Основные проблемы, связанные с низким уровнем освещенности, включают в себя ухудшение качества изображения, потерю деталей, появление шумов и искажений на видеозаписи. В связи с этим производители систем видеонаблюдения постоянно работают над улучшением светочувствительности видеокамер.
Увеличение светочувствительности видеокамер достигается за счет использования более качественных оптических датчиков, улучшенных алгоритмов обработки изображения, а также использования специальных объективов с большими диафрагмами для пропускания большего количества света на матрицу.
Это позволяет существенно улучшить качество изображения в условиях низкой освещенности и значительно повысить эффективность систем видеонаблюдения в ночное время. В результате видеокамеры становятся более эффективными инструментами обеспечения безопасности как в помещениях, так и на улице.
Для повышения светочувствительности при недостаточной освещенности часто используется ИК-подсветка. Когда уровень освещенности опускается ниже порога, видеокамера автоматически переключается в ночной режим, убирая ИК-фильтр и включая ИК-подсветку. В результате, видеокамера передает черно-белое изображение за счет отраженного излучения ИК-подсветки. Однако, такой подход утрачивает информацию о цвете, что затрудняет идентификацию объектов на записи.
Рис. 1. На черно-белом изображении отсутствует важная информация о цвете
Для улучшения качества изображения в условиях низкой освещенности требуется усилить слабый оптический сигнал и уменьшить шумы. Существует несколько методов, которые помогают усилить слабый сигнал при низких уровнях освещенности:
- применение дополнительного источника освещения;
- получение большего количества света путем увеличения времени накопления заряда в матрице;
- улучшение светопропускания оптических элементов перед матрицей.
Для уменьшения шумов применяются аппаратные и программные методы шумоподавления. Эти методы помогают улучшить качество изображения в условиях низкой освещенности и сделать изображения более четкими и качественными.
Принципы работы технологии Dahua Full-color
Компания Dahua Technology разработала уникальную технологию Full-color для круглосуточного видеонаблюдения в цветном режиме. Эта технология имеет две реализации, каждая из которых предназначена для определенных сценариев применения. Первая реализация технологии Full-color используется в видеокамерах без подсветки. Она обеспечивает отличное качество изображения даже при минимальном освещении, позволяя получать цветное изображение с камеры в любое время суток. Вторая реализация технологии используется в видеокамерах с теплой (LED) подсветкой. Она обеспечивает высококачественное изображение в темное время суток, поддерживая натуральные цвета и контрастность.
Внедрение технологии Full-color без подсветки позволяет усилить сигнал и снизить уровень шумов, обеспечивая получение цветного изображения даже при низкой освещенности. Для достижения этого применяются несколько методов улучшения сигнала, включая передовую матрицу Ultra Starlight с большим размером пикселей, обратной засветкой пикселей и высоким уровнем внутреннего усиления сигнала. Кроме того, используется светосильный объектив с увеличенным отверстием диафрагмы. Благодаря эффективному алгоритму обработки изображений, разработчики смогли минимизировать шумы и артефакты. Однако, ограничением является текущий уровень развития программных и аппаратных технологий. Поэтому рекомендуется использовать такие видеокамеры без подсветки в условиях наличия внешнего освещения, чтобы получить более качественное изображение в цвете с низким уровнем шумов и без артефактов.
В реализации технологии Full-color от Dahua используется LED-подсветка. Эта технология позволяет получать четкое изображение наблюдаемых объектов даже при очень слабом освещении. Когда освещенность понижается до уровня, при котором сигнал становится сопоставимым с шумами, видеокамера автоматически активирует встроенную светодиодную LED-подсветку. Это повышает уровень сигнала и улучшает соотношение сигнал/шум, что позволяет разглядеть объекты на изображении. Технология Dahua Full-color является эффективным решением для сценариев с очень слабым освещением.
Матрица Ultra Starlight
Функции матриц Ultra Starlight, используемых в видеокамерах Dahua Full-color, включают большой размер пикселя, обратную засветку пикселей и высокий коэффициент преобразования при низких уровнях освещенности.
- Большой размер пикселя приводит к увеличению площади фоточувствительной области, что позволяет захватывать больше света за то же время накопления заряда, чем пиксель обычного размера.
- Обратная засветка пикселей означает, что слой с металлической проводкой для считывания сигналов пикселей перемещен под светочувствительный слой. Этот подход обеспечивает более полное использование падающего света и улучшает эффективность светосильных объективов с большой диафрагмой.
- Высокий коэффициент преобразования света в сигнал достигается за счет предусилителя, расположенного в начале сигнальной цепи. Это позволяет уменьшить влияние шумов при последующем усилении сигнала и обеспечить более высокое отношение сигнал/шум.
