Принцип работы камеры видеофиксации скорости: как устроена система фото- и видеофиксации нарушений ПДД — Автомастерская "DIAG38" в Иркутске

Содержание

как работают камеры и за сколько метров фиксируют нарушение

Камер фотофиксации нарушений ПДД становиться из года в год все больше и больше, и перечень нарушений, которые может зафиксировать такая камера с передовым программным обеспечением, также внушителен. При этом все камеры без исключения призваны фиксировать нарушение скоростного режима. Такой масштаб размещения камер обусловлен тем, что техника беспристрастна и объективна по сравнению с инспекторами ГИБДД и договориться с ней нет возможности, хотя иногда камеры также дают осечки и фиксируют «псевдонарушения».

Как и по какому принципу работают камеры фиксации скорости? За сколько метров камеры фиксируют нарушение скоростного режима? Работают ли камеры фиксации скорости ночью? По какому принципу работают камеры контроля средней скорости? Ответим на эти вопросы в данной статье.

Принцип работы фотокамер на дороге

Основной принцип работы, используемый в большинстве фотокамер, построен на использовании метода эхолокации, который предполагает получение на матрицу камеры ряда отраженных от транспорта сигналов, после чего система рассчитывает расстояние, преодоленное транспортом между сигналами, и по математической формуле вычисляет скорость.

Дорожные камеры нового поколения, только появляющиеся на дорогах, ведут фото- и видеослежение и попутно рассчитывают скорость транспорта, находящегося в движении. Существуют также камеры, в основе работы которых лежит лазерный луч, попадание которого под тем или иным углом дает возможность на основании уравнений для эффекта Доплера произвести расчеты скорости.

Сами камеры могут быть:

стационарными. Они единожды установлены на месте постоянного размещения, свободно не меняют своего места размещения;
мобильными. Они имеют возможность свободно перемещаться, поэтому используются на разных участках дороги, в зависимости от поставленной задачи. Данный тип камер включает радары на служебных автомобилях полиции, камеры, устанавливаемые на штативы либо в руках, устройства скрытого наблюдения.

Камеры фотофиксации (стационарные) функционируют круглосуточно. Ночное время суток не препятствует фиксации нарушений, поскольку они оснащены инфракрасной подсветкой.

Принцип работы фотокамер контроля средней скорости

Скорость движущегося транспорта может быть измерена как средняя или моментальная. Все зависит от функциональных особенностей камеры и программного обеспечения. В случае измерения средней скорости используется совокупность радаров, размещаемых на определенном участке автомагистрали.

Комплекс «Автодория»

Производит расчет средней скорости на определенном участке дороги, который может равняться как паре сотен метров, так и достигать нескольких километров. Радарную часть данные комплексы не содержат. Фактически в начале и конце расчетного участка производиться фотофиксация, которая призвана зафиксировать временной интервал между моментами пребывания в заданных точках. Расстояние системе известно заранее. Имея две переменные, система автоматически рассчитает среднюю скорость движения. Даже такая, казалось бы простая система, дает сбои. Дело в том, что до конца не исключены случаи, когда при схожести автомобилей и их гос.

номеров, система идентифицирует объекты как один и тот же транспорт, в результате чего при отсутствии состава правонарушения у обоих водителей, один из автовладельцев может получить необоснованное письмо со штрафом.

Система «Вокорд»

Для данной системы достаточно одной фотокамеры, чтобы определить среднюю скорость транспорта, поскольку такие камеры делают несколько снимков подряд на определенном участке дороги. Для данных систем также не применяются радары, но из-за ограниченного расстояния, на которых и происходит фотофиксация и расчет скорости объекта, полученный результат будет максимально приближен к значению фактической скорости.

Комплекс «Автоураган»

Камеры комплекса вычисляют скорость движения объекта «сертифицированным оптическим методом по видеоизображению», что собой представляет измерение параметров наблюдаемого объекта в кадре. Объектом выступают не параметры всего транспортного средства, а лишь его номерной знак.

Радар «Кордон»

В ходе фиксации радар одновременно распознает номер транспорта, определяет координаты и производит расчет скорости.

Несмотря на многообразие систем и комплексов видеофиксации, основанных на разных принципах работы, не существует универсального комплекса, работающего без сбоев и ошибок. Основная причина таких ошибок – неполадки в программном обеспечении, чаще всего к таковым приводят вирусы и сбои, но бывают и более прозаичные – например, погодные условия, которые повлияли на изменение (смещение) местоположения камеры.

Расстояние, достаточное для фиксации скорости

Расстояние от фотокамеры, достаточное для фиксации скорости, зависит, в первую очередь, от типа системы фотовидеофиксации. Немаловажное значение играют погодные условия, время суток и т.д. Если система состоит из несколько одновременно функционирующих камер по типу «Автодория», то расстояние может измеряться несколькими километрами.

Если комплекс состоит из одной самостоятельной фотокамеры, то движущийся объект попадает в ее поле зрения примерно в 450-500 метрах от камеры. Это максимальное расстояние в идеальных условиях (светло, ясно, чистый объектив и т. д.). Нарушение может быть зафиксировано пока объект находиться в поле зрения фотокамеры, т.е. попадая в него за 450-500 метров, еще несколько сотен осуществляется контроль и расчет скорости. В случае нарушения фотофиксация, как правило, осуществляется на расстоянии 50-70 метров до места крепления камеры.

Маневрирование на контролируемом фотокамерой участке дороге до финальной фотофиксации, такое как перестроение из полосы в полосу, уход из зоны видимости (перестраивание за впереди идущим транспортом больших размеров) предполагает в теории, что система забудет нарушителя. Но зачастую полученные результаты скорости нарушителя присваиваются иному транспорту, который двигается по соседству с нарушителем и фактически письмо со штрафом получает невиновное лицо. Аналогичная ситуация обстоит с мотоциклами, номерные знаки которых, как правило, не попадают в поле зрения камер из-за их размещения, но двигаясь с нарушениями скоростного режима по соседству с автомобилями, система по ошибке фиксирует нарушения, но не водителя мотоцикла, а водителя соседнего с ним авто.

Заключение

Несмотря на огрехи фотокамер, фактически на сегодняшний день это максимально объективный, беспристрастный и неподкупный из всех существующих способов контроля за соблюдением ПДД. Попытки, предпринимаемые водителями, которые любят полихачить на дороге, не дают желаемого результата. Наклейки, спреи и прочие манипуляции с номерными знаками, как правило, не создают препятствий для фотокамер, а вот выявление таких фактов инспекторами может привести не только к штрафу, но и к лишению водительских прав.

Советуем почитать: Какие радары и камеры использует ГИБДД в 2018 году?

Рейтинг: 0/5 (0 голосов)

Камеры, фиксирующие скорость автомобиля: история, факты, методы борьбы

Как и когда камеры ГИБДД фиксируют превышение скорости автомобиля.

Каждый водитель в России, наверное, не раз задумывался над вопросом, откуда камеры фотовидеофиксации нарушений ПДД начинают фиксировать автомобили. Также многих интересует вопрос, когда необходимо замедляться, чтобы не получить штраф за превышение максимально установленной скорости на дороге. 1gai.ru попробует ответить на этот, возможно, не совсем морально этический вопрос.

Камеры контроля скорости состоят, как правило, из нескольких частей: одна часть измеряет скорость транспортных средств на дороге, а другие части фиксируют фотовидеокомплексом каждый автомобиль, нарушивший скорость. Далее данные по каналам связи поступают в единый информационный центр, где обрабатываются для последующего принятия процессуального решения.

Откуда берет камера Стрелка?

Большинство современных фотовидеокомплексов фиксации правонарушений на российских дорогах в настоящий момент представляют собой радарные системы, основанные на военных технологиях. Давайте на примере самого продвинутого комплекса – Стрелка – разберем принцип работы радарных камер на дорогах.

Радарный комплекс, основанный на военной технологии (данная технология была разработана для незаметного обнаружения и перехвата военных целей), измеряет скорость с помощью радиолокационного измерителя скорости и дальности объектов, основанного на классической импульсной схеме.

Видео с канала YouTube Supram3n

Как правило, комплексы Стрелка работают на частоте излучения радиолокатора 24,15 ГГц. Длительность импульса по уровню 0,5Ризл.=30 нсек. Период повторения импульсов 25 мксек. Для каждого обнаруженного объекта комплекс фиксирует от 256 до 1024 отраженных импульсов, которые быстро преобразуются в спектральный анализ с целью выделения для каждого объекта Доплеровской частоты. Затем комплекс формирует матрицу координат обнаруженных объектов.

