Matrizen für CCTV-Kameras. Worauf ist zu achten?

Die Bildqualität des Camcorders hängt weitgehend von dem darin verwendeten lichtempfindlichen Sensor (Matrix) ab. Stellen Sie schließlich mindestens den besten Prozessor für die Digitalisierung von Videos ein. Wenn ein schlechtes Bild in der Matrix empfangen wird, wird es nicht gut. Ich werde versuchen, im Volksmund zu erklären, worauf Sie bei den Eigenschaften des Sensors einer CCTV-Kamera achten sollten, damit es später beim Betrachten des Bildes nicht unerträglich schmerzhaft wird ...

Matrixtyp

Im Internet finden Sie sicherlich Informationen darüber, dass in Überwachungskameras lichtempfindliche Arrays mit CCD (CCD, ladungsgekoppeltes Gerät) und CMOS (CMOS, komplementärer Metalloxid-Halbleiter) verwendet werden. Vergiss es! Lange Zeit gab es nur CMOS, nur Hardcore.

CCD-Matrizen mit all ihren Vorteilen (bessere Lichtempfindlichkeit und Farbwiedergabe, geringerer Rauschpegel) werden in der Videoüberwachung praktisch nicht verwendet. Weil das Prinzip ihrer Wirkung von CCD-Matrizen - das sequentielle Lesen von Ladungen über Zellen hinweg - zu langsam ist, um die Anforderungen schneller moderner hochauflösender Videokameras zu erfüllen. Nun, und vor allem ist die Herstellung von CCD teurer, und unter den Bedingungen eines modernen, wettbewerbsintensiven Umfelds zählt jeder Cent Gewinn. Aus diesem Grund haben sich alle wichtigen Hersteller auf das Thema CMOS-Matrizen konzentriert.

Es gibt übrigens nicht mehr viele Hersteller. Die größten waren ab Anfang 2017 die Unternehmen: ON Semiconductor Corporation (die einst das bekannte Profilunternehmen Aptina übernahm), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics und Sony Corporation. Darüber hinaus werden Matrizen für den eigenen Bedarf beispielsweise von Canon, Hikvision, hergestellt.

Der Wettbewerb um alte Marken wird versucht, junge, enthusiastische und geldwerte chinesische „Second-Tier“ -Chip-Hersteller wie SOI (Silicon Optronics, Inc.) und andere zu schaffen. Es ist schwer zu sagen, ob das junge Wachstum überleben wird, wenn der Markt für CMOS-Sensoren gesättigt und zu überfüllt wird . In jedem Fall sind die Entstehung neuer Akteure und die Verschärfung des Kampfes in diesem Segment jedoch nicht ausgeschlossen, da es nicht allzu schwierig ist, die Produktion von CMOS-Sensoren nach modernen Standards einzurichten.

Große globale Marken wie Hikvision oder Dahua bevorzugen normalerweise die Zusammenarbeit mit erstklassigen Matrixherstellern oder ihren eigenen. Lokale verhalten sich anders. Beispielsweise verwendet Tecsar auch in kostengünstigen Kameras Matrizen mit einem guten Ruf von ON Semiconductor, Omnivision und Sony. Im Sortiment anderer „beliebter“ Marken wie Berger sind SOI-Sensoren usw. weit verbreitet.


Wie werden Digitalkameramatrizen hergestellt?

CMOS-Führung

Die CMOS-Technologie ermöglicht die Platzierung elektronischer Komponenten (Kondensatoren, Transistoren) direkt in jedem Pixel der lichtempfindlichen Matrix.



Pixelstruktur und CMOS-Matrix

Dies verringert die nutzbare Fläche des lichtempfindlichen Elements und verringert die Empfindlichkeit, und aktive Elemente erhöhen den Pegel des Eigenrauschens der Matrix. Mit dieser Technologie können Sie jedoch die Ladung des lichtempfindlichen Elements direkt in der Matrix in ein elektrisches Signal umwandeln und viel schneller ein digitales Bildsignal erzeugen, das für Videokameras von entscheidender Bedeutung ist. Aus diesem Grund eignet sich CMOS besser für CCTV-Kameras, bei denen ein schneller Bildwechsel erforderlich ist.


