Об измерительных свойствах съемочной видео аппаратуры
Предлагаемая статья заимствована со страницы Лаборатории
оптико-физических измерений; тему ведет ст. н. сотрудник Института
Космических Исследований РАН к.т.н. В.А. Ваваев.
Компьютерные видеосистемы,
цифровая обработка изображений, видеопроцессоры, сканирование,
видеокамера, телевизионная камера(или ТВ камера) - это ключевые слова темы,
которая сегодня интересует или касается практически каждого сидящего за
комьютером. Измерительные видеосистемы - отдельный аспект этой темы,которому
посвящена данная статья и страничка в Интернете. В отличие от вещательных
ТВ систем, информационные видеосистемы изначально строятся не под
глаз человека, а сразу под компьютер, т.к. предназначены для различного
вида контроля, поиска, определения количества, качества, подсчетов, расчетов
и т.д., включая последующую архивацию, каталогизацию и много других процессов,
которые существенно облегчают работу и жизнь человека, а то и совсем его
заменяют. При измерениях предполагается, что информация о наблюдаемом объекте
имеет стандартный вид и воспроизводимость другим таким же прибором, который
в этом случае называется измерительным инструментом. Для начала, обсудим
свойства нашего измерительного инструмента.
1.Свойства измерительного инструмента
Любой измерительный инструмент можно характеризовать следующими основными свойствами.- Что измеряет, какую физическую величину и какие её единицы измерения? Существует ли возможность воспроизведения этой единицы по эталонам принятым в Мире.
- В каком диапазоне значений измеряемых величин инструмент работает.
- Какова ошибка измерения по всему диапазону.
- В каких условиях окружающей среды может работать инструмент
(с заданной ошибкой измерений).
Понятие "измерительный инструмент" можно трактовать
достаточно широко. Например, любая стандартная ТВ камера предназначена
для измерения углов между точками (точнее площадками)обозреваемого пространства,
а также для измерения относительной яркости этих точек пространства
(собственно, только в этом заключается процесс получения изображения).
Угол поля зрения, минимальная и максимальная яркости это параметры камеры,которые
характеризуют е? основные свойства. Угловые и яркостные погрешности процесса
съ?мки определяют соответствующее качество воспроизведения изображения
снимаемого объекта. Понятно, что количественные значения этих параметров
определяют область применения и стоимость аппаратуры; любительская фотография
местности на память и фотограмметрическая аэросъемка местности при составлении
точных географических карт требуют разный уровень качества съемочной аппаратуры.
Очевидно, что для паспортизации ТВ камеры,
нужен специальный измерительный инструмент и возможно не один. С помощью
стандартной камеры можно попытаться измерить другие параметры снимаемой
сцены, например, ширину, высоту объекта в сантиметрах(для глубины нужно
две камеры) , количество излучаемого(или отражаемого) объектом света в
Джоулях и какого цвета этот свет(если обычная камера - цветная, то не надейтесь,
что вы увидите на мониторе истинные цвета). Вс? это, при необходимости,
можно измерять и использовать; но нужно, как минимум, градуировать выходные
данные ТВ камеры по этим физическим свойствам. Здесь нам потребуются совсем
другие измерения, приборы и эталоны.
Существует, однако, контингент пользователей,
которые действительно нуждаются в измерительных ТВ камерах.
Астрономы сегодня практически не могут удовлетвориться
наблюдательными свойствами своих инструментов: углы им нужно измерять с
точностью до долей угловой секунды, освещенность от
звезд должна быть измерена и привязана к стандартным эталонам, при этом
общий диапазон освещенностей уже превысил 11 порядков, кроме этого спектральный
состав космических источников дискретизируется полосой в ангстремы.
На земле есть не менее сложные задачи решаемые
с помощью таких камер. Раньше их называли системами технического зрения.
Сейчас измерительная камера на основе ПЗС является типовым периферийным
устройством персонального компьютера; для решения различных задач разрабатываются
специальные программы, стоимость которых, иногда, превышает стоимость оборудования.
В медицине и криминалистике культура использования ТВ камер меняется с наблюдательной на измерительную, т.е. количественные оценки заменяют качественные, что дает возможность фиксировать и систематизировать на изображениях нюансы, которые невозможно обнаружить глазом.
Полагаю, что с ростом компьютерной грамотности
даже в быту дистанционные измерения найдут широкое применение. Однако,
перейдем ближе к нашей теме.
2.Параметры электромагнитного излучения
Какие параметры электромагнитного излучения
(ЭМИ) измеряют с помощью ТВ камер? Дадим три определения.
