Приложение А (справочное). Определение контраста, глубины модуляции, люкса, спектральной характеристики чувствительности матрицы, светосилы объектива, понятие чувствительности

Приложение А
(справочное)

Определение контраста, глубины модуляции, люкса, спектральной характеристики чувствительности матрицы, светосилы объектива, понятие чувствительности

Глубина модуляции определяется как:

;

где: - яркость объекта,

- яркость фона.

Контраст определяется как:

где: - яркость объекта,

- яркость фона.

Примечание - измерение контраста и глубины модуляции проводить на фоне "белого".

Глубина модуляции показывает, какой контраст объекта относительно среднего значения яркостей объекта и фона.

Чувствительность зависит от отношения сигнал/шум, спектра излучения осветителя, относительного отверстия объектива (F-отношение фокусного расстояния к диаметру зрачка), количества кадров в секунду, получаемого при регистрации видеоизображения, разрешения в ТВЛ.

Не связывая их вместе нельзя корректно дать определение чувствительности, что создает почву для различных спекуляций и завышения такого параметра как чувствительность камеры.

Отношение сигнал/шум (S/N Ratio, Signal/Noise) - это отношение максимального уровня сигнала (уровень "белого" поля тестовой таблицы или уровень "черного" поля тестовой таблицы) к уровню шума матрицы и остальных электронных компонентов видеокамеры. Необходимо проводить измерение уровня шума матрицы как на уровне "черного", так и на уровне "белого", поскольку уровни шумов в общем случае отличаются друг от друга при этих измерениях. При этом за истинное значение шума следует принимать его большее значение.

Отношение сигнал/шум характеризует "количество" шума, присутствующего в видеосигнале. Связано это с тем, что максимальный уровень сигнала в видеокамере имеет постоянную величину, поддерживаемую системой АРУ и имеющую значение 0,7 В, а собственные шумы могут иметь различные значения. Чем больше отношение сигнал/шум, тем меньше шума присутствует в видеосигнале и тем лучше изображение на мониторе.

Измерение чувствительности камеры в люксах

Измерение светового потока в люксах пришло к нам из фотографии, т.е. это световой поток в спектре, видимый человеком (обычно 0,4-0,7 мкм). Измерение этого потока производят люксметром.

Если говорить строго, то люкс = люмен/м, где люмен - мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению, которое оно производит на глаз, т.е. мощность монохромного излучения с длиной волны 555 нм.

В свою очередь люмен = 1 кд/4 л,

где, кандела - сила света в данном направлении от источника монохроматического излучения с частотой (555 нм), и имеет интенсивность излучения в этом направлении, равную 1/683 Вт в телесном угле, равном одному стерадиану.

Однако современные ПЗС имеют чувствительность, существенно сдвинутую в инфракрасную область (особенно это ярко проявляется для ч/б камер). Спектральные характеристики чувствительности ПЗС и человеческого глаза приведены ниже.

Поэтому измерение чувствительности в люксах не учитывает реальные спектральные характеристики излучения источника света и спектральные характеристики чувствительности матриц камер.

Более корректное понятие чувствительности можно получить, понимая под этим понятием отношение энергии электрического сигнала в единицу времени (после матрицы камеры) к энергии оптического излучения, попадающего на матрицу в единицу времени от излучателя. Тогда под чувствительностью можно понимать . излучения.

Для корректного определения . излучения необходимо учитывать энергию фотонов на разных длинах волн (поскольку, , где h-постоянная планка, с - скорость света, lambda - длина волны). Из-за кропотливости измерений данная методика определения чувствительности находит применение только в лабораторных условиях.

Поэтому допускается проведение измерения чувствительности в люксах с обязательным предоставлением спектральных характеристик, как источника излучения, так и спектральных характеристик матрицы (при использовании объектива необходимо учитывать сквозную спектральную характеристику камеры с учетом спектральных характеристик объектива).

Светосила объектива

Светосила объектива - эффективная апертура объектива (D), деленная на его фокусное расстояние (f).

Поскольку светосила - это почти всегда небольшая десятичная дробь D/f меньше 1 она трудна в практическом использовании. На практике используется обратная величина, F=f/D.

Обмен разрешающей способности или количество кадров/сек на чувствительность

Чувствительность порядка люкс и ниже, как правило, в настоящее время можно получить только за счет обмена разрешающей способности (уменьшение количество ТВЛ от исходного значения) на чувствительность, или за счет увеличения времени накопления камеры (т. е. снижения количества кадров/сек). Иногда используют тот и другой метод одновременно. Естественно, камеры разных производителей в "ночном" режиме надо сравнивать при одинаковых параметрах по разрешению и частоте кадров.

При невозможности получения одинаковых параметров накопления, их необходимо пересчитать к единым значениям. В большинстве случаев накопление приводит к росту уровня полезного сигнала по закону квадратного корня (т.е. каждые 100 сложений улучшают соотношение сигнал/шум только в 10 раз). Данное рассуждение верно, если накопление происходит после выходного устройства матрицы.

Технически более грамотным решением, является решение производить накопление в самой матрице, до того как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В этом случае соотношение сигнал/шум растет линейно в зависимости от количества сложений.