Das Funktionsprinzip von CCD- und CMOS-Matrizen

Die Möglichkeit, CMOS-Matrixzellen zufällig zu lesen, ermöglicht es außerdem, die Qualität und Bitrate des empfangenen Videos buchstäblich "on the fly" zu ändern, was für CCD unmöglich ist. Und der Stromverbrauch von CMOS-Lösungen ist geringer, was auch für kompakte Überwachungskameras wichtig ist.

Lass es Farbe geben

Um ein Farbbild zu erhalten, zerlegt die Matrix den Lichtstrom in seine Komponentenfarben: Rot, Grün und Blau. Hierzu werden entsprechende Filter verwendet. Verschiedene Hersteller variieren die Platzierung und Anzahl der lichtempfindlichen Elemente in verschiedenen Farben, aber das Wesentliche daran ändert sich nicht.

Das Prinzip der Bilderzeugung auf einer lichtempfindlichen Matrix:


P - lichtempfindliches Element
T - elektronische Komponenten



Wie der CMOS-Sensor der Kamera angeordnet ist und funktioniert, können Sie auch in diesem Video von Canon sehen:


CMOS-Matrizen aller Hersteller basieren auf den oben beschriebenen allgemeinen Prinzipien und unterscheiden sich nur in den Implementierungsdetails auf Silizium. Zum Beispiel versuchen Chiphersteller im Streben nach niedrigen Kosten und Superprofit, Matrizen so klein wie möglich zu produzieren. Eine Rückzahlung dafür ist unvermeidlich ...

Warum groß ist gut

Die Größe (oder mit anderen Worten das Format) der Matrix wird normalerweise diagonal in Zoll gemessen und in Form von Brüchen angegeben, beispielsweise 1/4 ", 1/3", 2/3 ", 1/2 Zoll usw.

Die erste Regel für die Auswahl der besten Matrix ist recht einfach: Bei gleicher Pixelanzahl (Auflösung) ist es umso besser, je größer die physikalischen Abmessungen des Sensors sind. Eine größere Matrix hat größere Pixel, was bedeutet, dass sie mehr Licht einfängt. Die Pixel der größeren Matrix sind weniger eng beieinander angeordnet, was weniger Interferenzen und ein geringeres Störrauschen bedeutet, was sich direkt auf die Qualität des resultierenden Bildes auswirkt. Schließlich können Sie mit einer größeren Matrix große Betrachtungswinkel erzielen, wenn Sie ein Objektiv mit derselben Brennweite verwenden!


ON Lichtempfindlicher Semikondaktor-Sensor für CCTV-Kameras



Lichtempfindlicher Sensor auf der Camcorder-Platine montiert

Leider werden großformatige Arrays in Massenüberwachungskameras aufgrund der hohen Kosten der Arrays selbst und der Objektive für sie, die größere Objektive und dementsprechend Abmessungen und Kosten haben sollten, praktisch nicht mehr verwendet. Heute sind die Kameras hauptsächlich in Matrixgrößen von 1/2 "- 1/4" installiert (dies sind die kleinsten). Wenn Sie sich für eine Kamera entscheiden, müssen Sie klar verstehen, dass Sie beim Kauf eines Ultra-Low-Cost-Modells mit einer 1/4 "SOI-Matrix und einem winzigen Objektiv mit Kunststofflinsen von zweifelhafter Transparenz kein Videoüberwachungssystem von akzeptabler Qualität erstellen können, bei dem insbesondere zwischen kleinen Details der erfassten Ereignisse klar unterschieden werden kann bei Aufnahmen bei schlechten Lichtverhältnissen.

