Измерение минимальной освещенности -- метод компании Axis

1. Введение

Эта статья детально описывает метод, применяемый компанией Axis для измерения минимального уровня освещенности, требуемого для получения изображений определенного качества сетевыми видеоустройствами, выпускаемыми компанией. Метод, описанный здесь, применяется исключительно для блоков телекамер, разработанных Axis Communications, который основан на стандарте CEA-639 "Работа бытовых видеокамер и телекамер в условиях низкой освещенности".

Метод измерения минимального уровня освещенности от Axis измеряет 4 параметра телекамер:

• Яркость
• Уровень черного
• Отношение "сигнал/шум"
• Разрешение

По каждому из измерений определяется предельное значение уровня освещенности, при котором телекамера уже не может работать. Максимальное из четырех значение фиксируется как минимальное значение уровня освещенности, требуемой для функционирования камеры видеонаблюдения. Это значение представляет собой минимум освещенности, при котором телекамера может работать, сохраняя приемлемое качество видеоизображения, согласно данному методу.

2. Светочувствительность

На светочувствительность телекамеры влияют многие факторы. Среди них: угол развертки, качество объектива, размеры и качество матрицы, степень усиления, время экспозиции (выдержка) и обработка видеоизображения. При использовании нескольких критериев, как это делается методом Axis, компенсировать потерю качества в телекамере за счет усиления и обработки видеоизображения не удается. Например, увеличение уровня усиления может обеспечить увеличение яркости, но может увеличить и видеошумы.

Светочувствительность может быть оценена количественно несколькими различными методами, некоторые из них приведены ниже:

• Для телекамер чувствительность обычно измеряется при фиксированном уровне освещенности в 2 килолюкса (студийное освещение), методом закрытия диафрагмы до того момента, когда будет уже невозможно получить нужное количество различимых строк при заданном соотношении сигнал/шум.
• Пленочные фотоаппараты оцениваются так называемыми скоростями ISO.
• Светочувствительность ПЗС или КМОП-матрицы определяется как количество фотонов, необходимое для фиксации наличия света отдельно взятым пикселом матрицы.
• Для камер видеонаблюдения обычно требуется уровень минимальной освещенности. Это уровень освещенности, требуемый для получения видеоизображения определенного качества, что достигается указанием значения диафрагмы либо ИРИ (уровень последнего обычно 30, 50 или 70). Для полного описания требуется весь набор значений: диафрагмы, цветовой температуры, приемлемого уровня яркости белого, степени усиления и отношения сигнал/шум.

3. Физические понятия

• Самое важное понятие -- освещенность, измеряемая в люксах (лк). Освещенность описывает количество видимого света, падающего на единицу площади, расположенную в данной точке пространства. Важно заметить, что освещенность учитывает спектральную характеристику чувствительности человеческого глаза, и поэтому энергия электромагнитных волн инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов этой величиной не учитываются. Освещенность также может измеряться в фут-свечах: 1 люкс это 10,76 фут-свечей. (Обратите внимание, что 1лк может быть представлен как 1 метр-свеча).
• Этот тип измерения подразумевает свет, полученный от источников накаливания, т.е. того же спектрального состава, что и солнечный -- нити накаливания в обычных или галогеновых лампах.
• Для этого типа света должна быть указана и цветовая температура. Она должна соотноситься с идеальной температурой нити накаливания.

4. Метод измерения минимального уровня освещенности от Axis: краткое описание

1. Телекамера должна использовать установки по умолчанию, если иное не оговорено отдельно. При использовании иных установок нужно указать, каких именно, а в первую очередь произвести измерения с установками по умолчанию.
2. Различные тестовые таблицы (TE 153, логарифмическая черно-белая отражающая, TE 182 -- 18 % отражающая, таблица разрешения TE 170) освещаются светом от ламп накаливания с цветовой температурой 3100 +/-200 K, максимальным отклонением освещенности поверхности каждой из таблиц относительно ее центра не более +/-10 %. Спектральный состав освещения не должен меняться в зависимости от уровня освещенности. Освещенность измеряется в геометрическом центре таблицы максимально близко к плоскости таблицы в направлении, параллельном этой плоскости. Камера настраивается таким образом, чтобы таблица заполнила всё пространство кадра.
3. Общее время выдержки не должно превышать 200 микросекунд для любого типа выдержки или интеграции кадра.
4. Таблицы должны находиться строго в фокусе.
5. При намерении использовать в процессе эксплуатации телекамеры инфракрасные фильтры, измерения необходимо проводить также в их присутствии. Отметьте все случаи неправильной цветопередачи, к примеру, участков таблицы TE 153, отражающих инфракрасные лучи.
6. Измерению подлежат 4 величины, приведенные ниже -- для полноцветного режима (не инфракрасного и не монохромного).

 Отмечаются уровни освещенности, при которых каждая из величин опускается ниже порогового значения, а максимальный из четырех уровней определяется, как уровень минимальной освещенности для данной телекамеры. 

• Освещенность: пороговое значение по этому критерию -- падение освещенности ярко-белого участка таблицы TE 153 ниже 50 % от уровня освещенности при полной яркости.
• Уровень черного: порог по данному критерию -- увеличение освещенности черного участка с 2 %-ной отражающей способностью таблицы TE 153 более чем на 5 % относительно освещенности того же участка при полной яркости. Еще один признак достижения порогового значения -- момент, когда телекамера перестает адекватно разделять градации серого.
• Отношение сигнал/шум: отношение яркостного сигнала к шуму (среднеквадратичное отклонение яркости) измеряется по таблице TE 182 и должно составлять более 17 децибел (энергетическое отношение 50:1).
• Разрешение: его значение должно быть более 70 % уровня при полной яркости; измеряется по таблице TE 170.

5. Уточнения, детали

1. Апертура и диафрагма. Диафрагма определяется, как отношение диаметра отверстия объектива (апертуры) к фокусному расстоянию. Так, диафрагма 1/2 означает, что апертура вдвое меньше фокусного расстояния. Уменьшив диафрагму в 1,4 раза, мы вдвое увеличиваем площадь отверстия объектива и, таким образом, вдвое увеличиваем количество света, попадающего на матрицу.
2. Инфракрасные лучи. Инфракрасное излучение допускается описывать минимальным уровнем (рассеянная мощность на единицу площади) либо на определенной длине волны, либо для данного источника ИК-излучения.
3. ИРИ. В системах аналогового телевидения ИРИ представляет собой нормализованную шкалу уровней напряжения, соответствующих амплитуде видеосигнала. Ярко-белому соответствует 100 ИРИ. В формате NTSC черному соответствует 7,5 ИРИ, а в формате PAL черный -- это 0 ИРИ. Обратите внимание, что в аналоговом видео возможны значения ИРИ больше 100 и меньше 0, к примеру, синхроимпульс может иметь отрицательное значение ИРИ. В цифровом видео 0 ИРИ соответствует "цифровому черному", т.е. кодированному сигналу нулевой яркости. 
4. Светочувствительность по ISO. Чувствительность данной кинопленки по ISO -- значение выдержки (произведение освещенности на время), при которой изображение, полученное на пленке, не передержано и не недодержано.
5. Чувствительность матрицы. Для матриц и пленок обычно указывается квантовая эффективность, которая определяет для данной длины волны количество попадающих на элемент матрицы фотонов, необходимое для регистрации факта обнаружения наличия света на данном элементе матрицы.

Компания:  Axis Communications