Фотовидеофиксирующий комплекс, как правило, состоит из видеокамеры и ИК-фильтра (прожектора). ИК-прожектор позволяет подсвечивать фиксируемые объекты на расстоянии до 150-200 метров.

Радарный блок и комплекс фотовидеофиксации нарушений ПДД взаимодействуют друг с другом следующим образом: радар излучает импульсы, которые распространяются до 1000 метров (по заявлению производителя комплекса Стрелка), что позволяет фиксировать скорость транспортных средств с расстояния, с которого водители не видят камеру контроля скорости. Импульсный сигнал, отражаемый от транспортных средств, поступает обратно в блок быстрого преобразования импульсов радара, где и формируются данные о координатах движущихся объектов и их скорости.

Одновременно с этим видеокамера передает кадры с движущимся транспортным средством программе по распознаванию образов, после чего на кадрах также выделяются движущиеся объекты и определяется их скорость и координаты. В том числе программа строит траекторию движения фиксируемых автомобилей.

Данные с радара и камеры поступают затем в специальную программу, которая сравнивает показатели двух систем. В случае отсутствия существенного расхождения данных программа определяет автомобили, превышающие скорость, после чего на расстоянии 50 метров происходит их фотосъемка.

Кстати, те, кто думает, что в плохую погоду комплексы камер Стрелка слепы, ошибаются. Судя по техническому описанию документации ККДДАС Стрелка, комплексы способны анализировать дорожную ситуацию при ЛЮБЫХ погодных условиях. В том числе комплекс способен работать даже при влажности 98%.
Смотрите также

Вот все камеры, которые используются на дорогах России

Разновидности автоматических камер

С каждым годом на дорогах появляются все более усовершенствованные модели видеокамер, не позволяющих нарушителям оставаться безнаказанными. Мы хотели бы познакомить вас с несколькими вариантами таких камер и рассказать о их особенностях.

ПКС-4

Снятый с производства, однако, время от времени встречающийся кое-где, радарный комплекс. Имеет отличительную черту — антенну. Вообще, имеет возможность слежения только за одной полосой, хотя было отмечено, что в некоторых случаях удавалось расширить диапазон до трех.

Из-за нестандартных частот, недорогие радары, устанавливаемые автолюбителями для предупреждения фотографирования, ПКС-4 способны были определить далеко не всегда. При погрешности в плюс-минус 3 км/ч, камера реагировала на скорости от 40 до 220.

Сова-2

Этот комплекс отличался «кучкованием» — так как одна камера могла регулировать только одну полосу, устанавливались они на каждой, в основном — перед постами ДПС.
Сейчас их редко где можно встретить, скорее всего, в виду использования оптического метода измерения и, следовательно, довольно большой погрешности, а также из-за совсем небольшого диапазона скорости — от 20 до 150 км/ч.

Арена-C

Пусть не новый, но довольно надежный фото-комплекс. Производит фиксацию скоростей имея диапазон возможности при этом — от 20 до 250 км/ч. Может быть установлен как сбоку от дороги, так и над ней, обладает водоустойчивым корпусом.

Спокойно контролирует до трех полос, при этом имея возможность делать цветные фотокарточки в привычном формате JPEG.

Кречет-С

Более современный последователь Арены-С, умеющий не только фотографировать, но и снимать видео. Ко всему прочему имеет 2D радар, указывающий на цель, а также инфракрасную «вспышку», не слепящую водителей.

Данной системе подвластно контролировать до четырех полос, а помимо нарушений скорости, происходит наблюдение за желающими нарушить рядность, выехать на встречку или помешать общественному транспорту на их специальной полосе. Кречет «чувствует» скорость от 20 до 220 км/ч.

Крис-С

Познакомьтесь, один из самых устанавливаемых радаров на дорогах нашей страны. В целом, очень похож на Арену. Умеет выслеживать нарушителей скоростей, любителей покататься по встречке, а также тех, кто выезжает на полосу для общественного транспорта. Кстати, также, как и все предыдущие, является детищем отечественных производителей.

Кордон

Данная система предполагает не только слежение за четырьмя полосами движения и фиксацию различных нарушений, помимо превышений скорости, но также возможность распознания различных транспортных средств, для которых обозначен индивидуальный скоростной режим.
Модуль «Глонасс» определяет географическую точку нарушителя, и отправляет данные в соответствующие подразделение, направляющее «письмо счастья» по адресу регистрации нарушителя.

Регистрируются скорости от 20 до 250 км/ч, с погрешностью плюс-минус 2 км/ч. Помимо всего прочего, Кордон умеет по номерам «пробивать» нахождение автомобиля в розыске, а также собирает данные о загруженности проезжих частей.

Сегодня существует несколько классификация Кордона, специализирующихся на различных нарушениях. Так, «Кордон-М КР», представляет собой установленные камеры на перекрестках, ЖД переездах, и контролирует выезд водителей за стоп-линии.

А вот «Кордон-М2» и «М4», умеют отслеживать нарушителей-обочечников.

Паркон-С

Устанавливают его в общественно значимых местах, потому как система предусматривает наблюдение за определенными участками местности. Кстати, всевидящее око фиксирует далеко не только скоростные нарушения, но также неправильную парковку, например, на тротуарах или на местах для инвалидов.

К слову, отслеживается также «стоянка» и «остановка», что важно при выявлении нарушения за парковку по четным и нечетным дням.

МultaRadar SD 580

Первый заморский представитель в нашем списке. Отлично защищен от вандалов габаритным ящиком, умеет не только фотографировать, но и производить съемку, контролирует до шести полос проезжей части, а также различает транспортные средства по категориям, а значит, и учитывает ограничения для легковых и грузовых авто. Однако, данный комплекс актуален только для выявления нарушителей скоростного режима.

Авто Ураган

А вот и популярнейший представитель среди всех разновидностей «Большого Брата» в нашей стране. На сегодняшний день — является самым многофункциональным радаром (фиксирует 16 нарушений).
Некоторые разновидности Авто Урагана производят фиксацию скорость с помощью быстрой съемки — фотографирование происходит несколько раз с частотой в 40 секунд.

К слову сказать, в этом способе просчета учтена даже такая деталь, как расположение государственных номеров на автомобиле. Погрешность выдается 2 км/ч, что вполне соответствует стандартам.

На каком расстоянии начинает фиксировать камера Кордон?

Еще одна новейшая распространенная камера фотовидеофиксации нарушений ПДД на российских дорогах. Существует множество различных модификаций данного комплекса. Самый распространенный – это Кордон-М4. Данный комплекс, так же как и стрелка, использует комбинированные компоненты, измерящие скорость автотранспорта: радар, работающий на частоте 24,15 Ггц, и фотовидеокамеру. Согласно техническим характеристикам, указанным на официальном сайте, протяженность зоны контроля фоторадарного блока составляет всего 10-50 метров. Как видите, этот комплекс заметно уступает техническим возможностям комплекса Стрелка.

На каком расстоянии начинается фиксация скорости камер Крис?

Чаще всего на российских дорогах в настоящий момент применяют два вида камер Крис (Крис-П и Крис-С): стационарный комплекс и мобильный передвижной (камера устанавливается на треногий штатив).

Согласно техническим характеристикам комплекса Крис-П, дальность измерения скорости составляет не менее 150 метров. Максимальная дальность визуального определения ГРЗ ТС по фотоизображению при освещенности:

не менее 50 лк в зоне контроля – 100 метров
менее 50 лк с инфракрасной подсветкой – 50 метров

Технические данные комплекса Крис-С

Расстояние, достаточное для фиксации скорости

Если комплекс состоит из одной самостоятельной фотокамеры, то движущийся объект попадает в ее поле зрения примерно в 450-500 метрах от камеры. Это максимальное расстояние в идеальных условиях (светло, ясно, чистый объектив и т.д.). Нарушение может быть зафиксировано пока объект находиться в поле зрения фотокамеры, т.е. попадая в него за 450-500 метров, еще несколько сотен осуществляется контроль и расчет скорости. В случае нарушения фотофиксация, как правило, осуществляется на расстоянии 50-70 метров до места крепления камеры.

Комплекс измерительный с фотофиксацией Кречет-СМ

Еще один активно распространившийся в России комплекс фотовидеофиксации нарушений ПДД. Существует несколько модификаций комплексов Кречет. Одной из распространенных является Кречет-СМ

Данный комплекс, согласно техническим характеристикам, также способен фиксировать превышение скорости на растоянии не менее 150 метров. Правда, это значение возможно только при ясной погоде в дневное время. На практике данная камера фиксирует нарушение на растоянии не более 100-120 метров. В ночные часы и в дождливую погоду комплекс дает точные значения на растоянии не более 100 метров.

