+7 (495) 234-32-12
пн-пт с 9.30 до 18.00

Корзина пуста

Все системы безопасности в одном центре
Продажа Доставка по России Монтаж Обслуживание
Поиск по каталогу

Люксы и децибелы. Особенности измерения чувствительности видеокамер

Статья печатается в авторской редакции

В одном из печатных изданий по безопасности, в рекламных материалах, я увидел следующее числовое значение: Чувствительность видеокамеры 0.000002 лк. Из контекста было ясно, что идёт речь о чувствительности специальной высокочувствительной ПЗС камеры без ЭОП. Как обычно, никаких указаний, по поводу того, при каких допущениях производилось измерение чувствительности, не приводилось. Не было также указаний, идёт речь об освещённости на наблюдаемом объекте или на матрице видеокамеры. У меня есть существенные подозрения, что в этой цифре просто опечатка - лишний ноль после запятой.

2*10-6. А программисты обычно пишут: 2E-06. Вообще, диапазон освещённостей, в котором приходится работать глазам и видеокамерам, простирается от 10 5 люкс (безоблачный солнечный день на широте Москвы) до 5•10 -5 люкс (безлунная облачная ночь). Единица для относительных измерений, удобная, когда диапазон изменений измеряемых величин составляет много порядков, давно известна и широко используется в акустике. Это децибел. А в телевидении динамический диапазон и отношение сигнал/шум уже принято измерять в децибелах, так что здесь пойдёт речь, не о внедрении чего-то принципиально нового, а только о расширении использования децибельных представлений в области телевидения.

Следует только обратить внимание на некоторую разницу в формировании отклика ПЗС матрицы (видикона, глаза) и отклика микрофона, гидрофона и любой электромагнитной антенны. Предположим, на некоем постоянном сопротивлении падало напряжение U0, а затем оно удвоилось. Напряжение возросло на 20lg U/U0 =6дБ. Ток, текущий через это сопротивление тоже возрастёт вдвое и тоже на 6дБ. При этом, мощность, рассеивающаяся на этом сопротивлении возрастёт в 4 раза, на 10lg P/P0 =6дБ.

Тут уместно привести задачу, которую обязательно задаёт студентам любой лектор, вводящий понятие децибела: На кухне у хозяйки шумит примус с интенсивностью 80дБ. Входит вторая хозяйка, и заводит второй точно такой же примус. Какая будет интенсивность шума на кухне? Правильно, 83Дб! в соответствии с законом сохранения, ЭНЕРГИЯ удвоится!

На выходе любого преобразователя формируется электрический сигнал, который и измеряется в процессе метрологических исследований. И принципиально важно, какому параметру входного сигнала пропорционален выходной электрический. Так, например, напряжение на выходе микрофона пропорционально звуковому давлению, на выходе векторного приёмника сигналы пропорциональны давлению и колебательным скоростям, на выходе антенны напряжение пропорционально вектору электрической индукции. Во всех этих случаях выходной электрический сигнал пропорционален линейному параметру входящего поля, и если давление возросло на 6дБ, то и напряжение на выходе микрофона возрастёт на 6дБ (в 2 раза). С ПЗС матрицей дело обстоит несколько иначе. Электронный отклик пикселя матрицы, то есть в конечном итоге ток, пропорционален числу фотонов, попавших на этот пиксель, пропорционален энергии; пропорционален освещённости.

Здесь будет уместно ещё раз напомнить, что понятие освещённости, величины измеренной люксметром, прибором, спектральная характеристика которого максимально приближена к спектральной характеристике человеческого глаза, строго говоря применимо только к характеристикам цветных камер. Для специальных высокочувствительных видеокамер, приборов ночного видения, и т.п. корректнее использовать не фотометрические, а энергетические (радиометрические) единицы или просто число фотонов [1], [2].

