить её небольшую стоимость и простоту изготовления. Однако есть у неё и недостатки, которые могут оказать своё влияние на конечный результат отснятого материала. Среди них можно отметить более низкую чувствительность камеры и как следствие “залипание” изображения, ну и вполне естественно при этом будет ожидать появления различных “артефактов”.
Что касается принципа действия системы оптической стабилизации изображения, то тут всё происходит на совершенно ином уровне. Благодаря наличию в конструкции системы подвижных элементов изображение остаётся строго на матрице в практически неподвижном состоянии. Среди явных достоинств такого метода являются куда более удовлетворяющие результаты в плане непосредственной стабилизации изображения, а также более высокая чувствительность камеры, позволяющая предоставить более высокие значения экспозиции. Естественным недостатком такой технологии, в сравнении с предыдущим вариантом, является её высокая цена и большое энергопотребление.
Носитель
Данный параметр, казалось бы, представляет собой наличие внешнего накопителя, на который будет сохраняться отснятый материал, однако выбор его в данном случае дело довольно важное, если Вы, конечно, хотите, чтобы информация записывалась на носитель быстро и качественно, а сам он являлся надёжным. Прежде всего стоит отметить, что по классам карты памяти могут разделяться на Class 2, 4, 6 и 10. Эти цифры являются своеобразным отражением рейтинга скорости работы накопителя, и, естественно, чем выше его класс – тем быстрее будет его отклик в работе.
Следуя всей этой логике, конечно лучше всего будет остановиться на карте памяти десятого класса, при чём желательно с объёмом не менее 16 Гб, а если Вы планируете систематические съёмки, то и куда более этого показателя. Однако, стоит учесть, что в данном случае, как и с любыми другими компонентами срабатывает следующая закономерность: чем выше класс носителя и его скорость, тем он соответственно дороже. Учитывая это, Вы наверняка решите, что лучше всего отталкиваться от бюджета, но всё же при необходимости лучше немного подкопить, но купить хороший и шустрый накопитель.
Важно помнить, что помимо устройств, осуществляющих запись на карты памяти, на международном рынке всё ещё остались модели, способные записывать видео на другие поддерживаемые носители вроде DVD дисков или же встроенного жёсткого HDD диска. Главное в этом случае помнить, что тот или иной метод также влияет не только на обработку и хранение материала, но и непосредственно на его качество.
Зум или же увеличение
Следующим параметром, на который можно и нужно обратить внимание, это именно увеличение, которое позволяет изменять фокусное расстояние до объектов при различных режимах съёмки, вроде общего, мелкого или же наоборот крупного плана. Уже по некой традиции, а особенно если усесть что мы имеем дело с оптической техникой, данный параметр также разделяется на два, уже знакомых нам типа, а именно оптическое и цифровое увеличение. В основном же, особенно при выборе видеокамеры, не стоит искушаться высокими показателями последнего, так как и оптического зума, скажем, в 10-12 будет более чем достаточно.
Наличие ЖК-дисплея
Такой параметр, конечно, можно назвать субъективным, однако ЖК-дисплей, особенно, если он обладает поворотным механизмом, позволит более удобное взаимодействие при съёмке, благодаря выведению видоискателя на экран, что практично при невозможности смотреть непосредственно в него. Да и большинство современных видеокамер уже имеют дисплеи, так что тут, возможно, и выбирать не придётся. Конечно, при желании можно найти как более старые, так и современные модели, которые будут лишены этого преимущества, но при этом и стоимость их может быть гораздо ниже, однако на этот счёт лучше дважды подумать, и всё-таки сопоставить плюсы наличия экрана перед его отсутствием.
Габариты
Ну и последним по порядку, но отнюдь не по значимости показателем можно отметить общие размеры и вес видеокамеры, на которые также важно обратить внимание перед окончательным решением о приобретении. В современных условиях, с приходом на рынок данного сегмента устройств под названием экшн-камеры, понятие о возможных размерах видеокамеры уменьшилось в очередной раз. Однако, если вы остановили своё внимание на полноценной цифровой видеокамере, то важно понимать, что большинство современных моделей сконструированы быть удобными и эргономичными, предоставляя лёгкость в управлении даже одной рукой. Учитывая это, нетрудно понять, что и размеры таких устройств с лёгкостью можно обозначить как компактные, да и в транспортировке они весьма удобные, ведь вес их особо незначителен, а места они занимают немного.
РОЖДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
ЧАСТЬ 2. КМОП-СЕНСОР
Продолжение материала. Начало (часть 1) читайте здесь.
КМОП/CMOS
Отсюда удивление многих фотографов тем, что в современных цифровых камерах сенсор может быть не закрыт от света затвором, например, при смене оптики. Зато у него появляется множество дополнительных возможностей. Недостаток в изначальной медленности процессов, сложности производства, в окружённости фотодатчика огромным количеством управляющих элементов.
Только когда к 1990 году стало ясно, что при больших сенсОрных массивах происходит рассеивание энергии заряда, а перегревом микросхемы стало трудно управлять, технология КМОП «всплыла» в поле зрения исследователей. С проблемой защищённости от статического заряда справились не сразу.
Приведу такое сравнение. ПЗС-матрица подобна площади, заставленной чашками, в которые падают дождевые капли; накопившаяся влага переливается линейно в соседние чашки. И так она достигает самого края площади, где все собирается в большой емкости, где и взвешивается. КМОП-сенсор не собирает воду, а сразу пропускает в трубку, в которой стоит турбина, скорость вращения которой и сообщает о количестве воды.
При получении «ghosts» на фотоплёнке последняя причина (несовершенство тогдашних сенсоров и процессоров. ) заменялась уймой оптических и «химических» проблем при фотопечати. Сенсор бликовал сам по себе, ослеплялся переотражениями от плохого объектива, сдваивал и страивал сигнал. Первые простые CMOS не были защищены от статического электричества, и возникали подобия наложений перевёрнутых элементов изображения, когда они неожиданно из буфера ещё раз (!) сбрасывались в процессор. К тому же и программное обеспечение процессора не было совершенным.
Субмикронная фотолитография, замена кремниевой подложки на алюминиевую, а затем медную, реализация в 1993 году фототранзисторной технологии Active Pixel Sensors с усилителями сигналов, изобретение компанией Sony технологии Exmor в 2008 году — все это сделало КМОП основой современной цифровой фотографии.
Внутри каждого пикселя, под сенсорной поверхностью, расположен усилитель сигнала, ряд преобразователей и ускорителей, передающих уже цифровой сигнал в процессор. При этом важнейшая особенность КМОП — это возможность одновременного полнокадрового прогрессивного считывания всей информации. Считывание не нуждается в накоплении заряда «от соседей», и происходит индивидуально, что открыло возможности зонального считывания, зонального подавления шумов и прочего. Информация собирается в картинку в процессоре.
Теперь, когда при ручной фокусировке мы видим увеличенную в 8-10 раз запрошенную зону изображения, остальные при этом не читаются. Цепочки усиления, буферы и делители позволяют получить сигнал, достаточный для выполнения в каждом пикселе или группе ряда аналитических задач: экспонометрии, баланса белого, фазовой и контрастностной фокусировки.
Структура матрицы Sony Exmor
Стало возможным увеличить диаметр датчика. Чувствительность и динамический диапазон обогнали ПЗС. А нагрев? Поскольку аналоговый сигнал тут же преобразуется в каждом пикселе в цифровой, нагрев отсутствует. Кроме того, как отмечалось выше, основное время КМОП сенсор ждёт, а значит, охлаждается, чему способствует металлическая подложка.
Современные CMOS-сенсоры, в отличие от CCD, построены по слоёной схеме и похожи на этажерку.
Сверху – антимуаровый фильтр. Возможно, вскоре он будет встроен в микролинзу и станет отключаемым произвольно или по команде процессора.
Под антимуаровым фильтром расположены микролинзы переменной формы.
Основные типы CMOS-сенсоров Sony
Произошла ещё одна интересная конверсия: видеосенсор, использовавшийся научным подразделением Sony для непрерывной видеофиксации физических процессов в пузырьковой камере ускорителей элементарных частиц был доработан и превращён в великолепный однодюймовый сенсор для компактных и спортивных камер Sony серии RX!
МОС/Live-MOS
Сенсоры, разработанные компанией Matsushita, применяются в камерах Panasonic и Olympus. Гениальная оптимизация ПЗС позволила уменьшить потери электронов при регистровой передаче. Появилась возможность прогрессивного сканирования изображения, но сигнал от сенсора в процессор идёт аналоговый. Подобные сенсоры очень хороши для видеосъёмки.
Квантовые точки/QuantumFilm
Продолжение материала (часть 3) читайте здесь.