Подробнее о комплексе можно прочитать здесь

На каком расстоянии начинают фиксировать нарушение камеры Авто-Ураган?

В заключение давайте узнаем, на каком максимальном расстоянии могут фиксировать скорость автомобилей комплексы фотовидеофиксации нарушений ПДД Авто-Ураган. Данные комплексы в отличие от вышеуказанного оборудования менее распространенные на российских дорогах. Тем не менее в некоторых регионах России эти комплексы активно используются и по сей день. Так что несколько слов о технических данных этого оборудования нужно сказать. Наиболее распространенные комплексы данной системы – это Авто-Ураган-ВСМ.

Согласно техническим характеристикам данного комплекса, дальность измерения скорости и фотофиксации зависит от модификации оборудования и высоты подвеса. Вот технические характеристики комплекса:

Смотрите также

Как камеры ГИБДД превратились в станок по зарабатыванию денег

Итог

Мы, конечно же, в рамках одной статьи не рассмотрели с вами множество других фотовидеокомплексов нарушений ПДД, применяемых в настоящий момент на дорогах России. Здесь же мы рассмотрели самые передовые и распространенные камеры, которые чаще всего применяются для контроля скоростного режима автотранспорта.

Самой же продвинутой и распространенной камерой в России по-прежнему является Стрелка, которая заметно отличается по техническим характеристикам от других комплексов фотовидеофиксации. Но, несмотря на ее дальнобойность, на практике данная камера редко фиксирует превышение скорости на расстоянии больше 350 метров. Да, на прямых участках шоссе в ясный день, когда солнце не ослепляет объектив видеокамеры, она реально способна фиксировать скорость на расстоянии более 350 метров. Но такие погодные условия редки в нашей северной стране.

Виды камер видеофиксации ГИБДД

Все дорожные видеорегистраторы делятся на 2 вида:

Камеры, которые работают в автоматическом режиме.
Камеры, использующиеся сотрудниками Госавтоинспекции при наложении штрафов.

Камеры автоматической регистрации нарушений

Теоретически такие камеры должны регистрировать все дорожные нарушения, хотя на практике они фиксируют лишь часть из них. Кстати, список автодорожных нарушений, которые могут быть засняты такими приборами, законодательно до сих пор не определён.

Автоматические видеокамеры бывают:

переносными;
стационарными;
мобильными.

Переносные регистраторы требуют ежедневной установки и настройки. Практика показывает, что они способны зафиксировать только превышение водителем скорости.

Стационарные камеры очень удобны и практичны. Они устанавливаются в определённом месте и настраиваются один раз. Такие системы способны заснять:

превышение скорости;
выезд на стоп-линию;
маневрирование на запрещающий сигнал светофора;
выезд авто на перекрёсток при заторе;
выезд ТС на встречную полосу;
въезд под запрещающим знаком;
выезд на тротуар;
выезд на предназначенную для маршрутных ТС полосу;
нарушение дорожной разметки;
движение грузовиков за рамками второй полосы на автомагистралях;
поворот из второго ряда;
невключённый ближний свет фар;
нарушение правил оплаты проезда для тяжёлых грузовиков;
игнорирование пешеходов на «зебре».

Внимание! ГИБДД планирует ввести в программу видеофиксации езду без полиса ОСАГО или по поддельному полису.

Стационарные камеры способны контролировать движение по нескольким полосам движения одновременно, включая и встречные.

Какие бывают камеры автоматической видеофиксации нарушений и как они работают?

На дорогах РФ может быть установлено несколько видов таких камер. Далее рассмотрим самые распространённые марки:

Видеоустройство «Стрелка» распознаёт ТС, которые запрограммированы в его памяти. В идеальных условиях прибор видит цель за 400-500 метров, причём не одну, а несколько десятков сразу. За это время фиксируется правонарушение, затем видеокамера отслеживает машину. Автоматика распознаёт номер и фотографирует его за 50 м до места базирования системы. Радар, находящийся внутри устройства, определяет скорость движения, координаты и номер автомобиля одновременно.
Устройство «Автодория» высчитывает среднюю скорость автомобиля, движущегося на расстоянии от 100 м до 2-3 километров. Радара здесь нет, есть только фотокамеры, фиксирующие авто в начале и в конце отрезка пути.
Стационарный комплекс «АвтоУраган-ВСМ» способен зафиксировать 16 видов нарушений ПДД. Этот прибор обходится также без радара, здесь имеется только широкоугольная видеокамера, что не мешает определять скорость автомобилей с погрешностью всего 2 км/ч. Фиксируется также время проезда машины.
Устройство «Вокорд» также не использует радар. Система измеряет среднюю скорость только объективом, делая несколько кадров подряд.
Камера «Арена» бывает стационарной и передвижной. Её диапазон считываемой скорости составляет от 20 до 250 км/ч. Камера улавливает нарушителя в радиусе 8 метров. Способна полноценно работать в тёмное время суток.

Ни одна из видеокамер не исключает технических ошибок. Виновниками ошибок, как правило, являются вирусы и компьютерный сбой.

Многие водители задаются вопросом, способна ли видеокамера фиксировать нарушителей ночью.

Отвечаем: современные устройства работают в инфракрасном режиме, поэтому на ночном снимке будут отчётливо видны госзнаки (даже загрязнённые) и фары.

Видео: Как работают камеры фиксации нарушений ПДД

Как работают мобильные камеры?

Мобильные видеокамеры устанавливаются в автомобилях ГИБДД или в общественном транспорте.

Данные приборы определяют нарушения по ходу движения этих ТС и способны зафиксировать:

превышение скорости;
нарушение правил парковки;
нарушение правил оплаты проезда для тяжелогрузов.

Камеры, функционирующие совместно с сотрудниками ГИБДД

Такие устройства позволяют подтвердить виновность водителя и наложить на него штраф. Они фиксируют любое нарушение правил, но, в отличие от автоматических камер, не присылают так называемых «писем счастья». Инспекторы ГИБДД могут наложить штраф исключительно вручную.

Варианты использования подобных камер:

Инспектор снимает нарушение ПДД на камеру, затем останавливает автомобиль.
Сотрудник ГИБДД фиксирует нарушение правил, далее передает информацию на ближайший пост, где и останавливают водителя, чтобы наложить на него штраф.
Камера устанавливается перед постом ДПС. Она автоматически распознает номера проезжающих мимо автомобилей, проверяет их по базам и передаёт информацию на пост. Сотрудник ГИБДД останавливает автомобиль и производит проверку.

Измерение скорости: радары или видео? — STOP-газета

Компания «Технологии Распознавания» имеет значительный опыт создания и внедрения аппаратно-программных комплексов, применяемых службами ГИБДД для контроля дорожного движения, в том числе и для контроля скорости движения транспортных средств (далее — ТС). Многочисленные системы, в составе которых используются различные радары, уже эксплуатируются в разных регионах нашей страны и за рубежом.

По мере накопления собственного опыта эксплуатации комплексов на стационарных рубежах ДПС становилось ясно — применение радаров связано с рядом существенных недостатков, которых хотелось бы избежать.

Одновременно с этим формировалась идея измерять скорость ТС по видеоизображению. Сама эта идея не нова, однако существовавшие на то время методы и устройства на их основе были весьма примитивны и имели слишком высокую погрешность.

Сотрудники компании провели изыскательские работы по исследованию и усовершенствованию метода измерения скорости ТС по видеоизображению. Инженерам удалось классифицировать и исследовать все факторы, влияющие на точность измерения скорости по видео, и в итоге создать точную методику и измерительный комплекс на ее основе. В ноябре 2010 г. были завершены работы по сертификации СИ (средств измерения) в Госстандарте РФ и получено метрологическое свидетельство на средство измерения скорости ТС по видеокадрам «Автоураган»-ВС».

Важным звеном для обеспечения безопасности на дорогах являются комплексы видеофиксации нарушений ПДД. Особо значимые участки автодорог оборудованы автоматическими стационарными комплексами, которые в круглосуточном режиме осуществляют контроль над дорожной обстановкой. Один из видов контроля — это измерение скорости проезжающих ТС в целях выявления нарушителей скоростного режима. Для измерения скорости ТС в составе комплексов видеофиксации, как правило, используется радиолокационный доплеровский измеритель скорости — радар.

