Цвет и ИК волны. Видеокамеры и объективы.
Сейчас, в начале 21-го века, телевизионные цифровые и сетевые технологии начинают использоваться для обеспечения безопасности не только бизнеса и государства, но и для безопасности жилища, семьи и личности.
Современному городскому жителю Система Охранного Телевидения (СОТ) уже представляется явлением знакомым и привычным. Интуитивно любому понятно, из чего такая система состоять. Это камера, которая «смотрит» на защищаемый объект, какая-то среда, по которой сигнал поступит в пункт наблюдения (например — провода), монитор, в который смотрит охранник и, обязательно, видеорегистратор.
Объектив представляется мало значительным элементом, составной частью камеры. Хотя даже пользуясь пылесосом, понятно, что чистить ковёр и узкую глубокую щель надо с помощью разных насадок. Важно, что сравнительно недорогие конструкции для охранных целей, состоящие из камер и объективов, должна решать задачу более сложную, чем студийные камеры. Они должны работать круглосуточно! И, если камера закреплена на высокой мачте или стене, в термо- и влагозащитном кожухе, регулировать два раза в сутки фокусировку не возможно. Это не относится к дистанционно управляемым камерам, которые можно будет обсудить отдельно.
Хотелось бы отметить, что объективы представляют собой набор линз из прозрачного материала — оптического стекла или хорошего оптического пластика, которые в значительной степени поглощают ультрафиолетовую (УФ) часть излучения, а инфракрасную (ИК) пропускают почти без потерь. ПЗС матрицы современных камер также чувствительны в ИК области спектра. Что обуславливает существенное влияние ИК света на работу СОТ.
До того, как обсуждать, какими могут быть объективы и камеры, обеспечивающие приемлемое качество изображения, хотелось бы остановиться на терминологии, касающейся электромагнитных волн, света, восприятия и воспроизведение цвета.
На рис. 1 Представлена часть спектра электромагнитных волн по обе стороны видимого диапазона. Следует помнить, что справа от этого отрезка лежат все традиционные радиоволны – от УКВ до сверх длинных, а слева, жесткий рентген и гамма-кванты.
На верхней шкале указаны и длины волн и частоты. Для того чтобы яснее понимать масштаб явлений, связанных с любым участком диапазона электромагнитных волн, желательно ориентироваться и в длинах волн и в частотах.
Старшее поколение привыкало к радиоприёмникам, шкалы которых были проградуированы в метрах; с полосами ДВ, СВ, КВ и УКВ. Молодое же поколение отлично знает, что «в Bluetooth и WiFi используется нелицензируемый, повсеместно доступный диапазон 2,4 ГГц». Если вспомнить, что скорость света — это триста тысяч км/с, то понятно, что частоте 300КГц соответствует волна длиной 1км; 300МГц – 1м.
Ещё 20 лет назад крыши всех московских домов украшали антенны, направленные на Останкинскую башню. Размеры этих антенн демонстрировали, что вещание советского телевидения производилось на метровых волнах. А WiFi работает вблизи границы дециметровых и сантиметровых волн. При этих «вычислениях» можно округлять и ошибаться в полтора – два раза, важен только порядок, чтобы не ошибаться в 10 и более раз.
И ещё, по поводу длин волн. В СМИ появились сообщения о создании новой досмотровой техники на «Т-волнах». Может возникнуть впечатление, что в начале 21 века открыт новый тип излучения, подобно тому, как после великого открытия Рентгена, которое он скромно назвал X-лучами, много раз «открывали», а потом закрывали разные, например N-лучи. Так вот, техника и технология излучения, приёма, обработки и визуализации наверняка новые, но T-волны, это просто Терагерцовый диапазон электромагнитных волн, или субмиллиметровый от 300 до 30мкм. Это часть более широкого диапазона, который по-английски называется microwaves, а в русской технической литературе — СВЧ. Субмиллиметровый диапазон переходит непосредственно в длинноволновую часть ИК. Здесь возникает забавный терминологический парадокс – короткие и ультракороткие радиоволны оказываются гораздо длиннее, чем длинные оптические волны инфракрасного диапазона.