Представляется возможным и целесообразным использовать представление освещённостей в относительных, логарифмических единицах. Это позволит максимально просто рассчитывать весь оптический и электронный тракт используя арифметические действия сложения и вычитания вместо умножения и деления и умножение вместо возведения в степень. Тем более, что динамические диапазоны, уже приведены в децибелах. Для корректного расчёта, освещённости в децибелах следует вводить как:

EдБ=20lg E/E0

Хотя, на первый взгляд, число 20 представляется не логичным для освещённости, которая является энергетической величиной, но именно такое определение даст правильный результат: увеличение или уменьшение освещённости в 10 раз, на 20дБ, вызовет увеличение (уменьшение) тока считывания матрицы или видикона на 20дБ (в 10 раз). Теперь, должен возникнуть вопрос, какую освещённость принять за ноль децибел. В принципе, это выбор достаточно произволен, вопрос только в удобстве. Проще, если почти все употребительные уровни будут выражаться положительными числами (как, например, градусы Фаренгейта на территории США, кроме Аляски. Например, у Владо Дамьяновски [4] шкала освещённостей начинается с 0.0001лк (Тёмная облачная ночь) Попробуем принять за ноль именно эту величину.

Тогда таблица, приведенная в [5] будет выглядеть так:

Табл. 1

На улице (широта Москвы)  
Безоблачный солнечный день 100 000 лк = 180дБ
Солнечный день с легкими облаками 70 000 лк = 177дБ
Пасмурный день 20 000 лк = 166дБ
Ранее утро 500 лк = 134дБ
Сумерки 0.1 - 4 лк = 60 - 92дБ
"Белые ночи"* 0.01 - 0.1 лк = 40 - 60дБ
Ясная ночь, полная луна 0,02 лк = 46дБ
Ночь, луна в облаках 0,007 лк = 37дБ
Темная облачная ночь 0,00005 лк = -6дБ
В помещении  
Помещение без окон 100 - 200 лк = 120 - 126дБ
Хорошо освещенное помещение 200 - 1000 лк = 126 - 140дБ

* - "Белые ночи" - условия освещенности, удовлетворяющие гражданским сумеркам, т.е. когда солнце погружается под горизонт без учёта атмосферной рефракции не более чем на 6° . Это справедливо для Санкт-Петербурга. Для Москвы выполняются условия так называемых "навигационных белых ночей", т.е. когда диск солнца погружается под горизонт не более чем на 12°.

Весь диапазон, в котором приходится вести видеонаблюдение, составляет 186 дБ. В качестве экстремального значения можно привести "освещённость" соответствующую попытке направить видеокамеру прямо на диск солнца 108лк или 240дБ, а рекламная цифра, с которой начинается статья соответствует -34дБ.
Посмотрим теперь, как посчитать ослабление света объективом. В известной формуле, связывающей освещённости на объекте съёмки и на матрице

Eпзс=Eсц·π·v·τ/4F²

v - коэффициент отражения света от объекта, точнее альбедо
τ - коэффициент пропускания объектива
F - F-число, обратно пропорциональное относительному отверстию

(невезучая формула - вроде бы простая и логичная, но в [4] стр. 40, (27) в типографии забыли черту дроби, а в [2], формула (2) забыли "Пи").

Прологарифмировав обе части, получим:

Eпзс=Eсц+10+v+τ-12-2F

Здесь, естественно, все величины в децибелах.
Приведём примеры расчёта.

Если альбедо 0.5 (-6дБ), пропускание 0.88(-1дБ), F число 1.4 (3дБ)
получим: Eпзс=Eсц-6-1-2-2·3=Eсц-15дБ.
Освещённость на матрице, в данном случае, меньше освещённости объекта на 15 дб или в 5.6 раза.