Радар имеет следующий принцип действия: в процессе работы он излучает радиосигнал в сторону движущихся ТС, тот отражается от автомобилей и возвращается обратно. По изменению отраженного сигнала вычисляется скорость движения транспортного средства, и вычисляется довольно точно, но…

Чем же так плох радар?

1. У сигнала, испускаемого радаром, есть такое понятие, как «диаграмма направленности». На этой диаграмме есть так называемые «боковые лепестки», которые могут захватывать отраженный сигнал от автомобилей, едущих сбоку от зоны контроля радара. В результате под луч радара может «попасть» более одного ТС. При этом радар является «слепым» прибором, т.е. сам он не может определить, сколько ТС попало под его лучи и скорость какого конкретно из этих ТС была измерена. В такой ситуации ошибка присвоения значения скорости может происходить, даже если соседнего автомобиля не видно на видеокадре.

Например: в кадре отображается грузовик-мусоровоз с измеренной скоростью 200 км/ч, которая ему «досталась» от «Мерседеса», проезжающего по соседней полосе и невидимого в кадре. Измеренная скорость явно не соответствует транспортному средству. Чем шире диаграмма направленности, тем больше вероятность таких артефактов измерения.

Описанная ситуация косвенно подтверждает факт неправильной работы комплекса с радаром, серьезно дискредитирующий данный метод. Таким образом, показания радара, сколь бы точными они ни были, можно считать достоверными только тогда, когда производится измерение скорости одиночных ТС — на трассах с разреженным движением.

Если же луч радара узкий (допустим, 2.5 м и менее), вероятность присвоения «чужой скорости» заметно уменьшается. Но возникает другая проблема. Видеокамера «видит» более широкую часть трассы. Тогда при плотном потоке движения в кадр видеокамеры может попасть более одного автомобиля. В этом случае, даже если радар произвел точные измерения скорости «по центру» зоны видимости, не существует убедительных доказательств, что измерена скорость именно данного ТС, а не другого, попавшего в кадр пусть даже частично. Такие кадры при выписке постановлений о выявленных нарушениях оператор вынужден отбраковывать, сколь бы явным ни казалось нарушение скоростного режима движения. Кроме того, при узком луче достаточно большое количество автомобилей просто объедут зону измерения — им достаточно всего лишь не соблюдать рядность.

Таким образом, при плотном потоке движения на городских трассах установка радара с узкой диаграммой направленности ведет к значительному числу пропусков регистрации скорости и/или отбраковки измеренных значений из-за неоднозначности доказательной базы. Опять же эффективность метода наблюдается лишь при измерении скорости одиночных ТС.

Принципиально радар может работать «под углом», с горизонтальным отклонением от вектора движения, но в этом случае еще более растет вероятность вышеизложенных артефактных измерений. Отсюда обязательная регламентация положения — радар должен располагаться строго над центром полосы движения. Но эта регламентация предопределяет сложную строительную конструкцию. Работа радара с консольного кронштейна в принципе возможна, но чтобы «дотянуться» до середины даже второй полосы нужны максимально длинные консоли. И при этом не следует забывать, что комплекс — это не только сам радар, но и видеокамера в термокожухе, осветитель, блоки питания — суммарный вес, тем более моноблока, большой, и он сосредоточен на краю консоли. Поэтому даже для двухполосных трасс желательны арки, фермы над трассами — а это достаточно дорогостоящее решение по сравнению с консольными кронштейнами.

2. Различные атмосферные явления, такие как сильный дождь, снег или грозовые разряды, могут непредсказуемо влиять на результат измерений радаром даже одиночных целей.

v Радар имеет ограничение измерения минимальной скорости — 20 км/ч. Меньшую скорость радар не измеряет в принципе. Это кажется не важным для выявления нарушений скоростного режима движения, но существуют задачи определения скорости именно при медленном движении — на ж/д переездах, в заторных ситуациях на трассах и т. п. В таких случаях радар для всех ТС будет выдавать значение 0.

3. Есть еще «социальный» недостаток у радаров. «Благодаря» своему принципу действия — непрерывному излучению — радар может быть обнаружен специальным устройством (радар-детектором или антирадаром), которым пользуются многие водители. А если они информированы, то снижают скорость на небольшом участке дороги, контролируемом радаром, а затем снова разгоняются. Такой прием сильно снижает эффективность применения радаров для выявления «гонщиков».

Чем же отличаются измерители скорости по видео от радарных методов?

1. Измерение скорости транспортных средств в плотном потоке. Если радары не предназначены для измерения скорости ТС в плотном потоке — они просто «путаются в показаниях», то для комплекса «АвтоУраган»-ВС это не является проблемой. Он измеряет скорость, основываясь на распознанном регистрационном (далее — рег.) знаке, т.е. ему в принципе не важно, сколько ТС находится в зоне контроля одновременно — скорость для каждого из них определяется НЕЗАВИСИМО.

2. В отличие от радарных систем в комплексе «АвтоУраган»-ВС полностью исключена возможность присвоения транспортному средству «чужой» скорости — если на фотоизображении ТС в протоколе рег. знак визуально читаемый, то, значит, измерение производилось по его изображению и выявленное значение скорости безусловно принадлежит данному ТС.

3. Распознавание может производиться под достаточно большим горизонтальным углом к вектору движения — до 30о. И этот угол никак не влияет ни на качество распознавания, ни, соответственно, на измерение скорости по видеоизображению. Если рег. знак конкретного автомобиля отчетливо виден в кадре, то проезжающие по соседней полосе другие автомобили никак не влияют на результат измерения скорости. Измеряющая видеокамера может располагаться сбоку от трассы и позволяет «видеть» зону контроля через полосу. Слева или справа — не имеет значения. А это значит, что можно не устанавливать сложные конструкции. Любой короткий консольный кронштейн решает дело.

Например, для контроля двух полос движения можно использовать уже установленную опору освещения, к которой на высоте 6 или более метров с помощью консольного кронштейна с минимальным вылетом, достигающим края первой полосы, будет крепиться лишь измеряющая видеокамера. Такое крепление позволяет минимизировать возможность перекрывания большегрузным, «высоким» транспортом более удаленной полосы. На краю кронштейна можно установить камеру, контролирующую вторую, дальнюю полосу, а камеру для ближней полосы можно разместить вообще около опоры (без выноса). Такая конструкция упрощает и удешевляет установку многократно. Аналогично решается установка камер и для трех полос. В этом случае консоль будет незначительно длинее. То же и для дорог с двусторонним движением, по две-три полосы в каждом направлении. Одно направление — с существующей опоры слева, второе — с существующей опоры справа. Камеры лишь слегка будут сдвинуты относительно друг друга, но рубеж будет полноценный. И арки во всю ширину дороги не нужны.

4. Дождь и снег не оказывают искажающего воздействия на результат измерения — если рег. знак ТС виден в кадре и визуально различим, то он будет распознан и скорость автомобиля будет определена точно.

5. При измерении скорости по видеоизображению нет понятия «минимальная скорость измерения». Измеряется средняя скорость ТС в зоне контроля, и чем медленнее он едет, тем точнее измеряется скорость. Для «АвтоУрагана»-ВС диапазон начинается от 1 км/ч только потому, что меньшего целого значения скорости не бывает (комплекс распознает рег. знаки и неподвижных автомобилей, но раз нет движения, некорректно говорить: «нулевая скорость»).

Значение «максимальной скорости» для «АвтоУрагана»-ВС на сегодняшний день ограничено уровнем развития оптической техники. Если увеличить вдвое глубину зоны контроля при сохранении текущей чувствительности матрицы камеры и резкости изображения по всему кадру, то предел измеряемой скорости теоретически также удвоится. В данное время прибор позволяет с требуемой точностью измерять скорость, не превышающую 255 км/ч.

6. «Автоураган»-ВС в процессе работы выглядит как обычная камера наблюдения и не излучает никаких сигналов, которые могут быть обнаружены «антирадарами» или подобными устройствами.

7. Важное преимущество «АвтоУраган»-ВС — это отсутствие радара как еще одного прибора. Нет дополнительного источника поломок, старения, дополнительных контактов и проводов.

А есть ли недостатки у метода измерения по видеокадрам?

Недостатки есть у любого метода. Есть они и в данном случае. Всего их три.

