Размер матрицы видеокамеры какой лучше?

Как влияет размер матрицы видеокамеры на качество съёмки?

Добрый день, дорогие читатели, сегодняшняя статья точно заинтересует любителей профессиональной и любительской видеосъемки, ведь речь в ней пойдет о самых важных составляющих цифровой видеокамеры. Если режиссер хочет справиться со своей задачей на 5+, отснять превосходный, качественный материал, то ему стоит узнать о важности микросхем для камеры, какой размер матрицы видеокамеры существует и на какой из них нужно остановить свой выбор.

Технологическая начинка видеокамеры

Когда меня спрашивают, на какие технические параметры и компоненты стоит обращать внимание при выборе видеокамеры, то я отвечаю, что для каждой камеры (аналоговой, цифровой, HD) существует единая стандартная база. Именно эти компоненты играют важнейшую роль в качестве съемки, работоспособности и мощности аппарата.

Думаю, вам тоже будет интересно узнать о них:

• Объектив – составляющая видеокамеры, отвечающая за собирание и передачу визуализированной картинки на чувствительную к свету матрицу;
• Матрица – компонент, преобразующий переданный объективом оптический луч в электрический импульс;
• Обрабатывающий и передающий видеосигнал процессор, помогающий перемещать электрический импульс на различные устройства записывания и просмотра.

Конечно же, технологический прогресс развивается со скоростью света, поэтому функционал камер значительно расширился. Ответ на вопрос, из чего состоит цифровая видеокамера, не может быть однозначным, ведь различные бренды выпускают аппараты с различным набором компонентов.

В расширенный компонентный набор может входить:

• ИК-подсветка, отвечающая за качество получаемого изображения в темноте;
• Поворотный механизм, позволяющий с легкостью управлять подвижными камерами;
• Центральный процессор, в котором располагаются интеллектуальные модули, детекторы движения, происходит обработка и сжатие HD-качества;
• Кратный зум – встречается двух видов, оптический и цифровой. Для любительской видеосъемки больше подходит оптический ZOOM. В данном случае оптика выполняет функцию приближения или удаления получаемого изображения без потери качества. Увеличение в цифровом зуме происходит уже после съемки путем обрезания материала;
• Универсальный корпус, выполняющий функцию защиты от влаги, ударов и других внешних негативных факторов, способных нарушить функциональность устройства;
• Фиксирующий, записывающий, передающий звуковые эффекты встроенный аудиомикрофон;
• Модуль хранения материала на карте памяти, а также блокировка записи на носитель;
• Датчики тревоги;
• Сетевой интерфейс.

Благодаря этим составляющим каждый желающий может отснять высококачественное любительское кино, запечатлеть самые счастливые события, заснять красивые места и поделиться этим с окружающими. Ведь вряд ли существует в этом мире хоть один человек, который не хотел бы сделать памятное видео того либо иного события, не так ли?

Назначение матрицы и ее разновидности

Если говорить о разновидностях и технологиях, то существует всего 2 матричных типа: CMOS и CCD. Конечно, у вас сразу возникает в голове вопрос, какая же технология лучше для любительской видеосъемки? И я вам отвечу, нет предела совершенству, каждой из них далеко до идеала, каждая обладает своими недостатками и достоинствами, о которых мы поговорим дальше.

Тип CMOS или КМОП

Отличительной чертой CMOS-матриц можно считать низкое энергопотребление, что является неоспоримым плюсом.

К особенностям данной технологии можно отнести:

• Произвольное считывание ячеек, что позволяет получать высококачественное несмазанное изображение;
• Отсутствие «вертикальных столбцов света», возникающих из-за яркости точечных объективов;
• Доступность цены;
• Низкая чувствительность матрицы из-за сниженной площади светочувствительного элемента, что является небольшим минусом;
• Низкое время сканирования, из-за чего объекты, расположенные в качестве, периодически могут искажаться;
• Обработка картинки на пикселе, повышающая число помех.

Тип CCD

Наиболее важным преимуществом CCD-матриц является высококачественное изображение с отсутствием посторонних шумов. Также к достоинствам данной технологии можно считать высокий, практически 100% коэффициент заполнения. Такие камеры относятся к профессиональным устройствам и позволяют получить динамичное цветное изображение.

К недостаткам CCD-матриц можно отнести:

• Слишком высокую стоимость;
• Большое потребление энергии.

Довольно часто в магазинах техники можно встретить видеокамеры с 2-3 матрицами, если средства позволяют, то смело можно покупать данное устройство. Ведь несколько матриц всегда лучше, нежели одна.

