Kamery megapikselowe

Artykuły

W dziedzinie telewizji przemysłowej trudno obecnie znaleźć taki temat na artykuł, który nie byłby mocno wyeksploatowany, żeby nie powiedzieć całkiem zużyty. Dlatego też pisząc o kamerach megapikselowych zdecydowałem się nie mnożyć dalszych opisów, nie podawać kolejnych przykładów zastosowań, lecz skupić cię na ogólnych kierunkach rozwoju tej dziedziny techniki.

Pomysł zbudowania dużej matrycy CCD jest tak stary jak sama matryca i był od dawna wykorzystywany w automatyce przemysłowej oraz w astronomii. Jeszcze w latach 90. zeszłego stulecia pojawiały się wzmianki na temat elementów CCD o rozmiarach 4096 x 4096 pikseli stosowanych w teleskopach astronomicznych, co według skali używanej w fotografii odpowiadałoby 16-nastu megapikselom. W systemach monitoringu wizyjnego pierwsze kamery megapikselowe pojawiły się znacznie później, dopiero wraz ze wzrostem popularności systemów sieciowych. Jest to o tyle zrozumiałe, że w systemach analogowych królowały dwa standardy – NTSC i PAL, które narzucały rozmiary rastra, zgodnego z techniką kolejnoliniowej analizy obrazów telewizyjnych.

Nawet jeśli w tamtej epoce istniałyby kamery megapikselowe, nie byłoby możliwe wyświetlenie wytwarzanych przez nie obrazów, gdyż nie był do tego przystosowany system transmisji sygnałów wizyjnych, zaś monitory nie pozwalały na zmianę częstotliwości odchylania linii i ramki, co byłoby niezbędne do wyświetlenia obrazów o rastrze różniącym się od standardu PAL. Co prawda w momencie upowszechnienia się kolorowych monitorów komputerowych pojawiła się możliwość wyświetlania obrazów o rozdzielczości znacznie wyższej niż dotychczas, ale nadal nie istniały systemy zdolne do transmisji nietypowych sygnałów wizyjnych.

Jeśli zastanowimy się nad tym dokładniej, obowiązujący w Europie standard PAL operował rastrem utworzonym z 625 poziomych linii, z czego pewna, niewielka, część zawarta była w obszarze impulsu gaszącego ramki i w związku z tym nie przenosiła treści obrazu. Liczba efektywnych linii była mniejsza niż 600 i na takim samym poziomie można było oszacować maksymalną rozdzielczość pionową tego standardu. Podobnie przedstawiała się sprawa w osi poziomej obrazu, czyli w przypadku próby oszacowania rozdzielczości pionowej tego standardu. Każda z linii mogła być podzielona na około 800 punktów, co pozwalało wyświetlić na ekranie kineskopu ok. 800 linii pionowych, na przemian czarnych i białych. W praktyce sprawa przedstawiała się nieznacznie gorzej, gdyż różne zjawiska wynikające zarówno z budowy lamp kineskopowych, jak i ze sposobu transmisji zespolonego sygnału wizyjnego, ograniczały ten raster do rozmiarów ok. 768 x 576. Tak więc, optymistycznie licząc, wytworzony w ten sposób raster obrazowy odpowiadałby matrycy o rozmiarach ok. 440 tys. pikseli, czyli 0,44 megapiksela.

Rozdzielczość pozioma obrazu w standardzie PAL z definicji musiała być gorsza od 576 linii, co wynika z opisu zawartego między innymi w Polskiej Normie PN-EN 501327. Dopiero we współczesnej technice monitoringu wizyjnego nastąpiło odejście od określania rozdzielczości poziomej obrazu w tak zwanych liniach telewizyjnych, obecnie operuje się raczej rozmiarami aktywnej części rastra wyrażonymi w pikselach. Można powiedzieć, że popularne ostatnio kamery o rozdzielczości 540 TVL dysponują rastrem odpowiadającym pod względem rozdzielczości dawnemu standardowi PAL.

Pewna część, z resztą bardzo dobrych jakościowo kamer sieciowych, dysponuje jeszcze mniejszym rastrem, mającym rozmiary 659 x 494 pikseli, co odpowiada wielkości matrycy równej 330 tys. pikseli, czyli 0,33 megapiksela. Kamery te są w stanie wytworzyć obraz telewizyjny o rozdzielczości 640 x 480 pikseli, zwanej skrótowo VGA. Według starej nomenklatury oznaczałoby to rozdzielczość na poziomie 470 linii telewizyjnych. Jak widać wszystkim tym konstrukcjom daleko do miana megapikselowych.