Первый — прибор не производит измерения скорости по видеоизображению, если рег. знак ТС отсутствует, не распознан или распознан недостаточно надежно с точки зрения системы. Но ведь для автомобилей, рег. знак которых на кадрах не виден (или виден, но нечитаем), невозможно автоматически формировать постановление о нарушении скоростного режима движения! Оно будет судебно оспорено. Поэтому, учитывая высокое качество распознавания номеров системой «АвтоУраган»-ВС, которое обеспечивает распознавание практически всех визуально читаемых номеров, данный недостаток сходит на нет.

Второй недостаток — измерение скорости может осуществляться не по любым типам рег. знаков, а только по тем, которые описаны в программном обеспечении комплекса (те типы рег. знаков, размеры которых известны). На сегодняшний день количество поддерживаемых типов рег. знаков достаточно велико — это не только все знаки РФ, включая двустрочные и устаревшие знаки СССР, но и знаки практически всех стран СНГ, Евросоюза, многих стран Латинской Америки, США и даже Индии и Австралии. Поэтому данный нюанс является недостатком только при использовании в тех странах, рег. знаки которых пока не поддерживаются.

Ну и, наконец, основной недостаток — более высокая величина погрешности, по сравнению с радарами. В заявленных характеристиках указывается «±5%». Это несколько выше, чем соответствующий показатель у «радарного» комплекса. Однако радиолокационному методу измерения скорости уже много лет. За годы эксплуатации приборы совершенствовались и повышали свои точностные характеристики. Новым же методам и приборам на их основе не принято изначально присваивать высокую точность. Через год-два эксплуатации на практике реальные характеристики будут улучшены, что происходит, в общем, со всеми приборами. Но на сегодняшний день приходится мириться именно с декларированной точностью.

Принцип действия метода

Метод измерения скорости ТС по видеоизображению основан на классическом, косвенном измерении скорости. Поскольку эталона скорости, с которым можно было бы сравнить результат измерения, не существует и прямое измерение произвести нельзя, то производится косвенное измерение. Видеокамера отображает некоторый, заранее измеренный участок дороги. Когда транспортное средство пересекает данный участок дороги в поле зрения видеокамеры, производится распознавание рег. знака, а затем измерение пройденного пути и времени, за которое ТС прошло этот путь. Разработанный метод учитывает все возможные влияния на результат измерения и позволяет снизить погрешность измерения до метрологически приемлемого значения. 3 февраля 2011 г. Федеральный институт промышленной собственности вынес решение о выдаче патента на изобретение по данному методу.

Значение скорости движения ТС вычисляется как отношение пути, пройденного некоторой его фиксированной точкой в зоне контроля видеокамеры, ко времени, за которое этот путь был пройден. В системе «Автоураган»-ВС за такую опорную точку взят центр пластины номерного знака.

Измерение времени производится по времени следования видеокадров.

Аналоговая CCTV-видеокамера стандарта PAL (по ГОСТ 7845-92) формирует полные видеокадры каждые 40 миллисекунд.

Действительный период следования видеокадров имеет весьма незначительное отклонение от 40 мс, что соответствует погрешности не более ±0,02% (т.е. пренебрежимо мало). Программное обеспечение комплекса «АвтоУраган»-ВС четко фиксирует время каждого видеокадра, благодаря чему всегда можно вычислить временной интервал, за который автомобиль пересек зону контроля, от первого зафиксированного кадра до последнего.

Длина участка дороги в зоне контроля видеокамеры (для ее штатного, рекомендованного расположения) составляет около 6 метров. Двигаясь, например, со скоростью 80 км/ч, автомобиль проедет такой путь за 270 миллисекунд. Видеокамера формирует видеокадры каждые 40 миллисекунд. Это значит, что автомобиль во время проезда зоны контроля видеокамеры будет зафиксирован 6 раз (270 разделить на 40).

Измерение расстояния — это вычисление пути, которое автомобиль проехал от первого до последнего зафиксированного кадра.

Перед началом эксплуатации комплекса, после монтажа видеокамеры производится так называемая «градуировка» комплекса — измерение участка дороги, отображаемого видеокамерой (зоны контроля видеокамеры), и геометрических параметров взаимного расположения видеокамеры и ее зоны контроля. (На рисунке изображена схема градуировки: измерение высоты подвеса видеокамеры над дорогой h, расстояние от точки проекции видеокамеры на дорогу до начала зоны контроля L1 и до конца зоны контроля L2.)

Когда ТС проезжает в зоне контроля видеокамеры, программное обеспечение «АвтоУраган»-ВС распознает его рег. знак и одновременно отслеживает перемещение знака в кадре. Для каждого кадра с видимым распознанным рег. знаком ТС определяются координаты точки центра пластины. Далее, с учетом взаимного расположения видеокамеры и ее зоны контроля, координаты точки центра пластины рег. знака пересчитываются в плоскость дороги и вычисляется пройденный путь (точнее, его проекция на дорогу).

И в завершение, по запатентованной методике определяется высота подвеса пластины рег. знака на ТС по известным размерам этой пластины.

Реальная ширина номерной пластины известна из результата распознавания (Размеры российских рег. знаков заданы ГОСТ Р 50577-93.)

С учетом высоты подвеса пластины определяется точное значение пройденного пути ТС в зоне контроля видеокамеры. Разделив значение пройденного пути на время между первым и последним кадром, получим искомую среднюю скорость автомобиля в зоне контроля.

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, что благодаря колоссальной работе, проделанной нашими специалистами, можно с уверенностью утверждать о наличии серьезного потенциала повышения точности измерения скорости этим методом. Благодаря своей простоте и прозрачности данный метод безусловно завоюет доверие и популярность у всех участников дорожного движения.

Ю.Л. Зарубин, генеральный директор ООО «Технологии Распознавания»

Возврат к списку

Измерители скорости, которые использует ГИБДД

&bigtriangleup;

&bigtriangledown;

Сокол

Производитель — АОЗТ Ольвия, Санкт-Петербург.

Небольшой, полностью автономный радиолокационный измеритель скорости, работающий в Х-диапазоне. Хорошо работает как с единичными, так и с движущимися в потоке целями с расстояния 300—500 метров. Идентифицируется любыми радар-детекторами. Из-за высокой надежности, удобства в обращении и относительно небольшой цены ($390) активно закупается подразделениями ГИБДД. Первая версия прибора была выпущена в 1998 г., с тех пор он дважды модернизировался и на сегодняшний день выпускается в двух модификациях: «Сокол М-С» и «Сокол М-Д».

«Сокол М-С» предназначен для стационарной работы, имеет регулируемую дальность действия, память, разделение направлений движения, контроль одновременно двух целей. «Сокол М-Д» кроме вышеперечисленного может работать при движении инспектора в патрульном автомобиле, измеряя при этом скорость как встречных, так и попутных транспортных средств. Прибор оснащен экраном, на котором отображается информация о скорости транспортного средства, времени момента нарушения и настройках прибора.

Еще одна особенность прибора — возможность контролирования сразу двух объектов. Эта функция полезна при решении конфликтных ситуаций.

Сокол-Виза

Производитель — АОЗТ Ольвия, Санкт-Петербург.

Мобильный комплекс замера скорости и видеофиксации представляет собой радар Сокол, работающий в паре с цифровой видеокамерой. Система работает в стационарном режиме (устанавливается на неподвижный патрульный автомобиль) и может измерять скорость только встречных машин. Дальность действия радара — 500 метров, однако эффективность видеофиксации ограничена возможностями видеокамеры. Фактически, максимальная дальность составляет 50—100 метров.

Сокол-Виза позволяет фиксировать на видео не только нарушение скоростного режима, но и проезд на красный свет или выезд на встречную полосу — опротестовать обвинение с такой доказательной базой в суде вряд ли удастся.

Искра-1

Производитель — НПО Симикон, Санкт-Петербург.

Недорогой ($430) и очень эффективный радар, работающий в К-диапазоне. Определяя скорость автомобиля по импульсному принципу (параметры движения цели Искра вычисляет за 0,2 секунды), этот прибор легко обманывает практически все супергетеродинные радар-детекторы зарубежного производства: они воспринимают короткую посылку Искры как импульсную помеху.

С помощью этого измерителя можно определять скорость как встречных, так и удаляющихся машин. Кроме того, Искра может держать в памяти скорости двух автомобилей, расстояние до них и время нарушения.

Универсальный доплеровский радар ИСКРА-1 выпускается в различных конструктивных и функциональных модификациях. Все модели обеспечивают выбор самой быстрой цели из потока, совместимы с видеофиксатором и персональным компьютером.