1) Поток ЭМИ - это количество энергии проходящее через некоторое произвольное пространство в единицу времени, измеряется в [Дж/сек], [Вт] или можно в [фотон/сек]. Если известна длина волны(l) ЭМИ в [м], то энергия одного фотона(Wф) в [Дж]вычисляется очень просто:
Wф = 2*Е-25/l
2) Энергетическая
освещенность - это количество энергии через единичную площадку в единицу
времени. Электронщик назов?т это плотностью потока мощности и будет прав,
но все называют этот параметр: освещенность или облученность(последнее
более правильно). Измеряется в [Вт/кв.м] или [фотон/(кв.м*сек)].
Если Ваша камера работает по точечным источникам
света(например, по звездам), то именно освещенность входного зрачка камеры
Вам предстоит измерить.
3) Энергетическая
яркость - это поток мощности от единичной площадки в единичном телесном
угле. Измеряется в [Вт/(кв.м*стер)] или [фотон/(кв.м*стер)]. В электричестве
нет подходящего аналога, наглядная интерпретация е? вызывает трудности,
поэтому с понятием яркости путаются даже профессионалы. Но параметр заслуживает
внимательного к нему отношения, т.к. именно яркость протяженного предмета
измеряют все приборы с объективом, в том числе и наш глаз. Яркость является
удобным параметром для протяженного излучателя(или отражателя) - реакция
ТВ камеры на яркость абсолютно не зависит от расстояния между излучателем
и ТВ камерой(конечно, при условии, что вы не изменяете параметры камеры,
например, с помощью вариообъектива).
Необходимо отметить, что все параметры ЭМИ относят к какому-либо интервалу спектра. В зависимости от величины используемого при измерениях интервала спектра различают :
- интегральную величину(интегральный поток, интегральная освещенность и т.д.), измеряемую, как правило, в полном интервале спектра чувствительности приемника излучения( ПЗС, фотодиод и др.), с учетом спектрального пропускания стоящих перед ним оптики и фильтров;
- спектральную плотность величины(спектральная плотность потока мощности, спектральная плотность энергетической освещенности и т.д), которую измеряют при монохроматическом излучении(т.е. с очень малой шириной спектра) в каждой точке рабочего диапазона спектра; этот характеристика устанавливает зависимость энергии потока от длины волны ЭМИ.
3.Диапазон значений измеряемой величины
Конкретизируем второе свойство инструмента
-- диапазон измеряемых величин на примере ТВ камеры на основе ПЗС. Из названия
свойства следует, что это минимальная и максимальная величина какого-то
параметра. У камеры два основных параметра: угол обзора и яркость. Угол
обзора (или угол поля зрения) зависит от размеров ПЗС и фокусного расстояния
объектива. Измеряется в угловых градусах. Здесь все ясно и разночтений,
как правило, нет.
Максимальная яркость, обычно, определяется
конечным участком линейной зоны чувствительности ПЗС. Если в поле зрения
присутствуют участки с яркостью, превышающей максимальную, то в лучшем
случае наблюдается ограничение выходного сигнала камеры, в худшем - происходит
растекание (блуминг).
Минимальная яркость, обычно, определяется
при выходном сигнале равном среднеквадратическому значению темнового шума.
Для камер без компенсации неравномерности темнового сигнала достаточно
сделать кадр в полной темноте, определить этот уровень шума и через чувствительность
рассчитать минимальную яркость.
Если взять отношение максимальной яркости
к минимальной, то найдем динамический диапазон. Параметр "динамический
диапазон" удобно применять для приборов с изменяемой чувствительностью.
Например, малокадровая камера на основе ПЗС с регулируемым временем накопления.
Время накопления в ПЗС можно изменять от микросекунд до тысяч секунд, в
такой же пропорции будут изменяться максимальное и минимальное значения
измеряемой яркости, их отношение, при этом, меняется незначительно.
4.Ошибки при измерениях
Обсудим третье свойство инструмента - ошибки при измерениях.
Тема ошибок (или, наоборот, точности) заслуживает отдельной статьи, здесь
коротко обсудим основное положение.
Прежде всего введем одно важное понятие.
Отношение сигнал-шум - это параметр,
который показывает во сколько раз полезный выходной сигнал превышает шумовой
выходной сигнал в данное время, с данного элемента многоэлементного приемника
(не путать с динамическим диапазоном!). Сразу отметим, что через отношение
сигнал-шум определяется минимально возможная ошибка измерения.
Очевидно, что отношение прямо пропорционально
величине полезного сигнала и обратно пропорционально величине шума. Однако,
измерить это отношение не просто, т.к. выходной сигнал всегда является
суммой полезного и шумового сигнала; кроме этого, к сожалению, шум в данном
отношении зависит от самого полезного сигнала. Обычно, эта задача сводится
к определению среднеквадратического значения шума при заданном значении
выходного сигнала, с использованием методов математической статистики.