Придя в магазин и спрашивая о размерах матрицы видеокамеры, вы можете получить от консультанта следующий ответ: 12, 13, 14 и т.д. Не пугайтесь столь странных ответов, эти числа не что иное, как дюймы. Тут нужно понимать, что чем выше показатель физического размера матрицы, тем качественнее будет изображение. То есть камера в 12 дюйм будет лучше, чем 18, это также отразится на стоимости аппарата.

На этом у меня все, до новых встреч, дорогие читатели. Надеюсь, что данная информация станет полезной для Вас и Ваших друзей. Подписывайтесь на статьи блога и будьте всегда в курсе свежих новостей технологического мира.

Спасибо за внимание! До новых встреч на моём блоге. С уважением, Ростислав Кузьмин.

Выбираем видеокамеру

На рынке современных систем видеонаблюдения огромный выбор видеокамер различных производителей, поэтому в этой статье мы решили рассказать о основных характеристиках видеокамер и разберемся с наиболее востребованными функциями.

Типы матриц видеокамер

Одним из основных элементов видеокамеры является матрица — устройство которого осуществляет преобразование света попадающего на нее в электрический сигнал. Существует два типа матриц: CCD и КМОП у каждой из которых есть свои преимущества и недостатки.

Последовательное считывание данных из ячеек

Произвольное считывание данных из ячеек

Низкий уровень шумов

Высокий уровень шума

Высокая динамическая чувствительность, позволяет эффективно фиксировать движущиеся объекты

При съемке быстро движущихся объектов могут наблюдаться горизонтальные полосы

Матрица состоит только из светочувствительно элемента осуществляющего преобразования света в электрический сигнал

Матрица имеет на борту обрабатывающие устройств АЦП и управляющие элементы, что делает ее производство простым и недорогим

Эффективность использования матрицы приближается к 100 % из-за использования всей поверхности матрицы по назначению: преобразование сигнала

Меньшая чувствительность матрицы

Высокая стоимость и сложное производство

Низкое энергопотребление и быстродействие

Справедливо заметить, что современные КМОП матрицы практически ничем не уступают CCD матрицам и идеально подойдут для систем видеонаблюдения для которых не предъявляется повышенных требований.

Размер матрицы видеокамеры

Размер матрицы определяется диагональю в дюймах и записывается дробью 1/2.5, 1/2.7, 1/2.8, 1/3, 1/4. Считается, чем больше размер матрицы тем выше качесвто детализации, глубина резкости картинки, меньше шумов и больше угол обзора, однако лучшее качество изображения обеспечивает не размер матрицы видеокамеры, а размер ее отдельного пикселя или ячейки и чем он больше, тем лучше.

Если матрицы с размерами 1/3″ и 1/4″ имеют равное количество пикселей, то матрица с диагональю 1/3″, будет давать лучшее изображение. Если же на ней пикселей больше, то нужно подсчитывать примерный размер пикселя. Сделать это очень просто:

где, P = размер пикселя в мкм, x — разрешение видеокамеры по вертикали или горизонтали (например для 2Мп видеокамеры можно взять разрешение по горизонтали 1920), b — размер матрицы камеры по горизонтали или вертикали (например для матрицы 1/3″ это значение для горизонтали 4.8 мм) и умножить на 1000, чтобы перевести результат в микрометры.

К примеру, во многих случаях размер пикселя на матрице 1/4″ оказывается большим, чем на матрице 1/3″, а значит, видеоизображение с 1/4″ , хотя она и меньше по размеру, будет лучше, что и видно из таблицы на которой представлены наиболее распространенный размеры матриц в системах видеонаблюдения.

Матрица может быть с соотношением сторо 4:3 и 16:9, следовательно у матриц с одной и той же диагональю будут разные физические размеры, поэтому видеокамеры с разными соотношениями сторон будут иметь разные вертикальные и горизонтальные углы обзора.

Количество пикселей, млн

Размер ячейки, мкм

Разрешение матрицы видеокамеры один из важнейших параметров, который определяет размер, соответственно и детализацию полученной картинки. Разрешение измеряется в телевизионных линия ТВЛ или пикселях.

Разрешение видеокамеры в ТВЛ — это количество вертикальных линий, размещенных на картинке по горизонтали. ТВЛ более точны, поскольку дают представление именно о размере картинки на выходе, тогда как разрешение в мегапикселях, указываемое в документации производителя, может вводить покупателя в заблуждение — оно часто относится не к размеру итоговой картинки, а к числу пикселей на матрице. В этом случае нужно обращать внимание на такой параметр, как «Эффективное количество пикселей»

Разрешение в пикселях — это размер картинки по горизонтали и вертикали, если он указывается в виде 640Х480, 1280Х720, 1920Х1080 и т.д. или общее количество пикселей на картинке указывается как 0,3 Мп; 1Мп, 2 Мп (мегапиксель), 3Мп, 5Мп, 8Мп.