Обсудим теперь диапазон видимых волн и, в первую очередь названия цветов, и разночтения в этих названиях.
В русском языке существуют мнемонические фразы, помогающие запомнить последовательность цветов в радуге, например: «Как Однажды Жан Звонарь Головой Свалил Фонарь» или «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан». Вторая фраза более известна, а первая – смешнее, и, по моему должна лучше запоминаться.
Когда Сэр Исаак Ньютон открыл разложение белого света на призме и объяснил появление радуги, он вначале увидел пять цветов. Позже, по аналогии с музыкальной октавой, выделил семь. Это Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet. (Richard Of York Gave Battle In Vain) Но, с другой стороны, встречается информация, что англоязычные зрители видят в радуге шесть цветов, видимо потому, что Blue означает по-русски два разных цвета. Некоторые разночтения есть и по поводу границ видимого диапазона. В некоторых источниках приводится от 400 до 800 нм, в некоторых от 400 до 700, иногда от 380 до 760. Но это разночтение не связано с индивидуальными или возрастными различиями, вроде возрастной тугоухости в физиологической акустике. Скорее это связано с методами оценки. В справочно-рекламных материалах монохроматические импульсные источники света с длиной волны 404нм называются фиолетовыми, а с длиной 375нм – уже ультрафиолетовыми.
Молекулы пигмента в «Синих» колбочках имеют максимум чувствительности на 430 нм, но есть существенный хвост даже в УФ области. Но, к счастью, хрусталик глаза задерживает ультрафиолет почти полностью, предохраняя сетчатку, но мутнея с возрастом. Если кто-то из читателей заинтересуется физиологией зрения и цвета и оптическими приборами, можно порекомендовать книгу Татьяны Николаевны Хацевич. «Медицинские оптические приборы, Физиологическая оптика» Новосибирск, 1998.
Так что же такое цвет??
Представим себе такую установку. За небольшим матовым стеклом расположены три монохроматических источника света с длинами волн 470, 550 и 630, с регулируемой яркостью каждого, например три светодиода, токи которых можно регулировать. Условно разобьём яркость каждого диода на 256 уровней, от нуля (не светится) до максимума, который примем за 255 единиц. Если теперь, например, установить красный диод на яркость 200 единиц, зелёный на 64, а синий тоже на 200, мы получим свечение, соответствующее цвету платья Мишель Обамы, цвет фуксии. (В стандарте HTML Fuchsia – FF00FF). Точно также работает каждый пиксель Вашего монитора или телевизора, где роль матового стёклышка играет расстояние от глаза до монитора, которое не позволяет различить свечение отдельных разноцветных крупинок люминофора.
Самое главное, что никаких лучей «цвета фуксии» не существует. И если длина волны вполне физическая величина, которую можно померить прибором, то ЦВЕТ, понятие ТОЛЬКО физиологическое. Цвет фуксии, сливовый, баклажанный, и тем более, кирпичные, коричневые, бурые тона, не существуют нигде, кроме затылочной коры больших полушарий. Но и, конечно, на палитрах художников и в колерных книжках. которые до сих пор есть маляров — профессионалов. В излучении Вашего монитора есть только три волны с частотами (длинами волн) трёх люминофоров и они не смешиваются ни в матовом стекле, ни в прозрачных средах глаза, ни даже в колбочковом аппарате сетчатки. Если сравнивать восприятие высоты звукового тона и цвета, то звук определяется частотой, и аккорд это однозначное сочетание чистых тонов. Цвет имеет бесконечное число вариантов представления, и однозначен только внутри строго определённого стандарта, например в RGB. Это обусловлено тем, что хотя более 80% информации об окружающем мире мы получаем по зрительному каналу, частотная избирательность звукового гораздо выше.