Wenn Sie eine Kamera mit einer Sony 1 / 2,8 "-Kameragröße von vornherein auswählen, erhalten Sie ein viel besseres Ergebnis in Bezug auf die Videoqualität. Eine Kamera mit einer solchen Matrix kann bereits in einem professionellen Videoüberwachungssystem verwendet werden. Und die Empfindlichkeit einer solchen Kamera ist offensichtlich höher, was eine bessere Aufnahme bei niedrigen Temperaturen ermöglicht Beleuchtung: bei schlechtem Wetter, in der Dämmerung, in einem dunklen Raum usw. Mit zunehmender Auflösung bei gleicher Matrixgröße nimmt die Lichtempfindlichkeit ab, und dies muss auch bei der Auswahl berücksichtigt werden. Für eine Kamera, die in einer dunklen Wurzel installiert ist Rotne an der Hintertür ist es sinnvoll, eine Matrix mit einer niedrigeren Auflösung und einer höheren Empfindlichkeit zu wählen als eine Kamera mit ultrahoher Auflösung und einer Matrix mit niedriger Empfindlichkeit, auf der aufgrund von Rauschen nichts klar zu unterscheiden ist.

Lichtempfindlichkeit

Die Lichtempfindlichkeit der Matrix bestimmt die Möglichkeit ihres Betriebs bei schwacher Umgebungsbeleuchtung. Aus physikalischer Sicht sieht dies ziemlich banal aus: Je weniger Lichtenergie ausreicht, um ein Bild durch eine Matrix zu erhalten, desto höher ist die Lichtempfindlichkeit. Aber! Wir werden ehrlich sein, es lohnt sich nicht, eine hohe Sensibilität zu verfolgen. Tatsache ist, dass moderne CCTV-Kameras mit abnehmender Beleuchtung erfolgreich in den Tag / Nacht-Modus wechseln und die Matrix in ein Schwarzweißbild mit höherer Empfindlichkeit umwandeln. Durch die automatische Integration der Infrarotbeleuchtung können Kameras auch bei völliger Dunkelheit perfekt aufnehmen. Zum Beispiel in einem geschlossenen Raum ohne Fenster und bei ausgeschaltetem Licht, wenn nicht einmal ein Wort über die Höhe des Umgebungslichts spricht. Die Lichtempfindlichkeit bleibt für Kameras ohne IR-Beleuchtung von entscheidender Bedeutung, aber ihre Verwendung in der modernen Videoüberwachung ist fast eine schlechte Idee. Obwohl Karosseriemodelle ohne Hintergrundbeleuchtung natürlich noch zum Verkauf stehen.


Vergleich von Matrizen verschiedener Hersteller

Im Allgemeinen lautet die Regel: Je höher die Beleuchtung, desto besser die Matrix und dementsprechend die Kamera. Daher wird nicht empfohlen, Kameras in dunklen Ecken und Winkeln zu platzieren, auch wenn sie eine gute Empfindlichkeit aufweisen. Beachten Sie, dass die Spezifikation der Kameramatrizen normalerweise die minimale Beleuchtungsstärke angibt, wenn Sie mindestens ein Bild aufnehmen können. Aber niemand verspricht, dass dieses Bild zumindest von akzeptabler Qualität sein wird! Es wird in 100% der Fälle ekelhaft sein, es kann kaum darauf zerlegt werden. Um mindestens ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen, wird empfohlen, bei Beleuchtung mindestens 10 bis 20 Mal mehr als das für die Matrix akzeptable Minimum aufzunehmen.