Частота кадров влияет на плавность видеоизображения. Считается что камера показывает в реальном времени при 25 к/с в PAL или 30 к/c в NTSC, при этом изображение можно наблюдать без резких переходов до 18-20 кадров. В штатных системах видеонаблюдения этого вполне достаточно. Однако существуют специализированные высокоскоростные камеры, кадровка которых может значительно превышать стандартные значения.

Чувствительность видеокамеры, измеряется в ЛК (Lux люксах). От этого параметра зависит способность видеокамеры видеть ночью и в условиях плохой освещенности. Чем меньше этот параметр, тем лучше.

Свет сириуса, ярчайшей звезды ночного неба

Безлунное звёздное небо

Полнолуние в ясном небе

Полнолуние в тропиках

В море на глубине

Очень пасмурный день

Восход или закат

Восход или закат в ясный день.

Пасмурный день; освещение в телестудии

Полдень на Венере

Полдень в декабре — январе.

Ясный солнечный день (в тени)

Под прямым солнцем

Фокусное расстояние и угол обзора

Фокусное расстояние — это расстояние между линзой и матрицей видеокамеры. Стоит запомнить следующее правило: чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора видеокамеры и наоборот, чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора видеокамеры. Фокусное расстояние записывается как f= . мм.

Из рисунка видно, что если требуется минимальным количеством обзорных камер видеонаблюдения следить за периметром, стоит установить видеокамеру с малым фокусным расстоянием и наоборот если требуется идентификация деталей: денежных купюр, автомобильных номеров, лиц, стоит подбирать фокусное расстояние объектива видеокамеры с большим значением.

Углы обзора 1/3″ видеокамер

Угол обзора по вертикали, град

Угол обзора по горизонтали, град

Угол обзора по диагонали, град

В зависимости от поставленной задачи, к видеокамере подбирается объектив, либо подбирается видеокамера с уже установленным объективом.

• Фиксированный объектив . Подбирается под заранее определенную задачу, обладает фиксированным фокусным расстоянием, а значит и угол обзора фиксированный. Например объектив с минимальным фокусным расстоянием f=2.5 мм.
• Вариофокальный объектив . Может менять фокусное расстояние путем ручной настройки, благодаря чему объектив может быть донастроен под определенную сцену в процессе эксплуатации. Например объектив с зумом 4,28 f=2.8-12мм
• Моторизированный объектив . По сути тот же вариофокальный объектив, только с приводом и схемой управления позволяющей удаленно менять фокусное расстояние объектива под определенную сцену.
• Рыбий глаз . Благодаря панорамному объективу позволяет добиться обзора в 360 градусов. Изображение с такой камеры не всегда удобно для наблюдения и анализа, поэтому разбивается на отдельные направления специальными программами.
• Пинхол объектив . Объектив с игольное ушко, используется при реализации скрытых систем видеонаблюдения

Тип крепления объектива

• C — крепление . Устаревший тип крепления, в настоящее время не применяется в системах охранного телевидения. Определяется резьбой 2.54мм и расстоянием заднего фланца от ПЗС матрицы видеокамеры в 17,526 мм.
• CS — крепление. Данный тип крепления используется в существующих системах видеонаблюдения. Определяется расстоянием заднего фланца от ПЗС матрицы видеокамеры в 12,5 мм.
• M12 . Используется в модульных видеокамерах небольшого размера.

Светосила объектива (F-число или относительное отверстие)

Относительное отверстие ирисовой диафрагмы определяет количество света попадающего через объектив на матрицу. Меньшее значение F — числа соответствует наибольшему раскрытию диафрагмы и наоборот большее значение, соответствует минимальному раскрытию диафрагмы. Соответственно чем меньше F — число тем картинку лучшего качества можно получить в условиях плохой видимости и чем больше F — число, тем лучше изображение можно корректировать в условиях фоновой засветки. При минимальном F — числе достигается большее значение глубина резкости.

Способ корректировки диафрагмы:

• Вручную . Данный тип объективов применяется в закрытых помещениях с фиксированным освещением.
• Автоматическая диафрагма . Объектив автоматически подстраивается под текущий уровень освещенности.