В случае, если видеонаблюдение производится вне помещения, или в помещении с большими окнами, одной из важнейших функцией объектива - уменьшение избыточного количества световой энергии попадающей на матрицу. К сожалению, очень немногие производители объективов указывают в паспортах на свои изделия максимальное F-число.
Но вот, например, объектив TS10V518AED с переменным фокусным расстоянием 5 ÷ 50мм, F-число изменяется в пределах 1.8 - 360 (5 - 51дБ).
Предположим, например, что камера работает в Солнечный день с легкими облаками. Диафрагма объектива максимально закрыта. Тогда:

Eпзс=177-6-1-2-2·51=66дБ

или, возвращаясь обратно от нашей условной шкалы: 0.2лк.

Весь диапазон освещённостей, в котором должна работать хорошая уличная, но не фантастическая камера составляет примерно 180-37=143дБ (от яркого Солнца до луны в облаках). Объектив с указанными выше характеристиками (это очень хороший объектив, сильно уменьшающий свою апертуру) может отработать верхнюю часть требуемого диапазона. Его динамический диапазон составляет 2(51-5)=92дБ. Тогда на долю самой камеры, её систем АРУ и Электронного Затвора остаётся 51дБ (355раз). Это вполне реальная цифра, обеспечиваемая даже камерами среднего качества. Другое дело, что тут мы жестко упираемся в физический нижний край динамического диапазона системы - в собственные шумы ПЗС матрицы [2]. Предположим, например, что камера работает в Лунную Ночь с облаками. Диафрагма объектива максимально открыта. Тогда:

Eпзс=37-6-1-2-2·5=18дБ (0.0008лк)

Если производитель обещает такую чувствительность камеры на матрице, надо очень внимательно разбираться, при каких условиях такая величина получена. Например, для какого уровня снижения амплитуды видеосигнала производилось измерение. Используется ли межкадровое накопление. Если время накопления составляет десятки минут, мы должны понимать, что мы имеем шанс рассмотреть только неподвижные предметы. А главная задача систем охранного телевидения это всё-таки обнаружение движущихся нарушителей!

Одно важно замечание, по поводу варифокальных объективов: Уменьшение относительного отверстия (Увеличение F) может быть обусловлено двумя механизмами, уменьшением апертуры или увеличением фокального расстояния (уменьшением телесного угла, в пределах которого собирается световая энергия). Поскольку при проектировании систем охранного телевидения камерой должен охватываться определённый участок территории, систему камера-объектив рассчитывают на определённый угол зрения (или диапазон углов). Поэтому, для правильной оценки, желательно знать четыре значения F-числа при полностью открытой и максимально закрытой диафрагме и при максимальном и минимальном фокусном расстоянии.

Теперь обсудим самый главный метрологический вопрос, возникающий в любой системе измерения - вопрос ТОЧНОСТИ. Все приведённые выше децибельные формулы чрезвычайно просты. Они заключаются в сложении и вычитании, в крайнем случае умножения на два, ЦЕЛЫХ чисел (вычисления доступны ученикам вторых - третьих классов). Может возникнуть впечатление, что эти расчёты слишком грубые. На самом деле, я берусь утверждать, что при любых практических фотометрических (радиометрических) измерениях, точность лучше 1Дб не только недостижима, но и не нужна. Если камера работает при лёгких облаках, вышедшее солнышко не должно нарушить работу системы. (Другое дело, если объектив направить прямо на солнечный диск (Eсц=240дБ),
матрицу может и хорошо закрытый объектив не спасти). Если камера плохо работает при освещённости 20дБ, то, скорее всего, при освещённости 18дБ, она ещё хуже, но будет работать. А при 22дБ только чуть-чуть лучше. В конце концов, альбедо, которое входит в наши расчётные формулы, может отличаться например от лица блондинки до лица афроафриканца на 6 - 8дБ. Саму точность тоже логичнее указывать в децибелах. Например, чувствительность камеры на матрице 18±3дБ.

Ниже приведена таблица перевода относительных единиц в децибелы. Точность, с которой таблиц позволяет производить вычисления, составляет 0.1 дБ или примерно 1 процент. При переводе, естественно, децибелы надо складывать и вычитать, а разы умножать и делить. Например, если надо перевести в разы 4.7 дБ надо 1.58·1.084=1.71раза. Приводить 3-ий знак после точки бессмысленно, точность не превышает одного процента.