«ИСКРА-1″В — прибор в основном предназначен для работы в стационарном режиме на дорогах с невысокой интенсивностью движения, преимущественно в одном направлении (прибор без селекции направления целей). Наиболее экономичная модель.
«ИСКРА-1» — прибор предназначен для работы в стационарном режиме на дорогах со средней и высокой интенсивностью движения. Позволяет выбирать направление фиксируемых целей;
«ИСКРА-1″Д — полнофункциональная модель радара, способная решать любые задачи по контролю скоростного режима. Прибор применяется как для работы в движении по встречным и попутным целям в направлении движения патрульной автомашины или в обратном направлении, так и в обычном стационарном режиме с селекцией направления целей.
«ИСКРА-1» ДА — датчик скорости для работы в составе различных комплексов и систем контроля скорости.
«ИСКРА-ВИДЕО» — комплекс радара с видеофиксатором «КАДР-1» для фиксирования изображения нарушителя и документирования факта превышения порога скорости.

ЛИСД-2

Производители — НПП Полюс и ОАО Красногорский завод, Россия.

Прибор выполнен в виде бинокля с оптическим прицелом. Его основное преимущество — использование узконаправленного светового излучения, позволяющего выделить в плотном потоке машин любое транспортное средство и определить его скорость. Узконаправленный лазерный луч могут распознать далеко не все радар-детекторы. Однако, даже если сигнал ЛИСДа обнаружен, реагировать поздно — скорость уже зафиксирована.

Прибор ЛИСД работает только с неподвижной точки, но определяет скоростные параметры как приближающихся, так и удаляющихся целей. Дальность действия — 1000 метров, диапазон фиксируемых скоростей — до 350 км/ч.

Прибор ЛИСД-2 — один из самых дорогих: его цена составляет $3600. А в комплекте с цифровой видеокамерой он стоит более $5000.

Барьер 2М Производитель — объединение Запорожприбор, Украина.

Работает в так называемом Х-диапазоне (10,525 ГГц + 25 МГц). Позволяет определять скорость только приближающихся машин. Максимальная дальность действия — 500 метров. Барьер неплохо бьет по одиночным целям, но создает проблемы при выделении самого быстрого автомобиля в потоке. Работает только от бортовой сети автомобиля и идентифицируется всеми известными радар-детекторами. Барьер 2М — основное оружие московской ГИБДД (70% от общего числа измерителей скорости в Москве). Цена — $150—200.

Барьер 2-2М

Производитель — Запорожприбор, Украина.

Модернизированный прибор аналогичен Барьеру 2М, но выполнен по моноблочной схеме. Этот измеритель может работать в автономном режиме, питаясь от встроенных аккумуляторов. Из-за низкой надежности широкого распространения не получил. Цена — $290.

ПКС-4

Производитель — СКБ Тантал, Россия.

Такими постами контроля скорости (ПКС) оборудованы практически все стационарные пикеты на Московской кольцевой автодороге и выездах из столицы. Комплекс состоит из видеокамеры, совмещенной с радаром, работающим на частотах К-диапазона (24,15 ГГц + 100 МГц) в импульсном режиме. Радар-детектором не определяется.

Прибор ПКС-4 может анализировать скорость машин только в одном ряду. Вся информация (фотография машины, значение скорости) выводится на монитор компьютера, может распечатываться и служит неоспоримым доказательством нарушения.

ВКС

Производитель — НПП Синтез, Санкт-Петербург.

В основе видеокомпьютерной системы (ВКС) — американский радар Python, который работает в К-диапазоне. Комплекс базируется на патрульном автомобиле и позволяет фиксировать скорость машин, движущихся в попутном и встречном направлениях, причем сам патрульный автомобиль может двигаться. При динамическом замере радар определяет скорость машины-носителя по неподвижным предметам (столбам, деревьям) и сразу же вычисляет скорость цели. На экране монитора появляется картинка с изображением машины-нарушителя.

Комплекс ВКС позволяет фиксировать проезд на красный свет, выезд на встречную полосу и документировать место ДТП.

Стоимость ВКС составляет $5500, но после замены американского радара Рython на отечественный цена должна снизиться до $3500.

Беркут

Производитель — фирма ВАИС, Россия.

Основная задача этого комплекса — идентификация регистрационных знаков автомобилей и проверка их по базам данных Угон, Розыск, Техосмотр. Система Беркут может определять и скоростные параметры движения.

РАДИС

Производитель — НПО Симикон, Санкт-Петербург.

Мобильный радар нового поколения.

Отличительные особенности и новые возможности :

высокая точность (±1 км/час)
расширенный диапазон контролируемых скоростей (10-300 км/час)
исключительная скорость измерений (не более 0,3 сек)
уникально малый вес (450 грамм с АКБ) с тщательно выверенным центром массы, прибор удобно и приятно держать в руке
два дисплея (сверх яркий светодиодный и жидкокристаллический с подсветкой) обеспечивают наглядность и простое управление с помощью системы экранного меню
встроенный фонарик с встроенным таймером отключения для подсветки документов нарушителя
встроенный USB-порт и радиоканал для обмена данными с внешними устройствами (компьютером, пультом и т.д.)
удобная съемная рукоятка с темляком на запястье — для удобства работы «с руки»
cамотестирование и полная электро- и термозащита встроенного аккумулятора
селекция направления движения целей (встречная/попутная)
возможность выбора самой быстрой и/или самой ближней цели из группы
сохранение в памяти индивидуальных настроек при отключении питания
возможность проведения измерений при зарядке аккумулятора
возможность использования бортового источника питания с расширенным диапазоном входных напряжений
конструкция измерителя предусматривает множество вариантов крепления в салоне автомобиля
дистанционное управление по радиоканалу радаром, установленным на капоте или крыше патрульного автомобиля (крепление радара на магнитной подставке)

АвтомАтизированный стационарный комплекс фотофиксации нарушений ПДД «КРИС» С

Производитель — НПО Симикон, Санкт-Петербург.

Фоторадарный комплекс «КРИС»C предназначен для автоматической фотофиксации нарушений ПДД с возможностью передачи данных на стационарные или мобильные посты. Комплекс применяется также для распознавания государственных номеров ТС и проверки их по различным федеральным и региональным базам.

Принцип работы фоторадарных датчиков базируется на двух процессах: измерении скорости цели доплеровским радаром и анализа кадров зафиксированной цели в зоне контроля. В фоторадарных датчиках второго поколения используется новый радар с плоской направленной антенной и очень узкой диаграммой направленности (3,6 градусов), что обеспечивает измерение скорости только тех целей, которые находятся в кадре.

В датчиках установлено новое программно-аппаратное обеспечение, которое решает задачи математической обработки данных, получаемых с радара и камеры, анализа изображения на кадрах и распознавания номеров, самодиагностики, климатического контроля, а также выполняет коммуникационные функции.

В результате обработки данных и анализа изображения фоторадарный датчик выдает один зафиксированный кадр со значением скорости и распознанным номером автомобиля. Полученные кадры и данные по цифровым каналам связи передаются в on-line режиме на сервер хранения центрального поста или на мобильный пост.

Датчики устанавливаются над каждой полосой движения, что позволяет фиксировать всех нарушителей на данном участке дороги. Датчики можно направить навстречу или вслед движущемуся транспорту.

Фоторадарный передвижной комплекс «КРИС»П

Производитель — НПО Симикон, Санкт-Петербург.

Фоторадарный комплекс «КРИС»П является оперативно-техническим средством контроля скоростного режима и предназначен для фото- и видеофиксации нарушений ПДД с возможностью передачи по радиоканалу данных и кадров на удаленный мобильный пост. В комплексе используется новый фоторадарный датчик второго поколения.

Как работает камера фотофиксации

Автоматические камеры фотофиксации являются неотъемлемой частью нашей жизни уже около трех лет, а словосочетание «письмо счастья» настолько плотно вошло в обиход белорусского автолюбителя, что не всякий народный фольклор с ним сравнится. Корреспондент abw.by провел один день с человеком, для которого камера фотофиксации является рабочим инструментом. Как устанавливается прибор, какова его погрешность, что делать, если камеру захотят украсть, — обо всем этом нам расскажет техник-водитель СЗАО «Безопасные дороги Беларуси» Владимир Владимирович.

7.15 утра, а у него улыбка на лице, и хорошее настроение как будто транслируется через светоотражающие элементы рабочей жилетки. О том, нравится ли работа, размере зарплаты и что побудило устроиться на такое место, Владимир отвечает резво:

— Работаю здесь чуть больше года, бывший сотрудник милиции, на пенсии, — начинает «камерамен». — После того как уволился из органов, избытка в предложениях по работе не испытывал. Знакомый посоветовал устроиться сюда техником-водителем: работа не пыльная, платят неплохо.