Электорнный затвор AES

Электронный затвор — это выдержка, интервал времени с которым свет попадающий на матрицу считывается с нее. Выражается он как 1/50 — 1/100000 с. Чем меньше значение выдержки, тем быстрее свет считывается с матрицы не успевая накапливаться на ней, поэтому применяется при отслеживании быстродвижущихся объектов или объектов в условиях высокой фоновой засветки. Большое значение экспозиции применяется в условиях плохой освещенности, однако в результате большого времени накопления зарядов на матрице движущиеся объекты будут смазываться.

Стоит отметить, что возможности электронного затвора значительно слабее автоматической диафрагмы, поэтому применять его желательно внутри помещений.

Измеряется в децибелах (Дб). Cигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал видеокамеры, в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизировать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температурных флуктуаций электроники.

Современные камеры видеонаблюдения имеют отношение сигнал/шум в 50Дб.

Подавление шумов DNR

В настоящее время существуют две технологии подавления шумом:

• 2-DNR . Устаревшая технология, которая убирала шумы в основном ближнего плана, кроме того, иногда изображение из-за обработки немного смазывалось
• 3-DNR . Распространенная в настоящее время технология, которая убирает не только ближние шумы, но и снег, зернистость на дальнем фоне.

Инфракрасная подсветка позволяет работать камере видеонаблюдения в условиях плохой освещенности. Дело в том, что матрица видеокамеры может «видеть» в инфракрасном диапазоне. В дневное время суток инфракрасный фильтр ICR отсекает излучение в ИК диапазоне, когда уровень освещения падает, п ри достижении порогового значения ICR фильтр отключается и включается ИК подсветка.

Основные характеристики ИК подсветки:

• Дальность ИК подсветки
• Угол ИК подсветки
• Длина волны на которой работает ИК подсветка

Компенсация засветки HLC, BLC, WDR, DWDR

Данные функции направленны на компенсацию разности фонов в кадре видеокамеры, свет фар, фонарей, тень-яркий свет.

HLC . Данная технология просто маскирует источники сильной засветки в кадре, чтобы можно было различать другие детали. Наглядный пример автомобильные фары в ночное время суток.

BLC . Данная функция реализуется путем увеличения экспозиции всего изображения позволяя в какой то мере выровнять разность фонов. Функция присутствует в большинстве бюджетных видеокамер и не особо эффективна при больших разностях фонового освещения.

WDR . Видеокамеры с реализованной на аппаратном уровне функцией WDR (расширенным динамическим диапазоном) позволяет получить максимально качественную картинку при большой разности фонового освещения в кадре. Например человека в темной комнате на фоне окна или навеса в тени граничащего с сильным солнечным светом. Данная функция присутствует в дорогих видеокамерах.

D-WDR . WDR реализованный на программном уровне, значительно уступает аппаратному WDR и присутствует в большинстве бюджетных видеокамерах.

IP Класс защиты видеокамеры от влаги и пыли

К ласс IP определяет степень защиты от попадания внутрь посторонних предметов и влаги. Первая цифра определяет степень защиты от попаданию внутрь посторонних предметов, а вторая показывает степень защиты от влаги.

Например большинство уличных видеокамер использующихся в системах видеонаблюдения обладают степенью защиты IP66 что соответствует полной защите от пыли и защите от мощных водяных струй.

Размер матрицы видеокамеры какой лучше?

Матрица видеокамеры – один из основных компонентов современной видеотехники. На ее поверхности строится изображение, которое фиксируется чувствительными элементами (пикселями). Существует множество эффективных алгоритмов дальнейшей обработки сигнала, но именно матрица стоит в самом начале электронного тракта видеокамеры и в наибольшей степени влияет на качество видеоматериала.

До появления матрицы использовалась пленка. Принципиально устройство видеокамеры с тех пор изменилось мало. Изображение, как и раньше, строится объективами разных типов на светочувствительной поверхности, а далее посредством различных технологических процессов переносится либо на бумагу, либо на дисплей компьютера. Но матрица имеет перед пленкой одно существенное преимущество – мгновенное получение результата. Именно это главным образом и определило повсеместное применение матриц в качестве сенсоров для видеокамер.

Устройство и типы матриц

Современная матрица — это микросхема, поверхность которой состоит из множества чувствительных к свету элементов. Каждый элемент является самостоятельным светоприёмником, преобразующим падающий на него свет в электрический сигнал, который после предварительной обработки записывается на карту памяти. Изображение, которое мы видим, состоит из совокупности записанных в цифровом виде сигналов с каждого элемента, а значит, имеет дискретную структуру.

