Качество изображения видеокамер из-за ограниченных возможностей их компонентов заметно снижается в условиях недостаточной освещенности, например в темное время суток на улице или в помещениях при отсутствии дополнительных источников освещения. Но отсутствие освещения или недостаточный уровень освещенности ведут к росту уровня преступности. По этой причине повышение светочувствительности видеокамер всегда было одним из ключевых направлений совершенствования для производителей систем видеонаблюдения. Hikvision для этого использует в своих камерах технологию ColorVu, а Dahua Technology разработала собственную технологию Full-color.
Наиболее распространенное решение для повышения светочувствительности при недостаточной освещенности заключается в применении ИК-подсветки. Когда средний уровень освещенности наблюдаемой сцены опускается ниже заданного порога, видеокамера автоматически переключается в ночной (черно-белый) режим, убирает, находящийся перед матрицей ИК-фильтр, который отсекает инфракрасное излучение, после чего она начинает его воспринимать, и включает ИК-подсветку. В результате видеокамера передает черно-белое изображение, которое формируется в основном за счет отраженного от объектов излучения ИК-подсветки. Такое изображение позволяет разглядеть детали объектов, находящихся в поле зрения видеокамеры, но его информация о цвете будет полностью утрачена. Это главный недостаток такого подхода, и он серьезно затрудняет использование видеозаписей для идентификации подозреваемых и для других задач общественной безопасности.
Для повышения качества изображения, полученного в условиях низкой освещенности, необходимо усилить слабый оптический сигнал и ослабить шумы. Основные методы, которые применяются для усиления слабого сигнала при низких уровнях освещенности включают в себя следующее:
— использование дополнительного источника освещения (больше света будет отражаться на матрицу видеокамеры),
— получение большего количества света (за счет большего раскрытия диафрагмы или увеличения времени накопления заряда в матрице),
— сокращение потерь света на его пути к матрице (за счет улучшения светопропускания оптических элементов перед матрицей – объектива и ИК-фильтра).
Для ослабления шумов используется аппаратный метод (схема шумоподавления) и программный метод (дополнительный алгоритм шумоподавления).
Принципы работы технологии Dahua Full-color
Были созданы две реализации этой технологии, одна из которых используется в видеокамерах без подсветки, а другая – в видеокамерах с теплой подсветкой. Эти реализации предназначены для разных сценариев применения.
В реализации технологии Full-color без подсветки не только усиливается сигнал, но и ослабляются шумы для получения цветного изображения при слабой освещенности. При этом применяется несколько методов улучшения сигнала – передовая матрица Ultra Starlight (большой размер пикселей, обратная засветка пикселей, высокий уровень внутреннего усиления сигнала пикселей) в сочетании с со светосильным объективом (увеличенное отверстие диафрагмы). Благодаря высокоэффективному алгоритму обработки изображений, разработчики сумели минимизировать шум и артефакты. Основное ограничение здесь накладывает текущий уровень развития программных и аппаратных технологий, поэтому такие видеокамеры без подсветки рекомендуется использовать в случаях, где присутствует какое-то внешнее освещение, для получения более качественного изображения (в цвете, с низким уровнем шумов и без артефактов).
В другой реализации технологии Full-color используется светодиодная подсветка теплых тонов. При понижении освещенности до такого уровня, когда сигнал становится сопоставимым с шумами, видеокамера уже не сможет передать четкое изображение наблюдаемых объектов. В этот момент включается встроенная светодиодная подсветка, которая позволяет повысить уровень сигнала и улучшить соотношение сигнал/шум, после чего уже можно будет разглядеть объекты. Такая реализация технологии лучше всего подходит для сценариев применения с очень слабым освещением.
Матрица Ultra Starlight
Матрицы Ultra Starlight, которые используются в видеокамерах Dahua Full-color, имеют следующие возможности: большой размер пикселя, обратная засветка пикселей и высокий коэффициент преобразования при низких уровнях освещенности.
— Большой размер пикселя за счет увеличения площади фоточувствительной области позволяет получить 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. Такой конструктивный подход обеспечивает более полное использование падающего света и повышает эффективность светосильных объективов с большой диафрагмой.
— Высокий коэффициент преобразования падающего света в сигнал реализован за счет предусилителя, который находится в начале сигнальной цепи, что позволяет уменьшить влияние шумов, возникающих при последующем усилении сигнала и добиться более высокого отношения сигнал/шум.
Светосильный объектив (большая диафрагма)
Компания Dahua Technology устанавливает в видеокамерах Full-color асферические гибридные объективы, в которых используется стекло и пластик, с большой диафрагмой F1.0. По сравнению с объективами с диафрагмой F1.6 они теоретически пропускают в 2.5 раза больше света. Чтобы эффективно использовать этот теоретически возросший световой поток на матрице, она должна быть с обратной засветкой. Диафрагма – это часть объектива, которая создает отверстие, через которое проходит свет. Увеличивая отверстие диафрагмы, мы вместе с тем увеличиваем и световой поток, проходящий через нее, что повышает светочувствительность видеокамеры и ее эффективность при низких уровнях освещенности.
Сложность производства объективов возрастают по мере увеличения отверстия диафрагмы, так как для нее требуется и большая площадь поверхности линзы и асферический профиль сечения линзы (в противном случае сильно возрастают сферические аберрации). Для решения этих проблем в объективах Dahua используются специальные линзы, при производстве которых применяется, как стекло, так и пластик. Эти объективы имеют ряд преимуществ, таких как хорошая коррекция аберраций, уменьшенные количество линз, длина и масса, а это экономит материалы и сокращает стоимость, а также улучшенное качество изображения (в том числе лучше ФПМ, линия пурпурных цветностей, ИК-коррекция и коррекция дисторсий).
Алгоритм шумоподавления 4.0
Чтобы уменьшить шумы, возникающие в процессе формирования и передачей видеокамерой изображения, Dahua Technology применяет собственный алгоритм шумоподавления версии 4.0, который полностью задействует двухмерную и трехмерную статистическую информацию. Благодаря этому удается уменьшить шумы и усилить полезный сигнал без внесения в него ложной информации. Это не только обеспечивает четкое цветное изображение ночью, но и лучше передает движущиеся объекты. В результате изображение получается четким, а уровень шума низким без видимого смазывания, что благоприятно сказывается на передаче динамичных сцен.
Светодиодная подсветка теплого спектра
Dahua Technology использует светодиодную подсветку теплого спектра с цветовой температурой 3000К, которая позволяет получить изображение в темноте и то же время не утомлять глаза.
Пик чувствительности колбочек в сетчатке человеческого глаза, которые задействованы в фотопическом (дневном) зрении, приходится на волны с длиной около 550 нм (желто-зеленая часть видимого спектра), тогда как чувствительность к синей и красной части спектра будет значительно ниже. По этой причине при одинаковом световом потоке (или одинаковой мощности источника освещения) человеческий глаз будет воспринимать свет, где преобладает желто-зеленый спектр как более яркий, чем свет с преобладанием синего спектра, и более эффективно реагировать на его избыток, закрывая зрачок. Соответственно, человеческий глаз будет получать больше света синего спектра, чем желто-зеленого, последний поэтому более безопасен для человека.
Результат работы технологии Dahua Full-color