Рис. 2. Различие между прямой (слева) и обратной (справа) подсветкой
КМОП-матрицы с обратной засветкой обеспечивают значительное улучшение светочувствительности по сравнению с матрицами традиционной структуры. Микролинзы в таких матрицах размещены на поверхности подложки, что позволяет прямому пропуску света на фотодиоды без блокировки металлической проводкой. Это значительно повышает общую эффективность матрицы и ее светочувствительность. В отличие от этого, в матрицах традиционной структуры с прямой засветкой собирающие микролинзы и металлическая проводка на верхней части матрицы блокируют часть падающего света, что снижает общую светочувствительность.
Светосильный объектив (большая диафрагма)
Компания Dahua Technology предлагает видеокамеры с уникальными асферическими гибридными объективами Full-color, обеспечивающими большую диафрагму F1.0 и использование стекла и пластика. По сравнению с обычными объективами с диафрагмой F1.6, они обладают возможностью пропускать в 2.5 раза больше света, что делает изображения более четкими и яркими. Для оптимального использования этого светового потока, подходит матрица с обратной засветкой, например, матрицы Ultra Starlight, о которых говорилось выше.
Диафрагма – ключевая часть объектива видеокамеры, создающая отверстие для прохождения света. Увеличение отверстия диафрагмы увеличивает световой поток, повышая светочувствительность видеокамеры при низком освещении. F-число, или относительное отверстие диафрагмы, обратно связано с эффективным относительным отверстием, где F=f/D. Чем меньше F-число, тем больше света пропускает диафрагма.
Сложность производства объективов возрастает с увеличением отверстия диафрагмы. Для этого требуется большая площадь поверхности линзы и асферический профиль сечения линзы для коррекции сферических аберраций. Для решения этих проблем компания Dahua использует специальные линзы, изготовленные из стекла и пластика. Эти объективы обладают рядом преимуществ, таких как хорошая коррекция аберраций, уменьшенное количество линз, длина и масса, что позволяет экономить материалы и сокращает стоимость. Кроме того, они обеспечивают улучшенное качество изображения, включая более высокое разрешение, лучшую цветопередачу, ИК-коррекцию и коррекцию дисторсий.
Алгоритм шумоподавления 4.0
Для уменьшения шумов, возникающих в процессе формирования и передачи изображения видеокамерой, Dahua Technology применяет собственный алгоритм шумоподавления версии 4.0, использующий двухмерную и трехмерную статистическую информацию. Этот метод позволяет значительно снизить шумы и усилить полезный сигнал без искажения информации. Такой подход позволяет получать четкое цветное изображение ночью и точнее передавать движущиеся объекты. В результате изображение становится более четким, а уровень шума снижается, не приводя к размытию изображения, что значительно улучшает передачу динамичных сцен.
Светодиодная подсветка теплого спектра
Dahua Technology использует светодиодную подсветку теплого спектра с цветовой температурой 3000К для достижения качественного изображения в темноте.
Человеческий глаз более чувствителен к желто-зеленой части видимого спектра, что делает изображения с такой подсветкой более приятными для восприятия. По этой причине использование света с преобладанием желто-зеленого спектра является более безопасным и эффективным для человека, особенно при работе в темное время суток.
Рис. 3. Относительная спектральная световая эффективность для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения
Рис. 4. Примеры цветовой температуры различных источников освещения
Светодиодная подсветка теплого спектра с цветовой температурой 3000К соответствует стандарту EN62471, описывающему фотобиологическую безопасность источников света для человеческого глаза.
EN62471 - это стандарт тестирования источников освещения, используемый в Евросоюзе для оценки опасности светового излучения различных источников. Кроме того, белая подсветка теплого спектра с цветовой температурой 3000К уменьшает синюю спектральную составляющую, которая может быть опасной для зрения. Такая подсветка соответствует требованиям стандарта EN62471 и не представляет опасности для глаз человека.
Результат работы технологии Dahua Full-color
Рис. 5. Съемка обычной видеокамерой
Рис. 6. Съемка видеокамерой Dahua full-color
Выводы
Видеокамеры с технологией Dahua Full-color обладают рядом преимуществ перед обычными видеокамерами без данной технологии. Их яркость, цветность и детализация изображения позволяют обеспечить круглосуточное видеонаблюдение в цветном режиме. В условиях низкой освещенности, таких как складские помещения или ночные улицы, такие видеокамеры обеспечивают четкое и полноцветное изображение, благодаря чему эффективность системы видеонаблюдения на объектах повышается многократно.
IP-видеокамеры Dahua с технологией Full-color