Существует две технологии преобразования света в сигнал, на которых может работать матрица видеокамеры. Первая основана на свойстве полупроводниковых диодов накапливать электрический заряд под воздействием света и носит название ПЗС (прибор с зарядовой связью) или CCD (Charge-Coupled Device). Вторая технология также использует накопление заряда, но в качестве приемника применяется не диод, а транзистор, что позволяет организовать усиление сигнала непосредственно в самом светочувствительном элементе. Эта технология называется КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) или CMOS по-английски. Соответственно существуют и два типа матриц – ПЗС и КМОП.

Первая матрица работала по технологии ПЗС, поскольку эта технология проще и была внедрена первой. Сейчас более перспективным считается принцип КМОП, поскольку предварительное усиление сигнала непосредственно в элементе матрицы позволяет повысить чувствительность, снизить шумы, сократить энергопотребление и уменьшить стоимость матрицы. Несмотря на это, ПЗС матрицы все еще продолжают использоваться и сегодня.

Элементы, из которых состоит матрица видеокамеры, способны фиксировать только интенсивность падающего на них света. Для того чтобы записать цвет, необходимо, как минимум, три таких элемента (такое количество связано с особенностями восприятия цвета человеческим глазом, имеющим три вида колбочек), каждый из которых отвечает за свою область спектра. Чтобы реализовать цветовую чувствительность, перед каждым элементом ставится светофильтр, который пропускает только вполне определенный цвет – красный, зеленый или синий (модель RGB – Red-Green-Blue, которая используется в подавляющем большинстве матриц).

Таким образом, получается, что матрица состоит из набора трех видов сенсоров, при этом располагаться они могут разными способами – четырехугольником, у некоторых матриц шестиугольником, да и количество элементов разного цвета может быть разным. Например, в широко распространенном фильтре Байера на каждый красный и голубой элемент приходится два зеленых, при этом они еще и распределены случайным образом. Это сделано, чтобы смоделировать повышенную цветовую чувствительность человеческого глаза к зеленому цвету.

А что же тогда такое всем известный пиксель? Это легко понять, если представить себе, что видеокамера работает так же, как глаз. Изображение строится зрачком (объектив), воспринимается сетчаткой с палочками и колбочками (матрица) и обрабатывается мозгом (процессор). Собственно саму картинку мы видим мозгом, ведь структура сетчатки так же дискретна, как и матрица видеокамеры.

Так вот пиксель – это логическая структура, формирующаяся в результате обработки сигнала процессором видеокамеры по специальным алгоритмам. Пиксель может состоять как из одного светочувствительного элемента, так и из трех и более. Например, в уже знакомом нам фильтре Байера цвет каждого элемента вычисляется по информации, полученной от окружающих его элементов, а, следовательно, пиксель состоит из одного светочувствительного элемента. У разных матриц и алгоритмов это может быть по-разному.

По большому счету, все вышесказанное нам не так важно. На технологическом поле бьются производители видеотехники, выпуская все более совершенные матрицы и постоянно улучшая алгоритмы обработки изображений. Что действительно нужно понимать, так это то, что матрица состоит из пикселей, каждый из которых является элементом изображения, несущим информацию об интенсивности света и его цвете. А особенности алгоритма обработки каждый производитель все равно хранит в секрете.

Мы рассмотрели, как устроена матрица, а теперь перейдем к ее основным характеристикам, понимание смысла которых поможет вам правильно выбрать хорошую видеокамеру.

Размер матрицы

Самая важная характеристика. Любой приемник излучения обладает шумами, т. е. на полезный сигнал всегда накладывается паразитный шум. Матрица не является исключением. Из теории известно, что чем больше света поступает в приемник излучения, тем меньше относительное влияние шума. Отсюда следует очевидный вывод: чем больше площадь чувствительного элемента, тем больше на него падает света, тем меньше шум.

Таким образом, чтобы матрица меньше «шумела», она должна иметь больший размер и меньше пикселей. Рассмотрим, какие размеры имеют современные матрицы.

Исторически сложилось так, что вместо того, чтобы просто указать размеры, например в миллиметрах, для обозначения размеров матриц видеокамер используются малопонятные и запутанные величины типа 1/4”, 1/3”, 1/2,8”. Это длина диагонали матрицы в долях дюйма. Рекомендация здесь одна: покупайте видеокамеру с большей матрицей.

Разрешение матрицы

Вторая важная характеристика. Измеряется в миллионах пикселей – мегапикселях (Мп, Mp). Отвечает за детализацию изображения: чем больше разрешение, тем большего формата изображение можно напечатать и больше увеличить на мониторе. Иными словами, тем большее количество информации несет цифровой снимок.