Większość kamer o standardowej rozdzielczości (rozumiem przez to kamery z matrycami nie większymi niż 0,44 megapiksela) jest wyposażona w tzw. zoom cyfrowy, czyli w funkcję pozwalającą na elektroniczne powiększanie fragmentu obserwowanej sceny. W praktyce tak pojmowany zoom cyfrowy oferuje bardzo nikłe korzyści użytkowe. Powiększenie fragmentu obrazu oznacza wykorzystanie mniejszej liczby pikseli, a tym samym pogorszenie rozdzielczości obrazu. Efekt jest iluzoryczny, co prawda obserwowane obiekty ulegają powiększeniu, jak to się czasem mówi przybliżeniu, ale rozróżnialność szczegółów nie poprawia się, a ogólne wrażenie co do jakości obrazu jest gorsze niż przed włączeniem funkcji zoom. Nie ma w tym nic dziwnego, tak rozumiane powiększenie obrazu jest równoznaczne ze spojrzeniem na ekran monitora przez szkło powiększające, a to nie może prowadzić do niczego dobrego.

Jak we wszystkich dziedzinach, tak i w telewizji przemysłowej istnieją wyjątki od ogólnych reguł, czego przykładem może być kamera Sony SNC RZ30P dysponująca nietypową matrycą CCD o rozmiarach fizycznych 2,3 x 1,7mm, co w przyjętej, umownej skali dotyczącej przetworników CCD oznacza 1/6”, o wielkości 0,8 megapiksela. Zastosowanie tak małej matrycy, równocześnie dysponującej tak dużą liczbą pikseli, pozwoliło konstruktorom na uzyskanie unikalnych właściwości tej kamery, ale to już jest zupełnie inny temat. Kamera Sony SNC RZ30P stanowi stopień pośredni pomiędzy rozwiązaniami standardowymi a prawdziwymi kamerami megapikselowymi.

Wspomniałem już, że matryca CCD zastosowana w kamerze Sony SNC-RZ30P dysponuje znacznie większą liczbą pikseli w stosunku do matryc w kamerach standardowych, jednakże kamera jako całość nie ma cech urządzenia megapikselowego, gdyż wytwarza obraz w zmodyfikowanym formacie PAL lub VGA. Na czym więc polega cała korzyść? W tym momencie dochodzimy do opisanej wcześniej funkcji zoom, która w tej kamerze ma głębokie uzasadnienie, gdyż w przypadku dwukrotnego lub nawet trzykrotnego powiększenia obrazu, ogólna jego jakość nie ulega pogorszeniu. Pomimo uaktywnienia funkcji zoom, ogólna rozdzielczość obrazu nie ulega pogorszeniu lub pogarsza się tylko nieznacznie.

Kolejnym krokiem w dziele powiększania liczby pikseli w matrycach CCD są kamery określane jako 1,3 megapiksela. Dysponują one przetwornikiem stanowiącym geometryczne złożenie czterech matryc VGA, co odpowiada rozmiarom 1280 x 960 pikseli. Są to dość popularne kamery, dostępne u większości liczących się producentów, takich jak ADI, Axis, IQinVision, Samsung, Sony i wielu innych. Zaletą tych kamer jest relatywnie duża czułość, porównywalna z czułością kamer standardowych, dostępność opcji dzień/noc i innych, typowych funkcji użytkowych, co czyni te kamery doskonałym narzędziem w dziedzinie monitoringu wizyjnego. Przykładami takich kamer mogą być modele Sony SNC CM120P (Rys. 3) i kamery kopułkowe SNC-DM110 i SNC-DM160 tej samej firmy (Rys. 4).

Problemem wyraźnie nasilającym się wraz ze zwiększaniem liczby pikseli w matrycach kamer megapikselowych jest wzrastające zapotrzebowanie na pasmo sieciowe oraz na wymaganą przestrzeń dyskową w rejestratorach wizyjnych. Kamery 1,3 megapiksela stanowią tu rozwiązanie kompromisowe, zapewniające bardzo wyraźną poprawę jakości obrazu z jednoczesnym zachowaniem zapotrzebowania na pasmo i na wymaganą przestrzeń dyskową na akceptowalnym poziomie. Wynika z tego ich wzrastająca popularność wśród projektantów i instalatorów, oraz rosnąca podaż rynkowa ze strony producentów.

