Matrizes para câmeras de CFTV. O que prestar atenção?

A qualidade da imagem da câmera de vídeo depende muito do sensor fotossensível (matriz) usado nela. Afinal, coloque pelo menos o melhor processador para digitalizar o vídeo - se uma imagem ruim for recebida na matriz, ela não ficará boa. Vou tentar explicar popularmente o que você deve prestar atenção nas características do sensor de uma câmera de CFTV, para que não seja dolorosamente doloroso ao olhar para a imagem ...

Tipo de matriz

Na Internet, você certamente encontrará informações de que as matrizes fotossensíveis CCD (CCD, dispositivo acoplado a carga) e CMOS (CMOS, semicondutor de óxido de metal complementar) são usadas em câmeras de vigilância por vídeo. Esqueça! Por um longo tempo, houve apenas CMOS, apenas hardcore.

As matrizes CCD, com todas as suas vantagens (melhor fotossensibilidade e reprodução de cores, menor nível de ruído) - praticamente não são usadas na vigilância por vídeo. Porque o próprio princípio de sua ação das matrizes CCD - leitura seqüencial de carga nas células - é muito lento para satisfazer as demandas das câmeras de vídeo de alta resolução modernas e rápidas. Bem, e mais importante, o CCD é mais caro de fabricar e, nas condições de um ambiente moderno e altamente competitivo, cada centavo de lucro conta. É por isso que todos os principais fabricantes se concentraram na questão das matrizes CMOS.

A propósito, não restam muitos fabricantes. As maiores, a partir do início de 2017, são as empresas: ON Semiconductor Corporation (que adquiriu a conhecida empresa Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics e Sony Corporation. Além disso, matrizes para necessidades próprias são produzidas, por exemplo, pela Canon, Hikvision.

É tentada a competição por marcas antigas para criar fabricantes chineses de chips de "segunda linha" jovens, entusiastas e lucrativos, como SOI (Silicon Optronics, Inc.) e outros.É difícil dizer se o crescimento jovem sobreviverá quando o mercado de sensores CMOS ficar saturado e ficar lotado demais . Mas, de qualquer forma, o surgimento de novos atores e o agravamento da luta não são excluídos neste segmento, pois não é muito difícil configurar a produção de sensores CMOS pelos padrões modernos.

Grandes marcas globais como Hikvision ou Dahua geralmente preferem trabalhar com fabricantes de matrizes de primeira linha ou com os seus próprios. Os locais se comportam de maneira diferente. Por exemplo, o Tecsar , mesmo em câmeras de baixo custo, utiliza matrizes com boa reputação da ON Semiconductor, Omnivision e Sony. Na variedade de outras marcas "populares", por exemplo, Berger , sensores SOI, etc. estão amplamente representados.


Como são feitas as matrizes das câmeras digitais

Liderança do CMOS

A tecnologia CMOS fornece o posicionamento de componentes eletrônicos (capacitores, transistores) diretamente em cada pixel da matriz fotossensível.



Estrutura de pixel e matriz CMOS

Isso reduz a área útil do elemento fotossensível e reduz a sensibilidade, além de elementos ativos aumentarem o nível de ruído intrínseco da matriz. Mas a tecnologia permite converter a carga do elemento fotossensível em um sinal elétrico diretamente na matriz e muito mais rápido para gerar um sinal de imagem digital, o que é crítico para as câmeras de vídeo. É por isso que o CMOS é mais adequado para câmeras de CFTV, nas quais é necessária uma troca rápida de quadro.


O princípio de operação das matrizes CCD e CMOS

Além disso, a capacidade de ler aleatoriamente as células da matriz CMOS torna possível literalmente "on the fly" alterar a qualidade e a taxa de bits do vídeo recebido, o que é impossível para o CCD. E o consumo de energia das soluções CMOS é menor, o que também é importante para câmeras de vigilância compactas.

Que haja cor

Para obter uma imagem colorida, a matriz decompõe o fluxo luminoso em suas cores componentes: vermelho, verde e azul. Para isso, filtros apropriados são usados. Diferentes fabricantes variam a localização e o número de elementos fotossensíveis de cores diferentes, mas a essência disso não muda.