Любопытно, на какие частоты «настроены» пигменты в колбочках, которые должны воспринимать красный, зелёный и синие цвета. (гениальную гипотезу о трёхцветном зрении высказал ещё Михайло Васильевич Ломоносов) — это 560, 530 и 430нм. Первая цифра особенно поразительна, максимум отклика колбочки, которая отвечает за красный цвет, лежит в зелёной области!! Так что вся красно-жёлто-зелёная палитра формируется в затылочной коре путём сравнения откликов от «Красных» и «Зелёных» колбочек. На рис. 2 приведены спектральные отклики красных зелёных и синих колбочек
Очень любопытные открытия сделаны в последнее время в области зрения птиц.
Оказалось, их зрение четырёх цветное. В колбочках присутствует четвёртый пигмент, чувствительный к ближнему ультрафиолету, причём пики чувствительности, расположены равномернее, чем у человека и гораздо более крутая.(здесь под крутизной понимается не современная эмоциональная оценка, а конкретная физическая величина, измеряемая, например, в дБ/Октаву). Палитра птиц должна быть в тысячи раз богаче, чем у художников. И возможно, что, например самцы и самки ворон, которых люди видят одинаково чёрными, воспринимают друг друга с разной и яркой ультрафиолетовой окраской оперения!
В Интернете есть занимательное и очень полезное приложение: http://yandex.ru/yandsearch?text=цвет. Если в поисковой строке набрать название цвета, например «коричневый цвет», то попадаешь в палитру с названиями ближайших цветов и в цветовой круг, точнее в кольцо насыщенных цветов. Ниже находятся окошки, в которых стоят цифры, показывающие, с какой силой должны светиться красный, зелёный и синий люминофоры (RGB), чтобы сформировать интересующий Вас цвет.
Главное достоинство этой игрушки, что любознательный пользователь может сам задать в этих окошках числа от 0 до 255 и получить любой доступный аддитивный RGB цвет. В самом нижнем окошке просто повторены числа RGB, но в 16-ричной системе счисления, ff –это 255. Ещё более наглядно цвета представлены в следующих трёх окошках. Это система представления цветности HUE (Тон, Насыщенность, Яркость). Если в последнем окошке(V%) стоит 0, это чёрный цвет, вне зависимости от остальных значений. Если в предпоследнем(S%) и в последнем окошках стоят 100% — это область (кольцо) насыщенных цветов, а число в первом окошке, это просто угол в градусах на данный цвет из белого центра. Например, 0°, 100%, 100%, или, что то же самое 360°, 100%, 100% — это чисто красный; это 255, 0, 0 в RGB координатах. Под углом 60° лежит жёлтый цвет, под 120° зелёный, под 240° — синий. Это область Монохроматических цветов, цветов радуги. Далее идут цвета, получаемые смешением в разных соотношениях красного и синего. Они называются: лиловый, пурпурный, сиреневый, вишнёвый, малиновый, карминно-красный и т.п. Этих цветов в радуге нет. Можно отметить, что трёхцветное зрение человека адекватно должно быть представлено в трёхмерном пространстве, и изображение всех цветов на одной плоскости всегда носит несколько искусственный характер. Зрение птиц – четырёхмерно!
Внимательный читатель уже, наверное, заметил, что в рассуждениях мы потеряли монохроматический фиолетовый цвет. Простейшая причина, почему мы пользуемся RGB, а не RGV системой – чисто техническая. Когда возникало цветное телевидение, не было фиолетовых светодиодов и люминофоров. Но оказалось, это и не очень принципиально. Поскольку в области голубого и более коротковолнового спектра свет ощущают практически только «синие» колбочки, глаз плохо различает эти цвета друг от друга, и его легко обмануть, предъявив похожую смесь. Например, приложение от Яндекса, под фиолетовым понимает смесь RGB 139, 0, 255 (273°, 100%, 100%) , а в одном из англоязычных источников – Violet – 238, 82, 238; то есть глазу предъявляется смесь, где к синему и красному примешено ещё процентов тридцать зелёного. Вот Вам и «чистый» цвет.