Kolejnym zjawiskiem, jakie daje się wyraźnie zauważyć na współczesnym rynku monitoringu wizyjnego jest adaptacja kamer przemysłowych do standardów, typowych dla telewizji domowej, takich jak HD i Full HD. Nazwy te stanowią swoisty żargon marketingowy, ale przyzwyczailiśmy się traktować je jako synonimy rozdzielczości 1280 x 720 pikseli i 1980 x 1080 pikseli. Przykładem kamery megapikselowej o takiej konstrukcji może być model Q1755 firmy Axis, przedstawiony na Rys. 5.

Innym przykładem kamery o zbliżonej rozdzielczości jest model Axis 233M z matrycą 2 megapikselową. Kamera ta może pracować z rozdzielczością mieszczącą się w zakresie od 160 x 120 pikseli do 1600 x 1200 pikseli, co czyni ją niezwykle uniwersalnym narzędziem. Odznacza się ona dość charakterystyczną i łatwo rozpoznawalną linią wzorniczą, typową dla wyrobów firmy Axis.

Kamera Axis 233M odznacza się także relatywnie wysoką czułością, nieodbiegającą od czułości kamer standardowych, a także dysponuje opcjami dzień/noc i innymi funkcjami użytkowymi, typowymi dla kamer przeznaczonych do pracy w systemach monitoringu.

Kolejne modele kamer megapikselowych, na które chciałbym zwrócić Państwa uwagę są zbudowane w oparciu o jeszcze większe matryce, mieszczące się w zakresie od 2 do 5 megapikseli. Przeważnie w konstrukcjach tych nie są już wykorzystywane matryce CCD, lecz CMOS. Wiąże się to z problemami technologicznymi występującymi przy produkcji tak dużych matryc. Technologia CMOS okazuje się nie tyle lepsza, co dogodniejsza do zastosowania. W pierwszych modelach kamer megapikselowych z dużymi matrycami wykorzystywane były przetworniki obrazowe z cyfrowych aparatów fotograficznych, co przyczyniało się do zauważalnego pogorszenia parametrów kamer, gdyż w przetwornikach tych zoptymalizowane były zupełnie inne właściwości, przydatne w aparatach, a zbędne w kamerach, takie jak na przykład poziom szumów przy bardzo długiej ekspozycji obrazu. Dopiero wprowadzenie na rynek przetworników dedykowanych do kamer przemysłowych poprawiło tę sytuację.

Na czym polegają trudności związane z wytworzeniem dużej matrycy CMOS? Otóż, wraz ze wzrostem liczby pikseli maleje wielkość każdego z nich, gdyż na takiej samej lub zbliżonej powierzchni przetwornika musi się ich zmieścić znacznie więcej. Nie da się tu zastosować technik typowych dla małych matryc, mieszczących się w zakresie od 0,8 do2 megapikseli. Zmniejszenie rozmiarów pikseli powoduje pogorszenie ogólnej czułości przetwornika, ponieważ z racji mniejszych rozmiarów absorbują one mniej energii świetlnej. Jest to zjawisko fizyczne, czyli nieuniknione, nie można mu w prosty sposób zaradzić. Wysiłki konstruktorów idą w kierunku zastosowania coraz to doskonalszych materiałów półprzewodnikowych, lecz mimo to kamery z dużymi matrycami odznaczają się zauważalnie niższą czułością.

Osobnym problemem związanym z efektywnym wykorzystaniem rozdzielczości jaką oferują kamery megapikselowe, jest jakość obiektywów, które też muszą odznaczać się znacznie wyższą rozdzielczością optyczną niż to miało miejsce w kamerach o rozdzielczości zbliżonej do VGA. Dodatkowym efektem utrudniającym wykorzystanie kamer megapikselowych o bardzo dużych matrycach jest wzrastające zapotrzebowanie na pasmo sieciowe i na wymaganą przestrzeń dyskową w rejestratorach. wszystko to czyni omawiane kamery mniej przydatnymi do zastosowań praktycznych, niż by to wynikało z niewątpliwej zalety jaką jest wysoka rozdzielczość.