O princípio da formação de imagens em uma matriz fotossensível:


P - elemento fotossensível
T - componentes eletrônicos



Como o sensor CMOS da câmera é organizado e funciona também pode ser visto neste vídeo da Canon:


As matrizes CMOS de todos os fabricantes são baseadas nos princípios gerais descritos acima, diferindo apenas nos detalhes de implementação em silício. Por exemplo, na busca de baixo custo e super lucro, os fabricantes de chips tentam produzir matrizes o menor possível. O retorno por isso é inevitável ...

Por que grande é bom

O tamanho (ou em outras palavras, formato) da matriz é geralmente medido na diagonal em polegadas e indicado na forma de frações, por exemplo 1/4 ", 1/3", 2/3 ", 1/2 polegada, etc.

A primeira regra para escolher a melhor matriz é bastante simples: com o mesmo número de pixels (resolução), quanto maiores as dimensões físicas do sensor, melhor. Uma matriz maior possui pixels maiores, o que significa que captura mais luz. Os pixels da matriz maior são menos espaçados, o que significa menos interferência e menor nível de ruído espúrio, o que afeta diretamente a qualidade da imagem resultante. Por fim, uma matriz maior permite obter grandes ângulos de visão ao usar uma lente com a mesma distância focal!


Sensor fotossensível semicondutor ON para câmeras de CFTV



Sensor fotossensível montado na placa de filmadora

Infelizmente, matrizes de grande formato em câmeras de vigilância em massa agora praticamente não são usadas devido ao alto custo das matrizes e lentes para elas, que devem ter lentes maiores e, consequentemente, dimensões e custos. Hoje, as câmeras são instaladas principalmente no tamanho de matriz 1/2 "- 1/4" (estas são as menores). Ao escolher uma câmera, você precisa entender claramente que a compra de um modelo de baixo custo com uma matriz SOI de 1/4 "e uma pequena lente com lentes plásticas de transparência duvidosa, não é possível criar um sistema de monitoramento de vídeo de qualidade aceitável, no qual seria possível distinguir claramente entre pequenos detalhes dos eventos capturados, especialmente ao fotografar em condições de pouca luz.

A escolha de uma câmera com uma câmera Sony de 1 / 2,8 "a priori proporcionará um resultado muito melhor em qualidade de vídeo. Uma câmera com essa matriz já pode ser usada em um sistema profissional de vigilância por vídeo. E a sensibilidade dessa câmera será obviamente maior, o que permitirá melhores fotos em baixa resolução. Iluminação: com mau tempo, ao entardecer, em um quarto escuro, etc. Com um aumento na resolução no mesmo tamanho da matriz, a fotossensibilidade diminui e isso também precisa ser levado em consideração na escolha.Para uma câmera instalada em uma raiz escura Rotne na porta traseira, faz sentido escolher uma matriz com uma resolução mais baixa e uma sensibilidade mais alta do que uma câmera de resolução ultra-alta com uma matriz de baixa sensibilidade na qual nada pode ser claramente distinguido devido ao ruído.

Fotossensibilidade

A fotossensibilidade da matriz determina a possibilidade de sua operação em condições de fraca iluminação ambiente. Do ponto de vista da física, isso parece bastante banal: quanto menos energia luminosa for suficiente para obter uma imagem por uma matriz, maior sua fotossensibilidade. Mas! Seremos honestos, não vale a pena buscar alta sensibilidade. O fato é que as modernas câmeras de CFTV mudam com segurança para os modos dia / noite, com uma diminuição da iluminação, traduzindo a matriz em uma imagem em preto e branco com maior sensibilidade. Além disso, a inclusão automática de iluminação infravermelha oferece às câmeras a capacidade de fotografar perfeitamente, mesmo na escuridão total. Por exemplo, em uma sala fechada sem janelas e com as luzes apagadas, quando não há sequer uma palavra sobre o nível de algum tipo de iluminação externa. A fotossensibilidade permanece crítica para as câmeras que não possuem iluminação infravermelha, mas usá-las na moderna vigilância por vídeo é quase uma má idéia. Embora modelos de carroceria sem luz de fundo ainda estejam à venda, é claro.