Сделаем одно практическое замечание. Абсолютно
законно можно сравнить две ТВ камеры одного типа по значениям их шумов,
однако, сравнивать, например, камеры с различными ПЗС (по размеру, по частоте
считывания данных) не совсем корректно, т.к. при одинаковых шумах разработчик
крупноформатной камеры решил более сложную проблему минимизации шумов.
Конечно, с точки зрения потребителя сравнение в любом случае уместно сделать;
тот факт, что шумы растут с увеличением полосы частот( как корень квадратный
из полосы) - это не его проблема, а разработчика(хотя это полезно знать
всем).
5. О параметрах и характеристиках чувствительности.
Сразу уточним терминологию. В российской технической
литературе употребляются два созвучных, но совершенно разных по сути и
единицам измерения термина:
- чувствительность устройства к какой-либо физической величине(к мощности потока, к облученности, к яркости); по сути является параметром, характеризующим передаточную функцию(тангенс угла наклона) свет-сигнал; измеряется, обычно, как вольтовая чувствительность в [В/Вт],[В/(Вт/кв.М],[В/(Вт/(кв.М*стер.))];
- пороговая чувствительность устройства; по сути является параметром, определяющим минимальное значение какой-либо физической величины (мощность, облученность, яркость), на которую еще реагирует(с заданной ошибкой) это устройство; измеряется в [Вт], [Вт/кв.М], [Вт/(кв.М*стер.)]; очевидно, что пороговая чувствительность(Рпор) вычисляется через вольтовую чувствительность(S), если известно какое напряжение выходного сигнала(Uс) нужно подставить в формулу:
Pпор=Uс/S
;
напряжение выбирают разработчики в зависимости от назначения
прибора, однако, принято указывать отношение сигнал-шум,
при котором вычислено Рпор(может быть 1, 2,5,10 или 20lg(Uс/Uш)=46дб и
др); иногда разработчик не указывает отношение, тогда по умолчанию принимается,
что оно равно 1 (если оно больше 1, а в паспорте разработчик это не отметил,
тогда "догадайся мол сама").
6. О пространственном разрешении.
Термин "разрешение" достался электронщикам от
фотографии. Применять это понятие в смысле "разрешение камеры(или сканера)"
нужно с большой осторожностью, т.к. по определению термин характеризует
изображение, а не аппаратуру, создавшую это изображение.
Более правильно применять параметры "предельное
разрешение" и модуляция(или контраст) на какой-либо пространственной частоте.
Модуляционно-частотная характеристика(МЧХ) полностью характеризует свойства
оптического прибора распознавать детали различных размеров в его поле зрения.
По оси абсцисс откладывают пространственную частоту в [парах линий/мм]
или е? отношение к предельной частоте по Найквисту. В радиотехнике существует
полный аналог - амплитудно-частотная характеристика(АЧХ). Дискретные приемники
излучения не могут, в общем случае, различать пространственные частоты
выше предельной по Найквисту: Fпред=1/(2*d ), где d - расстояние между
элементами многоэлементного приемника(для кадрового ПЗС - это одновременно
размер элемента).
Для примера, посмотрим на паспорт ручного
сканера CG-8000T фирмы Mustek, в котором указаны два параметра: ширина
полосы сканирования -105 мм и разрешение - регулируемое от 100 до 800 точек
на дюйм. По объему изображения можно предположить, что в нем используется
линейка ПЗС размером около 410 элементов. Тогда, учитывая вышеизложенное,
можно рассчитать, что его Предельное разрешение составляет 100 dpi, а более
высокое "разрешение" является фактически повышением контраста на
высоких пространственных частотах методом межпиксельной интерполяции.
Выводы сделаете сами.
Термин "координатное разрешение" используется
в том случае, когда с помощью дискретного многоэлементного приемника определяют
расстояния и перемещения (угловые или линейные) значительно меньше размера
между пикселами в этом приемнике. Как правило, это специальные камеры-датчики
для наблюдения за конкретным объектом(звезды - в звездных датчиках, Солнце
- в солнечных датчиках, лазер или лампа - в системах охраны или контроля
перемещений и т.д.); здесь также используется межпиксельная интерполяция,
но уже в строго измерительном смысле. Например, камера, имеющая с расстояния
3 метра предельное разрешение 1мМ(наш глаз имеет аналогичное предельное
разрешение), может в режиме датчика чувствовать перемещение до 1мкМ.
7. Применение световых единиц.
Если бы у меня спросили: " Как измерить цвет предмета?",
я бы попросил сначала дать определение этому понятию, дать единицу измерения.