Вы сами должны решить, видео какого разрешения вам требуется. А рекомендация здесь состоит в том, что предпочтительнее выбрать матрицу с меньшим разрешением, но с большим размером, она точно будет работать лучше.

Светочувствительность матрицы

Эта характеристика определяет возможность матрицы регистрировать слабые световые потоки, т. е. снимать в темноте. Как мы уже говорили выше, чем больше чувствительность, тем больше шумов. Матрица видеокамеры типа КМОП шумит меньше, чем ПЗС. Большая по размерам меньше «шумит», чем маленькая. Матрица с меньшим разрешением меньше «шумит», чем с большим.

Соотношение сигнал/шум матрицы

Этот параметр как раз и отражает шумность матрицы. Практически мы уже рассмотрели, как матрица видеокамеры создает шумы и от чего они зависят. Добавим лишь то, что кроме типа, размера, чувствительности, шум зависит еще и от температуры матрицы: чем она выше, тем шум больше.

Борьба с шумом — это отдельная тема. Развитие цифровой техники идет очень быстрыми темпами, и с каждым годом матрицы становятся все более совершенными. При этом используются различные алгоритмы, способные уменьшить влияние шумов на конечное изображение.

Главное – если Вы хотите получить действительно качественное изображение нельзя экономить на матрице!

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание?

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.

Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.

Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!

Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.

Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

Матрица камеры

Матрица камеры (светочувствительный сенсор) является основным элементом камеры видеонаблюдения. Представлена в виде интегральной схемы из фотодиодов. Основная задача матрицы — преобразование в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных проецированного на нее оптического изображения. По большей степени, качество итогового изображения напрямую зависит от матрицы видеокамеры. Объясняется это тем, что такая немаловажная часть камеры видеонаблюдения как процессор отвечает только за оцифровку полученного изображения. Если же изначально на процессор поступило плохое изображение от матрицы, то процессор будет оцифровывать видео изначально плохого качества. Зачастую производители выпускают одинаковые по характеристикам камеры , но с разными типами матриц. По итогу Вы получите абсолютно два разных по качеству изображения. Цена на такие камеры может разниться до 35%.
Итак, какую же матрицу выбрать ?

Типы матриц камер: CCD матрицы и CMOS матрицы камер

Различают два типа матриц, применяемых в камерах видеонаблюдения:

• CCD матрица (ПЗС — прибор с зарядовой связью)
• CMOS (КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник )

Изначально считалось, что CCD матрицы превосходят по всем параметрам CMOS матрицы. И всегда производят классификацию по двум вышеуказанным типам. В действительности же развитие технологий CMOS матриц шагнуло далеко вперед и на сегодняшний день они мало чем отличаются от CCD матриц. И как итог развития — на сегодняшний день практически во всех камерах видеонаблюдения применяются CMOS матрицы с высоким разрешением. Данные два типа матриц различаются как по устройству, так и по принципу действия.

Сравнение матриц CCD и CMOS формата
Несмотря на все плюсы CCD матриц на сегодняшний день они практически не применяются в камерах видеонаблюдения. Основными критериями ухода с рынка стали высокая цена производства и медленный принцип действия CCD матриц. С нарастающими требованиями к системам видеонаблюдения по скорости обработки информации принцип последовательного считывания заряда по ячейкам стал неактуален для рынка камер видеонаблюдения. А высокая конкурентная среда на рынке заставила многих производителей пересмотреть экономическую составляющую производства и это стало ключевым фактором исключения CCD матриц с рынка камер видеонаблюдения.

Обзор матриц камер: производители матриц

• ON Semiconductor Corporation
• Omnivision Technologies Inc.
• Samsung Electronics
• Sony Corporation
• Silicon Optronics (SOI)

Компания Silicon Optronics является компанией второго эшелона. Мировые бренды камер видеонаблюдения используют при производстве матрицы компаний первого эшелона либо собственного производства.