Опытные переводчики знают, что переводить названия цветов с языка на язык, надо крайне аккуратно, похожие слова на разных языках могут иметь разные значения. Например, Magenta – ближе всего к пурпурному, а к русскому Маренго отношения не имеет. А Purple, созвучный с русским пурпур, наоборот лиловый (вспомните «Deep Purple»). Cyan, скорее бирюзовый или аквамариновый, чем голубой, а Navy Blue , как мне кажется, лежит где-то между синим и тёмно синим. Чтобы не возникло впечатления, что выше изложена существенная часть систем представления цветности, можно упомянуть субстрактивную систему CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key), которая используется в типографских системах и принтерах. Под «ключевым цветом» имеется ввиду просто чёрный краситель. Другая версия происхождения буквы «K» — black. Система называется Субстрактивной, потому что на бумаге цвета вычитаются, а в Аддитивной на экране монитора – складываются. Подробную и понятную статью про цвета и их восприятия можно прочитать: http://youzhick.livejournal.com/174815.html.
В компактных и относительно недорогих одноматричных цветных камерах систем охранного телевидения, используется, как правило, комплиментарный мозаичный фильтр с ячейками дополнительных друг другу Cyan, Magenta, Yellow, Green цветов. При этом яркостной и цветоразностные сигналы формируются непосредственно в сдвиговом регистре ПЗС матрицы. Про устройство такого фильтра можно прочитать, например, в книге Владо Домьяновски «CCTV, Библия Видеонаблюдения Цифровые и Сетевые Технологии» М, 2006.
Теперь можно уже перейти непосредственно к видеокамерам и объективам, в частности, к возможному влиянию инфракрасного света, попадающего на матрицу.
Видеокамеры с точки зрения чувствительности и возможностей круглосуточной работы бывают:
1. Чёрно-белые видеокамеры.
Сразу несколько слов о неточности этого термина. Чёрно-белый прибор может передавать только белый и чёрный цвета, чёрные текст и графику на белой бумаге, например, факс. Правильнее говорить о монохромных камерах. Но здесь не должно возникнуть разночтений. Когда мы говорим о чёрно-белых камерах, или о чёрно-белых фотографиях, мы понимаем, что цвета нет, но воспроизводятся градации серого цвета.
Чёрно-белые камеры, как правило, имеют чувствительность на порядки выше, чем цветные камеры. Это, в частности, объясняется чувствительностью ПЗС матрицы в ИК-области. Это порождает одну особенность, которую надо учитывать, при анализе чёрно-белых изображений.
Яркости объектов, которые наш глаз видит одинаковыми, на изображениях выглядят разными, и наоборот. Это связано с различающимися яркостями в ИК-диапазоне, и, особенно касается тех объектов, которые глаз видит чёрными. Например, из двух человек в чёрной одежде один может выглядеть светлым, а другой тёмным, в зависимости от материала. Чёрная шерсть лучше поглощает ИК волны, а джинсовая ткань больше отражает.
Существуют специальные видеокамеры, чувствительность которых повышена в красной и ближней инфракрасной областях спектра (рис. 3).
Разница в чувствительности в красной области может быть 6 и более дБ. ИК чувствительные видеокамеры особенно эффективно использовать при некоторых условия окружающей среды (дождь, снег, туман, сумерки). Это связано с тем, что ИК свет, как длинноволновый меньше рассеивается на каплях, пылинках и кристаллах.
Полезны также такие камеры, когда ограничены возможности искусственного освещения или когда видеонаблюдение желательно проводить незаметно. Особенно они эффективны при использовании ИК подсветки.
Требования к объективам для чёрно-белых камер выше, чем для цветных.
Это связано с одним из искажений, вносимым линзами, оптическими элементами объективов — Хроматической Аберрацией. Дело в том, что показатель преломления стекла немного зависит от длины волны. Собственно говоря, именно это свойство стеклянной призмы и позволило Ньютону наблюдать радугу.
В объективах это приводит к тому, что фокусные расстояния для различных цветов различаются. Если не предпринимать специальных мер, это приводит к тому, что изображение размывается. Это схематически показано на рис. 4.
В хороших фото объективах используются специальные приёмы для компенсации хроматической аберрации.
Они заключаются, например, в подборе пар линз (оптических стёкол) имеющих разные знаки спектральной зависимости. В одной показатель преломления растёт с длиной волны, а в другой – падает.