Comparação de matrizes de diferentes fabricantes

Em geral, a regra é esta: quanto maior a iluminação, melhor a matriz e, consequentemente, a câmera levará. Portanto, não é recomendável colocar câmeras nos cantos e recantos escuros, mesmo que tenham boa sensibilidade. Lembre-se de que a especificação das matrizes da câmera geralmente indica o nível mínimo de iluminação quando você pode capturar pelo menos alguma imagem. Mas ninguém promete que essa imagem terá pelo menos uma qualidade aceitável! Será nojento em 100% dos casos, dificilmente pode ser desmontado. Para alcançar pelo menos um resultado satisfatório, é recomendável filmar pelo menos 10 a 20 vezes mais quando iluminado que o mínimo aceitável para a matriz.

Os fabricantes apresentaram várias soluções técnicas para melhorar a sensibilidade das matrizes CMOS e reduzir a perda de luz durante a captura de imagens. Para isso, basicamente é usado um princípio: destacar o elemento fotossensível o mais próximo possível dos microlentes da matriz que coleta a luz. A Sony lançou sua tecnologia Exmor, que reduziu o caminho da luz através da matriz:



Em seguida, os fabricantes progressivos mudaram por unanimidade o uso de matrizes retroiluminadas, o que permite não apenas encurtar o caminho da luz através da matriz, mas também aumentar a área útil da camada fotossensível, colocando-a sobre outros elementos eletrônicos na célula:



A tecnologia de luz de fundo oferece à câmera a máxima sensibilidade. Daí a conclusão - "ceteris paribus" é melhor comprar uma câmera usando uma matriz com luz de fundo do que sem ela.

Para melhorar a imagem em condições de pouca luz para matrizes de baixo custo e baixa sensibilidade, os fabricantes de câmeras podem usar vários truques. Por exemplo, o modo “obturador lento” ou, mais simplesmente, o modo de velocidade lenta do obturador. No entanto, a “manchação” dos contornos dos objetos em movimento já na fase de fixação da imagem pela matriz nesse modo não nos permite falar de um pouco de gravação de vídeo de alta qualidade, portanto, essa abordagem é completamente inaceitável na vigilância por vídeo de segurança, onde os detalhes são importantes.

Uma inovação definitiva na qualidade da imagem foi o advento da tecnologia Starlight, introduzida pela primeira vez nas câmeras da Bosch em 2012. Essa tecnologia, graças à combinação da enorme fotossensibilidade da matriz (da ordem de 0,0001 a 0,001 lux) e a muito eficaz tecnologia de redução de ruído, possibilitou a obtenção de imagens coloridas de alta qualidade de câmeras de vídeo em condições de pouca luz e até à noite.



Embora a maneira tradicional de superar a luz fraca - usando a iluminação infravermelha - permita obter uma imagem nítida apenas no modo monocromático (tons de cinza), as câmeras com tecnologia Starlight permitem obter uma imagem colorida com muito mais informações. Em particular, com pouca luz, um sistema de CFTV com tecnologia Starlight pode distinguir facilmente as cores de carros, roupas e outros sinais importantes.

Aqui está uma demonstração da tecnologia Starlight em ação:



Sumário

Ao escolher uma câmera de vigilância, preste atenção às características da matriz e não apenas à sua resolução. De fato, a qualidade da imagem e, consequentemente, a utilidade da câmera dependerão muito disso. Antes de tudo, você deve prestar atenção a uma marca confiável, tamanho e resolução da matriz, a fotossensibilidade é importante apenas para câmeras sem iluminação IR.

Eu recomendo levar uma câmera com uma matriz pela qual você pode encontrar uma folha de dados sã com informações detalhadas, em vez de comprar um porco em um puxão. Por exemplo, você pode encontrar facilmente especificações para matrizes ON Semiconductor, Omnivision ou Sony. Mas características mais ou menos detalhadas das matrizes SOI não podem ser encontradas à tarde com uma lanterna. Suspeita-se que o fabricante tenha algo a esconder ...

Mas o resultado geral é este: as matrizes CMOS vencidas incondicionalmente em dispositivos de vigilância por vídeo e em um futuro próximo não abrirão mão de nenhuma tecnologia concorrente.