Ответ, конечно, существует, но он далеко не так прост как вопрос. Вопрос
связан с системой глаз-мозг человека, с возможностью этой системы различать
интенсивность и спектральный состав излучения. Сегодня уже ясно, что в
качестве абсолютного измерителя наш глаз вообще малопригоден, а относительные
измерения с его помощью проводить нужно с большой осторожностью. В настоящее
время, электронные фотоприемники полностью заменили глаз в качестве регистратора
видимого излучения, однако, груз вековых(а иногда тысячелетних, например,
в астрофотометрии) традиций в истории визуальных измерений до сих пор не
позволяет полностью расстаться с методами и единицами световых измерений.
Попытаемся обосновать необходимость и корректность применения световых
параметров для ТВ камер. Начнем с определения световых единиц.
Кандела [кд],[cd] - единица
силы света в системе СИ, относится к числу основных единиц. Действующее
с 1979 года определение: кандела -это сила света в данном направлении источника,
испускающего монохроматическое излучение с длиной волны равной 555 нМ,
энергетическая сила света излучения которого в этом направлении составляет
1/683 [Вт/Стер]. Название и определение единицы, впервые принятой в 1881
году, много раз менялось, в СССР, кроме мировых, были свои рекомендации,
прибавить к этому сложность реализации эталона и мы получаем довольно запутанную
ситуацию с этой единицей. Производные световые единицы: люмен [лм=кд*стер]
- для светового потока, люкс [лк=лм/м^2] - для освещенности. Особенностью
световых единиц является их привязка к визуальным измерениям, а значит
связана со спектральными параметрами глаза. Среднестатистический нормальный
глаз стандартизован через относительную спектральную чувствительность дневного
зрения, при длине волны зеленого света(555 нМ - максимум видности)
чувствительность абсолютизирована в единицах светоотдачи и из определения
эталона равна 683 [лм/Вт]. Очевидно, что за пределами кривой видности
глаза световая единица обращается в нуль независимо от энергетической
величины мощности источника света. Например, при длине волны 650нМ для
регистрации глазом светового потока в 683 люмена требуется 10 Вт энергетической
мощности света, а при 800нМ даже 100 Вт дают нулевой световой поток.
Какие следствия из этих знаний, на какие подводные камни можно налететь? Проследим применение светового параметра в ТВ камере на основе кремниевых ПЗС, которые чувствительны к диапазону длин волн видимого и ближнего ИК излучения (от 0.4 до 1.1 мкМ). Пороговая чувствительность большинства ТВ камер до сих пор дается в люксах, предположим, по умолчанию, что это чувствительность к источнику типа А( Т=2850 град.С). Спектральная мощность излучения этого источника распределяется примерно так: 10% - в видимой области , 15% - ближняя ИК область до 1 мкМ, остальная мощность излучения 75% - в диапазоне от 1 ло 7мкМ. Кремний имеет максимум чувствительности около 750 нм. Реакция камеры на излучение ближнего ИК будет примерно вдвое больше реакции на излучение видимого света, значит пороговая чувствительность в [лк] такой ТВ камеры будет завышена в 3 раза. Таким образом, если спектральная характеристика чувствительности приемника отличается от спектральной чувствительности глаза, мы всегда имеем возможность получить некорректные измерения световых параметров.
Необходимо сделать следующий основной вывод:
световые величины имеет смысл применять тогда, когда требуется оценить(
не будем здесь использовать термин "измерить") результат субъективного
восприятия светового потока глазами человека, в остальных случаях
нам предоставлены широкие возможности энергетических методов и единиц измерения.
Джоуль - он и в Африке Джоуль.
Например, силу света автомобильных ламп имеет смысл измерять
и затем сравнивать именно в световых величинах, т. к. они светят всегда
в глаз. Здесь ситуация обратная, и тоже не совсем ясная. Возьмем
лампы производства СССР 1989 года; на них надпись "12 В, 15 кд"(до
1970 года единица в СССР называлась - свеча). Автолюбители знают, что 15
- это электрическая потребляемая мощность в [Вт]. А где же тогда световой
параметр лампы? Простой расчет показывает, что для обычных ламп накаливания
(световая отдача около 10лм/Вт при угле диаграммы излучения примерно 10
стерадиан) сила света будет численно равна потребляемой мощности;
для галогенных ламп получим существенно большее расхождение, т. к. светоотдача
у них больше. На западе (вероятно, чтобы не путаться) лампы давно
сравнивают по электрической мощности, в России, полагаю, сделают аналогично.
Желающих более подробно обсудить вопросы теории и практики измерительных видеосистем, приглашаем на нашу страницу.