Размер матрицы
Размер матрицы — условное соотношение длины матрицы к одному Видикону.
Размер матрицы измеряется в дюймах и указывается в соотношении дроби 1/2″, 1/2,8″, 1/3″, 1/4″, 1/6″ и т.д. Но в качестве дюйма выступает именно Видикон или так называемый «Видиконовый дюйм».
Видикон (Видиконовый дюйм) — условный дюйм при диагонали 16мм.
Таким образом если производитель пишет, что размер матрицы 1/2″, то подразумевается, что ее диагональ равна 8мм.
Соответствие дюймов и фактических размеров матрицы можно взять из таблицы:

Разрешение матрицы видеокамеры и светочувствительность матрицы камер
Итоговое изображение, полученное в результате преобразования цифрового потока напрямую зависит от матрицы. Поэтому не стоит пренебрегать этим параметром при выборе. Принято считать, что чем больше размер матрицы, тем лучше: тем больше света получает и как следствие меньше шумов, четче картинка и больше угол обзора. Однако правильнее считать за основу не размер матрицы, а размер одной ячейки — пикселя. Поэтому правильнее считать размер матрицы в сочетании с количеством пикселей.
При прочих равных — камера с одинаковым размером матрицы, но с разным количеством пикселей будет иметь кардинально разные изображения. Существует зависимость — чем больше пикселей при одинаковом размере матрицы, тем меньше света они получают, а значит тем хуже итоговое изображение.

Основной характеристикой при выборе матрицы является светочувствительность. Единица измерения светочувствительности — 1 Люкс (Лк) или иными словами производная одного Люмена (единица измерения светового потока) на единицу измерения площади (квадратный метр). Простыми словами Люмен — минимальное количество света, необходимое для четкого и качественного изображения. Существует зависимость: чем меньше значение светочувствительности, тем позднее камера переходит в черно-белый режим. Камеры видеонаблюдения и их светочувствительность стоит подбирать под определенные задачи и расположение.

Какая матрица лучше?
Во-первых, изначально надо определить конкретные задачи и условия, в которых будет использоваться камера видеонаблюдения. Во-вторых, характеристики камер надо рассматривать в совокупности, а не отдельно взятую характеристику. Например большее количество пикселей при одинаковом размере матрицы дадут худшее изображение. Ну и помните — чем больше размер матрицы, тем дороже она стоит. Подбирайте оборудование с оптимальным соотношением цена/качество.

Надеемся наша статья была Вам полезна и вы разобрались что такое матрица камеры видеонаблюдения, какие типы матриц бывают. Узнали основные характеристики — размер, светочувствительность и разрешение матрицы.

Матрица в камерах видеонаблюдения

Матрица или светочувствительная матрица, видеоматрица ( image sensor, imager ) является основным элементов видеокамер, цифровых фотоаппаратов и предназначена для преобразования, проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии аналого-цифрового преобразователя непосредственно в составе матрицы). Если обойтись без википедии, то матрица преобразовывает свет в электрический сигнал.

Необходимо отметить, что сама матрица даже важнее процессора, который используется для оцифровки видео — пусть в ЦП и будет множество функций, но если на матрице получено плохое изображение , то процессор работает уже с плохим изображением .
Также отметим, что у одного производителя может быть две камеры с одинаковыми характеристиками (разрешение записи, угол обзора и т.п.), но разными матрицами , например одна камера с матрицей от Sony и вторая камера с матрицей от SOI (или Noname) — и цена таких камер может отличаться на 30-35% .

Производители матриц

Давайте и начнем с производителей. Наиболее известными и популярными производителями матриц для камер видеонаблюдения являются: ON Semiconductor Corporation, Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Производители используют матрицы этих брендов для создания основной линейки видеокамер и камер премиум класса. Также, отметим бренды Canon, Hikvision и Dahua — они также производят матрицы под собственные нужды.

Но, разумеется, что существует множество других производителей, которые предлагают бюджетные решения, например, одна из наиболее популярных компаний — это SOI (Silicon Optronics, Inc.) , которая достаточно молодая, но уже пытается найти свою нишу среди именитых брендов. Как раз на базе матриц SOI множество производителей и делают бюджетные линейки видеокамер. То есть, если Вы видите, что даже у одного производителя есть камеры с абсолютно одинаковыми характеристиками, но с разной ценой — то, обратите внимание на матрицу и производителя этой матрицы, скорее всего разница только в этом. В целом, понятна и разница между брендами и любым ноунеймом. Да, все характеристики могут быть одинаковыми, разрешение передачи видео изображения, но разные матрицы и разные производители — на выходе вы увидите разные картинки, разную насыщенность и даже разные цвета (оттенки).

CCD и CMOS матрицы

В старых статьях и обзорах в Сети вы можете увидеть много букв про преимущества и недостатки CCD или CMOS матриц и какую лучше выбрать. Но, победили CMOS матрицы, в основном из-за того, что они дешевле в производстве. Поэтому, при выборе камеры для видеонаблюдения нет больше выбора между CCD и CMOS матрицы — only CMOS. Поэтому, перейдем к остальным характеристикам матриц.