Но в фотоаппаратах это касается, естественно, только видимого диапазона. В настоящее время на рынках CCTV появляются объективы с надписью «IR-corrected lens». Условно это показано на рис. 5.
2. Цветные видеокамеры.
Для них необходимо предусмотреть устранение ИК составляющей света для правильной цветопередачи. Для этого используется специальный оптически элемент, который называется ИК режекторный (отрезающий) фильтр (IR cut filter или Optical Low Pass Filter). Если такого фильтра нет, или он недостаточно эффективен, часть ИК энергии достигает матрицы и вызывает избыточную засветку «жёлтых» и «пурпурных» пикселей. Это нарушает цветопередачу, в частности может проявляться в том, что чёрные объекты будут казаться тёмно-красными. Цветные камеры всегда обладают меньшей чувствительностью, чем чёрно-белые.
На рисунках 6.1 и 6.2 показана одна и та же сцена при освещении естественным светом с ИК фильтрами разного качества.
3. Камеры типа ДЕНЬ–НОЧЬ.
Это современные камеры, популярность которых сейчас растёт. Они сочетают в себе достоинства двух предыдущих типов. При достаточной освещённости она работает как высококачественная цветная камера, а при сгущении сумерек, при определённой освещённости, определяемой пользователем, переходит в чёрно-белый режим с высокой чувствительностью. Это, кстати, аналогично работе зрительного анализатора человеческого глаза.
При уменьшении освещённости до приблизительно одного — трёх люксов колбочковый аппарат полностью выключается, и человек переходит в чёрно-белый, палочковый режим зрения (в темноте все кошки серы). При переходе из чёрно-белого в цветной режим, автоматика камеры вводит в световой поток от объектива ИК фильтр. И наоборот, удаляет его при обратном переходе. В автоматический контур слежения за освещённостью обязательно вводится задержка, от нескольких до первых десятков секунд. Это делается для того, чтобы исключить срабатывание при кратковременных изменениях освещённости, и, главное, для исключения режимов автогенерации. Такие режимы иногда происходят в контуре управления автодиафрагмами объективов при неудачном подборе параметров камеры и объектива и режим самопроизвольно меняется с частотами до нескольких раз в секунду.
Требования к объективам для камер День – Ночь не менее жесткие, чем для чёрно-белых камер.
ИК корректирующие объективы с монохромными и День – Ночь камерами обеспечивают контрастное изображение, поскольку весь свет сфокусирован в плоскости ПЗС матрицы. В результате, изображение будет чётким, на большую глубину, по сравнению со стандартными объективами.
Здесь уместно привести спектры излучения некоторых распространённых источников света.
Не только Солнечный свет содержит в себе ИК-излучение, а также многие искусственные источники, особенно галогенные. Но также и обыкновенные лампы накаливания излучают существенное количество ИК света. См. рис. 7, 8 и 9.
И когда объект освещается смесью видимого и ИК света, возможно получить существенное улучшение воспроизводимого изображения без замены камеры, а только за счёт замены объектива.
Некоторые источники света совсем не содержат ИК излучения, например флюорисцентные, натриевые лампы высокого давления (которые излучают характерный жёлтый свет в уличных фонарях), лампы высокого давления на парaх ртути, используемых на автомагистралях.
При изменении условий освещённости могут возникнуть проблемы. Например, дорога освещалась ртутными лампами (источник не содержат ИК излучения), но взошло солнце, которое излучает и ИК свет.
Главный вывод из всего вышеизложенного – для того, чтобы правильно выбрать тип видеокамеры для вашей системы и, что не менее важно, тип объектива, вам, кроме чёткого представления о геометрии наблюдаемой сцены и о решаемых задачах (например, важен ли Вам цвет), необходимо знать круглосуточные условия освещения этой сцены.
Леонид Маркович Антокольский
Ведущий специалист компании «Аквилон-А»
Если у Вас возникли вопросы, наши технические эксперты с удовольствием проконсультируют Вас.
Задайте вопрос и закажите оборудование!
Источник