После этих слов мы садимся в белый «каблучок» Renault Kangoo. К слову, эти автомобили уже настолько примелькались автолюбителям, что безо всяких «проблесковых маячков» и «цветовых меток» дают понять: где-то неподалеку камера фотофиксации.

— Сегодня мы поедем в сторону Борисова, на первый километр трассы Р53, — продолжает свой рассказ Владимир. — На этой точке я еще ни разу не был, хотя у нас их не так много. Работа техников-водителей регламентирована внутренними инструкциями. Проверять и контролировать ее поручено сотрудникам ГАИ. В основном смотрят наличие информационной таблички, иногда расстояние камеры от проезжей части и расстояние от таблички до камеры. А бывает, что «проверяющих» не устраивает, что мой автомобиль стоит на зеленой зоне. Правда, остановится не на зеленой зоне и в то же время, чтобы камера была в зоне видимости, на трассе практически невозможно.

— Система фотофиксации реализуется в нашей стране, скажем так, странно, — признается Владимир.- Нигде в мире нет такого, чтобы в местах, где находится мобильная камера, стояли предупреждающие знаки. Кстати, правильнее называть их информационными табличками. Ни в одном законодательном акте нашего государства таких знаков нет, а потому их применение регламентировано лишь внутренними положениями.

— Раньше наши камеры устанавливались без табличек. И это, я считаю, правильно. Ну какой от них смысл, если об их местонахождении всем известно? Все мы люди, и бывают ситуации, когда «спешишь» или «не заметил». Я сам на эти камеры попадался. Один раз попался, второй. Надоело каждый раз условно по 100.000 на ветер выбрасывать. После этого стал ездить аккуратнее. То есть именно так должны действовать эти камеры на граждан. Для такого эффекта они и устанавливаются. По-моему, такая процедура привлечения к ответственности на данный момент наиболее эффективна и достаточно лояльна. Ведь в случае с нарушениями, зафиксированными на камеры фотофиксации, не идет речи о повторности.

Вообще, многие ДТП происходят именно по причине нарушения скоростного режима. В то же время на трассе М1 ограничение скорости 120. На многих других — 90-100. Да, есть не совсем удобные дороги, например Р53: трасса узкая, но практически от Минска и до самого Борисова стоят знаки «70». Когда дежурил на этой дороге, мне местные жители пирожки приносили, благодарили. Там же венками вся трасса заставлена.

— А вот от местных водителей благодарностей, наверное, слышать не приходилось

— Как раз наоборот! Местные жители-то в основном водители сельхозтехники. Так что они тоже благодарят, потому что иначе выехать с перекрестка просто невозможно. Знак «70» висеть-то висит, но водители, очевидно, там двигаются с превышением скорости. А информирование о наличии камеры вынуждает их сбросить скорость.

А вот и место нашей дислокации. По левую сторону — Курган Славы, по правую — пустырь. Ветер на улице сумасшедший. Не будет ли это помехой для работы камеры? Посмотрели инструкцию по применению: погодных условий, которые могли бы помешать работе камеры, просто не существует. Разве что экстремально низкая температура может внести коррективы в работу.

— Сначала устанавливаем информационную табличку по обе стороны дороги в 150 метрах от камеры. Затем ставим саму камеру. А в конце рабочего дня наоборот: сначала убираем камеру, потом — таблички. Это предусмотрено инструкцией, каждый день на разнарядке об этом напоминают. Такого, чтобы «психануть, и не поставить знак», не было. За это могут уволить, а такую работу все-таки терять не хотелось бы. По требованию ГАИ, если на дороге есть разделительная полоса, информационная табличка должна находиться и на ней. Во время настройки камеры также выставляется знак «Проведение ремонтных работ», а на автомобиль устанавливается проблесковый маячок.

— Камера может контролировать как прибывающие автомобили, так и убывающие, но принцип работы совсем иной, нежели у радара. Она выдает световой луч и считывает скорость путем принятия отраженного от автомобиля света. Именно поэтому антирадары не могут выследить камеры. После установки нужно каждые два часа подходить к камере с ноутбуком и скачивать информацию о зафиксированных нарушениях. Если камера может передавать информацию по Wi-Fi, то из автомобиля можно и не выходить. Я слежу только за технической стороной работы аппарата. Во время настройки я должен «вбить» в компьютер ограничения по скорости для легковых и грузовых автомобилей, действующие на этом участке дороги.

— Поскольку никаких других знаков на данном участке нет, максимально разрешенная скорость движения для легковых автомобилей — 90, для грузовых — 70. С учетом всех погрешностей, плюс наши граждане всегда едут на 10 километров в час больше положенного, мы устанавливаем для легковых значение 102, для грузовых — 82. Это означает, что если кто-то будет ехать со скоростью 102 километров в час (или 82 соответственно), то камера будет фиксировать эти значения как нарушения скоростного режима.

— Предыдущая модель камеры могла забраковывать изображения, на которых в кадр попало два автомобиля, из-за чего невозможно было определить, который из них превышал скорость. Сейчас камера при фотофиксации использует рамки захвата, в которые должна попадать часть номера автомобиля или часть колеса плюс часть участка дороги. Таким образом решается вопрос о принадлежности сфотографированного регистрационного номера конкретному автомобилю.

Пока устанавливали камеру, подъехал водитель эвакуатора. По его словам, к нему приходят «письма счастья», в которых к его автомобилю применяются ограничения по скорости как к грузовому, а должны применяться как для легкового.

Техник-водитель на такие вопросы отвечать не уполномочен. Поэтому мы порекомендовали водителю обратиться напрямую в колл-центр «Центра фиксации правонарушений» — именно там дают первичные разъяснения по интересующим вопросам. Забегая вперед, хочется отметить, что позже нам удастся выяснить, чем обусловлена такая проблема. После установки и настройки камеры запускаем рабочий режим и отправляемся в машину.

После запуска обязательно нужно позвонить оператору, который зафиксирует время начала работы. После этого — заполнить соответствующий документ, заказ-наряд. В нем обнаруживаем время работы «с 7.00 до 20.00».

— Что можно делать в те самые двухчасовые перерывы между снятием информации с фотокамеры? Может, можно куда-нибудь отъехать или поспать?

— Нет, это исключено. Мало ли что с камерой случится! Есть ноутбук, так что можно посмотреть фильмы. Можно книгу почитать. Один мой коллега имеет познания в программировании, так он в рабочее время, пока сидит в машине, удаленно работает и на второй работе. Также регулярно техниками-водителями производится «прием граждан». Сейчас мы находимся в таком месте, где и камеру, и знак хорошо видно. Вообще, место не самое удачное для камеры. А вот в местах, где нарушений можно было ожидать больше, водители прямо вереницей «на прием» выстраиваются. Если особо буйные попадаются, можно просто заблокировать двери в автомобиле и не обращать внимания на эти «танцы с бубном». Повозмущаются и уйдут.

— Как знакомые относят к такому месту работы?

— Меньше знакомых не стало, — смеется Владимир. — Они все адекватные люди, поэтому относятся абсолютно нейтрально.

— Курьезные случаи в практике были? Может быть, кто-то пытался похитить камеру или повредить?

— У меня такого не случалось, чтобы кто-то пытался украсть камеру. Мои коллеги также ничего подобного не рассказывали. Был однажды случай, когда подошел пьяный мужчина, еле на ногах держался, завалил камеру и убежал в кукурузу. Но полномочий кого-то задерживать у меня нет. То есть, если бы он пытался забрать камеру, я, конечно же, её удерживал бы и не отдал, но задерживать лицо я не имею права. Хотя я за камеру материально ответственен. При этом и камера, и я застрахованы. Как-то приезжал депутат, просил представиться и показать документы. Правда, зачем я должен был показывать документы и какие именно, я не совсем понял. Пусть даже и депутату. Он ведь не контролирующий или проверяющий орган. Покричал, повозмущался — и уехал. А вот сразу после него подъехали сотрудники ГАИ. Я уже подумал, что меня так скоро проверять приехали. Оказалось, что в паре километров тот самый депутат попался на скорости 146.

— А за что могут уволить техника-водителя?

— Придешь с «бодуна» — сразу увольнение. Или работал у нас молодой человек. Приехал его проверить кто-то из руководства. Подошел к машине, а у него солнцезащитные очки на голове, ноги в форточке торчат, на ноутбуке фильм идет, а сам он спит. Его сразу же и уволили.