Табл. 2
Люксы и дециБелы

Подводя итоги, попробуем ответить на следующие три вопроса:

1. Можно ли измерять освещённость и производить фотометрические расчёты в децибелах? Очевидно, что да, можно, причём расчёт очень прост.

2. Удобно ли считать в децибелах? Удобство в значительной степени вопрос привычки. Если бы исходные освещённости и чувствительности камер уже были бы приведены в децибелах, это сильно упростило бы задачу. Имея перед глазами таблицу 2, легко переводить линейные единицы в логарифмические и наоборот. Очень часто бывает нужно оценить величины с точностью до двоичного порядка, то есть до 6дБ. То есть ошибиться в два раза допустимо, а в 10 - нежелательно. Для таких расчётов достаточно запомнить 4 цифры, 2 строчки внизу. Например, освещённость 0.002лк=0.0001·10·2 что соответствует 0+20+6=26дБ. Так что вопрос удобства каждый вычислитель выбирает для себя.

3. Станет ли децибельное представление в фотометрии если не общеупотребительным, то хотя бы распространённым? - Скорее всего нет.

Открытие логарифмов в 17веке, удлинило, по выражению Лапласа, жизнь астрономов. Не могу не привести пример, упрощения вычислений. Вопрос, на сколько отличаются частоты вызываемые нажатием любых двух соседних рояльных клавиш? При равномерно темперированном строе, на октаву (изменение частоты в два раза) приходится 12 одинаковых ступеней(12 клавиш) тогда на одну ступень приходится изменение частоты в корень двенадцатой степени из двух. Извлечение такого корня весьма копотное занятие. Хотя музыканты, точнее музыкальные теоретики, прекрасно знают это значение и в разах и в Центах. Цент, кстати, также как и децибел, логарифмическая единица, только гораздо более мелкая. Октава это 1200 Центов или 6 дБ. Так вот, одна двенадцатая октавы составляет 0.5 Дб или примерно 1.059раза.

Интуитивно хочется, чтобы освещённости, также как и ноты были бы "хорошо темперированы" то есть, чтобы все ступени были бы одинаковыми. В СниП 23 - 05 - 95 рекомендованы следующие ступени освещённости: 0.2; 0.3; 0.5;1;2;...5000лк. Всего 33 ступени. Ниже предпринята попытка разложить этот же диапазон, на такое же число ступеней, но более равномерно.

Табл. 3
Люксы и дециБелы

В первом столбце указаны нормированные значения освещёностей в соответствии со СниПами (нехорошо темперированные) Во втором - эти же значения в децибелах. В третьем - разности между соседними значениями. Понятно, что разность между полу люксом и люксом, и между люксом и двумя, составляет два раза или 6дБ. тогда как разность в двух нижних строчках таблицы составляет только около одного децибела. Два последних столбца представляют собой попытку предложить равномерную шкалу в децибелах и снова в люксах.

Список использованной литературы

1. Крутик М.И., Майоров В.П. "Люмены, Канделы, Ватты и Фотоны. Различные единицы - различные результаты измерения чувствительности телевизионных камер на основе ЭОП и ПЗС" "Специальная техника" №5, 2002г.

2. Уваров Н. "Секреты высокой чувствительности ТВ камер" Алгоритм безопасности №6, 2002г.

3. Тейлор Р. "Шум" М, мир 1978

4. Владо Дамьяновски "CCTV, Библия видеонаблюдения, цифровые и сетевые технологии" М, ООО "Ай-Эс-Эс Пресс" 2006г.

5. Неизвестный С.И., Никулин О.Е. "Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС" "Специальная техника" №5, 1999г.

Автор статьи: Антокольский Л.М.
Главный инженер ООО «АйТиМаксима»

Задайте вопрос и закажите оборудование!