Формат (типоразмер) матрицы

В характеристиках видеокамеры вы обязательно увидите размер матрицы — 1/4 дюйма, 1/3″, 1/2.8 д и т.п. Формат матрицы — это размер матрицы по диагонали. Обозначение типоразмера досталось в наследство от электронно-лучевых трубок, и указывают формат матрицы в виде дроби с размерностью в дюймах.

В формате матрицы очень простое правило — чем больше размер матрицы, тем лучше. Так как, при других равных условиях (разрешении, то есть одинаковом количестве пикселей) у большей матрицы крупнее пиксели , таким образом, она улавливает больше света . Кроме того, сами пиксели на матрице большего размера расположены менее тесно, что обеспечивает меньшее влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, а это все влияет качество получаемого видеосигнала и получаемого изображения в итоге.

Также, физический размер матрицы влияет на угол обзора камера видеонаблюдения. При прочих равных условиях, чем больше матрица, тем больше углы обзора у видеокамеры.
От размера матрицы зависит и то, какие объективы можно устанавливать на камеру (если возможна смена объектива в камере видеонаблюдения). Производители объективов всегда указывают размер матрицы, под которую подходит объектив, например 1/4 или 1/3. При этом, объектив для матрицы большего размера подойдет для камер с матрицей меньшего размера , но никак не наоборот .

И, что очевидно, матрица большего размера дороже в производстве. Поэтому, в бюджетных моделях камер видеонаблюдения вы редко увидите матрицы больше 1/4″, а в уже более дорогих камерах используются типоразмеры матрицы 1/3″, 1/2.8″ и т.п. В специальных профессиональных камерах высокого качества могут использоваться матрицы размером 1/2″ и 1/1.9″.

Светочувствительность матрицы

Характеристика, которую вы также увидите в описание практически у каждого производителя, некоторые производители могут указывать просто как чувствительность матрицы. Светочувствительность матрицы определяет возможность работы матрицы в условиях окружающего освещения. Таким образом, чем меньше количество световой энергии необходимо для получения нормального изображения , тем выше и светочувствительность матрицы . Для всех матриц справедливо следующее — чем лучше освещенность, тем лучше изображение. Светочувствительность матрицы производители указывают в Люксах — ЛК, Lux, люкс. Но, обратите внимание, что производители указывают минимальный уровень освещенности , при котором видеокамера еще может зафиксировать какое-то изображение, но никто не обещает, что это будет изображение хорошего качества . Сегодня практически все камеры поддерживают режимы «день / ночь» и оснащены ИК-подсветкой и в темное время суток (при снижении освещенности) камера переключается автоматически в черно-белый режим съемки. Обычная ИК-подсветка позволяет снимать даже в полной темноте на расстоянии 20 – 25 м, кроме того, существуют модели с усиленной ИК-подсветкой, где можно снимать на расстоянии 60 – 100 м в полной темноте.

Таким образом, светочувствительность критична для камер, без ИК-подсветки, которых сейчас практически нет (только специальные миниатюрные цилиндрические или корпусные камеры могут быть без ИК-подсветки). Как правило, все производители указывают светочувствительность 0,01 Lux, что соответствует по значениям освещенности как «Безлунная ночь» 0,01 Lux (для сравнения — «Лунная ночь» — 0,05 Lux, «Сумерки и хорошо освещенная автомагистраль ночью» — 10 Lux, «Дневное, естественное освещение на улице в солнечную погоду» — 5000 — 100000 Lux).

Еще стоит немного упомянуть о технологиях, которые используются для улучшения светочувствительности матрицы в видеокамере и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Как правило, для этого необходимо вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, которая собирает свет. Это технологии Exmor и Starlight. Такие камеры могут передавать даже в цвете с помещения освещенностью 0,01 Lux, и давать неплохое изображение в условиях освещенности 0,0001 — 0,001 Lux. Но стоит, отметить, что и цена таких камер немалая – это уже более профессиональная линейка. Есть смысл использовать такие технологии в роботизированных камерах, которые снимают, например, на больших территориях или для системы «Умный город». Для обычных объектов проще / и дешевле 🙂 / заняться вопросом освещения.

Надеемся, что после прочтения этой статьи вы больше узнаете о характеристиках матрицы и на что они влияют. Теперь вы понимаете насколько много зависит от производителя и качестве матрицы в видеокамере. Поэтому, в одном и том же производители в одинаковых характеристиках и корпусах могут быть камеры с разными матрицами и по разной цене (разница может составлять даже 30-35%).