Pomimo tych wszystkich trudności obecnie produkowane są kamery megapikselowe z przetwornikami mieszczącymi się w przedziale od 5 do 16 megapikseli. Typowym przykładem takiej kamery może być model IQeye752 firmy IQinVision, przedstawiony na rys. 7. Kamery z serii IQeye750 produkowane są w przedziale od 2 do 5 megapikseli, a konstruktorom udało się uzyskać wysokie parametry czułościowe, ale jedynie przy rozdzielczości VGA, natomiast przestawienie kamery w tryb wysokiej rozdzielczości wiąże się z pogorszeniem wszystkich parametrów, w tym czułości, maksymalnej liczby klatek na sekundę, możliwości stosowania wysokowydajnych kodeków etc., przy czym szczegółowe dane nie są powszechnie publikowane. Można je znaleźć wyłącznie w specjalistycznych kartach katalogowych, natomiast w materiałach marketingowych są pomijane. Jest to dość typowy chwyt dla większości producentów kamer z dużymi przetwornikami – jeśli nie masz się czym chwalić przemilcz to.

Wielu producentów ma w swojej ofercie kamery megapikselowe o wszystkich opisanych powyżej rozdzielczościach. Dobrym przykładem tego stanu rzeczy jest wycinek karty katalogowej firmy ADI. Przytoczone w nim dane są potwierdzeniem zasad i tendencji, typowych dla większości kamer megapikselowych.

Jak widać, zastosowane w tych kamerach przetworniki mają relatywnie duże rozmiary fizyczne, określane jako 1/2”, co w praktyce oznacza 6,4 x 4,8 mm. Rozmiary pojedynczych pikseli są różne, w zależności od wielkości matrycy, zaś czułość maleje wraz ze wzrostem liczby pikseli.

Pomimo wszystkich niedogodności związanych ze stosowaniem kamer megapikselowych, ich popularność stale rośnie. Oferują one tak unikalne, dotychczas niedostępne funkcje użytkowe, jak możliwość uzyskania opcji PTZ bez stosowania elementów ruchomych, możliwość stosowania opcji PTZ na materiale pochodzącym z rejestracji, a także możliwość rozpoznawania osób i przedmiotów nawet w przypadku, gdy ich obraz jest bardzo mały w stosunku do całego kadru, etc. Podstawową zaletą kamer megapikselowych jest możliwość zmniejszenia ich liczby w stosunku do kamer standardowych, z zachowaniem tej samej funkcjonalności. Przykładem może być monitoring imprez publicznych, gdzie obserwacja tłumu widzów zaledwie kilkoma stałopozycyjnymi kamerami wyposażonymi w obiektywy o szerokim kącie widzenia, pozwala na zapanowanie nad sytuacją, ponieważ dzięki bardzo wysokiej rozdzielczości obrazu możliwe jest dokonanie powiększenia całej sylwetki, czy nawet twarzy każdego z uczestników imprezy.

Osobną klasę stanowią szybkoobrotowe kamery megapikselowe, które jak dotychczas nie są zbyt szeroko oferowane, jednak pojawiły się już na rynku. Ich cechą charakterystyczną jest wyposażenie w obiektyw zoom o mniejszej krotności niż to miało miejsce w przypadku kamer o standardowej rozdzielczości. Jest to związane z możliwością skutecznego wykorzystywania funkcji elektronicznego zoom oraz z ogólnie wyższą rozdzielczością obrazu, niewymagającą stosowania dużych powiększeń. Na rys. 9 przedstawiona jest przykładowa, megapikselowa kamera szybkoobrotowa firmy Sony (model SNC-HR124), która została zaprezentowana na tegorocznych targach IfSec w Birmingham, a od jesieni 2009 roku dostępna jest na rynku.

Prezentacje i wystawy sprzętu telewizyjnego są przekonujące i należy liczyć się ze wzrostem zainteresowania kamerami megapikselowymi, zarówno wśród projektantów i instalatorów, jak i samych producentów.

Ze względu na jakość fotografii różnica między zaprezentowanymi obrazami wydaje się być niewielka, jednak przy bezpośredniej obserwacji jest bardzo duża. W niezaprzeczalny sposób kamery megapikselowe stanowią przyszłość monitoringu telewizyjnego.

Andrzej Walczyk

Newsletter

• Strona główna
• Kamery IP
• Cenniki
• Archiwum CCTV
• Mapa strony
• Kontakt