Die Hersteller haben eine Reihe technischer Lösungen entwickelt, um die Empfindlichkeit von CMOS-Matrizen zu verbessern und den Lichtverlust während der Bildaufnahme zu verringern. Dabei wird grundsätzlich ein Prinzip angewendet: das lichtempfindliche Element so nah wie möglich an die Mikrolinse der Matrix zu bringen, die Licht sammelt. Sony stellte erstmals seine Exmor-Technologie vor, die den Lichtweg durch die Matrix reduzierte:



Dann haben progressive Hersteller gemeinsam auf hintergrundbeleuchtete Matrizen umgestellt, wodurch nicht nur der Lichtweg durch die Matrix verkürzt, sondern auch der Nutzbereich der lichtempfindlichen Schicht vergrößert werden kann, indem sie über anderen elektronischen Elementen in der Zelle platziert wird:



Die Hintergrundbeleuchtungstechnologie verleiht der Kamera maximale Empfindlichkeit. Daher die Schlussfolgerung - "ceteris paribus" ist es besser, eine Kamera mit einer Matrix mit Hintergrundbeleuchtung zu kaufen als ohne.

Um das Bild bei schlechten Lichtverhältnissen für kostengünstige Matrizen mit geringer Empfindlichkeit zu verbessern, können Kamerahersteller verschiedene Tricks anwenden. Zum Beispiel der Modus „Langsamer Verschluss“ oder einfacher der Modus „Langsame Verschlusszeit“. Das „Verschmieren“ der Konturen von sich bewegenden Objekten, die sich bereits in der Phase des Fixierens des Bildes durch die Matrix in diesem Modus befinden, erlaubt es uns jedoch nicht, von ein wenig qualitativ hochwertiger Videoaufnahme zu sprechen. Daher ist dieser Ansatz bei der Überwachung von Sicherheitsvideos, bei denen Details wichtig sind, völlig inakzeptabel.

Ein definitiver Durchbruch in der Bildqualität war das Aufkommen der Starlight-Technologie, die erstmals 2012 in Bosch-Kameras eingeführt wurde. Diese Technologie ermöglichte es dank der Kombination der enormen Lichtempfindlichkeit der Matrix (in der Größenordnung von 0,0001 - 0,001 Lux) und der sehr effektiven Rauschunterdrückungstechnologie, bei schlechten Lichtverhältnissen und sogar nachts Farbbilder von sehr hoher Qualität von Videokameras zu erhalten.



Während die herkömmliche Methode zur Überwindung von schlechten Lichtverhältnissen - mit IR-Beleuchtung - es ermöglicht, ein klares Bild nur im Monochrom-Modus (Graustufen) zu erhalten, können Sie mit Kameras mit Starlight-Technologie ein Farbbild mit viel mehr Informationen erhalten. Insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen kann ein CCTV-System mit Starlight-Technologie die Farben von Autos, Kleidung und anderen wichtigen Zeichen leicht unterscheiden.

Hier ist eine Demonstration der Starlight-Technologie in Aktion:



Zusammenfassung

Achten Sie bei der Auswahl einer Überwachungskamera auf die Eigenschaften der Matrix und nicht nur auf deren Auflösung. In der Tat wird die Bildqualität und folglich die Nützlichkeit der Kamera weitgehend davon abhängen. Zunächst sollten Sie auf eine zuverlässige Marke, Größe und Auflösung der Matrix achten. Die Lichtempfindlichkeit ist nur für Kameras ohne IR-Beleuchtung wichtig.

Ich empfehle dringend, eine Kamera mit einer Matrix zu nehmen, anhand derer Sie ein vernünftiges Datenblatt mit detaillierten Informationen finden können, anstatt ein Schwein im Sack zu kaufen. Beispielsweise können Sie leicht Spezifikationen für ON Semiconductor-, Omnivision- oder Sony-Matrizen finden. Mehr oder weniger detaillierte Eigenschaften von SOI-Matrizen können jedoch am Nachmittag mit einer Laterne nicht gefunden werden. Es besteht der Verdacht, dass der Hersteller etwas zu verbergen hat ...

Das Gesamtergebnis ist jedoch folgendes: CMOS-Matrizen, die in Videoüberwachungsgeräten bedingungslos gewonnen wurden und in naher Zukunft keine konkurrierende Technologie aufgeben werden.