— О, вон тот грузовик превысил, — резко меняет тему разговора Владимир. — Камера произвела вспышку. Она фиксирует только те автомобили, которые едут со скоростью, превышающей установленную техником-водителем. На остальные автомобили камера просто не реагирует. Вообще, статистика использования камер фотофиксации на данный момент такова: из всех нарушений на дороге 70 процентов выявлены камерами фотофиксации.

Подходим к камере: за 45 минут она зафиксировала 8 нарушений скоростного режима.

Это совсем небольшой показатель. В летнее время количество нарушений несколько выше.

Вот уже за нами приезжает начальник отдела МДКС (МДКС — мобильный датчик контроля скорости, прим.ред.), который доставит нас туда, где происходит хранение, обработка и назначение штрафов по итогам рассмотрения изображений с камер фотофиксации. Выясняем, что начальник отдела МДКС «решает проблемы» любого характера. Может быть, он сможет ответить и на вопрос, который задавал подъезжавший к нам ранее водитель эвакуатора.

— Многие увидевшие вспышку останавливаются, беспокоясь, «за что их могли оштрафовать, если они не нарушали» — отвечает начальник отдела МДКС. — Беспокоиться стоит начинать, только когда приходит постановление ГАИ. Камера могла среагировать на едущий рядом автомобиль или на большие габариты. Не стоит забывать, что фотографии проходят несколько степеней сортировки. Операторы вручную отслеживают по номерному знаку, является автомобиль грузовым или легковым. Если камера неверно считала габариты автомобиля, то оператор отправит фотографию в брак. Однако человеческий фактор никто не отменяет. Иногда можно неверно идентифицировать одну букву или цифру — и все: автомобиль из грузового превращается в легковой. Во всяком случае, недовольные вынесенным решением всегда могут обжаловать его в ГАИ. Если в жалобе отразятся объективные претензии, то ГАИ может направить эту жалобу нам. Но таких жалоб приходит не более одной-двух в месяц. И все они касаются неверно идентифицированных габаритов автомобиля. Раньше камеры устанавливались без предупреждающих информационных табличек. А бывало, что и наоборот: устанавливались таблички, а камеры — нет. И это тоже водителей дисциплинировало. Они снижали скорость на участке, где якобы стояла камера. Сейчас камеры можно устанавливать только вместе с информационными табличками.

Ну что, уже можно говорить, что время провели с пользой. Ведь если водитель того эвакуатора будет читать abw.by, сможет найти ответ на свой вопрос. Из рук начальника отдела МДКС попадаем прямо в руки заместителя директора по организационной, правовой и инвестиционной деятельности Алексея Алексеевича:

— Проект реализуется с 2012 года, за это время было установлено 179 стационарных камер и 21 мобильная. Информация, собранная со всех камер, поступает на общий сервер, затем — в отдел процессинга на контроль. И уже после контроля информация о превышении скорости поступает к сотруднику ГАИ. К слову, подразделение ГАИ, которое занимается вынесением постановлений по нарушениям с камер фотофиксации, базируется в нашем центре. В этом отделе выносится постановление, которое заверяется электронной подписью. Далее постановление направляется в подразделение печати, которое находится в этом же здании. Оттуда «сконвертованные» постановления направляются на почту для рассылки адресатам. Наверняка вы слышали про пункты контроля и оплаты — ПКО. Спешим уверить, что настроены они только на ТС нерезидентов РБ и расположены на границе, чтобы «вылавливать» правонарушителей, не оплативших штрафы. Сейчас мы планируем использовать и мобильный ПКО.

— Техническая возможность настроить камеры на отслеживание оплаты техосмотра или страховки тоже имеется, но этим мы пока не занимаемся. Планируем расширяться, внедрять камеры, отслеживающие проезд железнодорожных переездов, светофоров на запрещающий сигнал и др. Наша организация не является каким-то подразделением, филиалом или франшизой какой-либо иностранной организации. Она создана в РБ с нуля, в рамках инвестиционного договора, все идеи, используемые в ее работе, полностью наши.

Чтобы подробнее разобраться с работой конкретных отделов, отправляемся на небольшую экскурсию по Центру фиксации правонарушений.

Начальник отдела процессинга Александр Сергеевич:

— Основная задача сотрудников отдела обработки заключается в сортировке фото на качественные и некачественные. При этом к качественным изображениям относятся те, которые позволяют проводить в дальнейшем административное производство, то есть должен быть четко виден регистрационный знак. Если «номер» не виден, то изображение считается некачественным. Изображение с фиксацией превышения скорости поступает оператору обработки, который оценивает качество фото и направляет его сотрудникам ГАИ или отклоняет от дальнейшего производства по причине плохого качества изображения. От оператора обработки фото поступает к оператору контроля, который проверяет правильность решения оператора обработки. Если оператор контроля не согласен с решением оператора обработки, фото возвращается в обработку, но уже к другому оператору.

— Качественные фото отправляются сотрудникам ГАИ. И уже они решают, кого и в каком порядке привлекать к административной ответственности. Это же касается и автомобилей с дипломатическими и служебными «номерами» и т.п. Только сотрудник ГАИ может определить, в каком порядке привлечь конкретное лицо к ответственности.

Узнав много интересного, отправляемся вслед за изображениями, полученными на камеры фотофиксации, в отдел, где работают сотрудники ГАИ, но… проходим мимо, поскольку на двери предупреждение: «Посторонним вход воспрещен». Да, мы там будем явно посторонними.

После вынесения постановлений их необходимо распечатать, упаковать, внести в базу данных и отправить. Всем этим занимается отдел печати.

Именно здесь мы наткнулись на совершенно удивительный аппарат — бесконвертер. Кладешь в него распечатанное постановление, а на выходе получаешь готовенький конверт. Те, кто получал письма счастья, наверняка уже знакомы с нехитрой схемой, когда на лицевой стороне — конверт, а на внутренней — постановление.

Вот и все, обход закончен. Удалось посмотреть трудовые будни большей части персонала Центра фиксации правонарушений. А в это время где-то в районе Кургана Славы Владимир Владимирович всего лишь третий раз за день планово отзвонился оператору. Еще столько же, и очередной рабочий день «камерамена», как прозвали мы его в редакции, будет окончен.

Роман САВИНИЧ
Фото Антона ШЕЛКОВИЧА
ABW.BY

Многоцелевой универсальный комплекс видеофиксации нарушений правил дорожного движения «Азимут»

Первый универсальный комплекс фотовидеофиксации нарушений ПДД, измеряющий безрадарным способом скорость движения автотранспорта как в конкретной точке дорожной сети, так и на протяженном участке.

Многофункциональность комплекса, высокая надежность работы оборудования в различных регионах России при любых погодных и климатических условиях в короткий срок вывели фиксатор нарушений ПДД «АЗИМУТ» на лидирующие позиции.

Комплекс прошел всю необходимую сертификацию, благодаря чему является оптимальным решением даже при необходимости соответствия самым жестким требованиям и стандартам.

Материалы о нарушении ПДД, формируемые Комплексом для передачи на сервер обработки и хранения, подтверждены электронно-цифровой подписью (ЭЦП) в соответствии с ГОСТ Р 34.10-2012.

Фиксатор «АЗИМУТ» оснащен приемной аппаратурой ГНСС ГЛОНАСС/GPS, осуществляющей прием данных о точном времени и географических координатах комплексов.

Комплекс «Азимут» является средством измерений и поставляется с первичной поверкой независимо от типа контролируемых нарушений.

КИПТ «Азимут» выпускается в двух видах исполнения:

для установки вне помещений в термостабилизированном корпусе, в вандалозащищенном шкафу;
для установки в помещениях в 19” корпусе.

Основные технические характеристики КИПТ «Азимут»

Наименование	Значение характеристики
Способ измерения скорости	математическая обработка видеокадров	при измерении скорости на участке дороги протяженностью от 500 до 5000 м
Диапазон измерений скорости движения транспортных средств, км/ч	5-250	5-250
Пределы допускаемой погрешности измерений скорости	относительная 3%	относительная 1,5 %
Процент безошибочного распознавания: в светлое время суток не менее, % в темное время суток не менее, %	95 90
Пределы допускаемой абсолютной погрешности привязки текущего времени комплекса к шкале UTC (SU), мс	10
Высота установки видеокамер, м	6,5 -10,0
Расстояние от видеокамеры до дальней точки зоны контроля, м	30 — 55
Размеры зоны контроля: длина, м ширина, м	8-12 2,8 -3,2
Диапазон работы ТВ датчика с угла (расстояние от проекции точки установки ТВ датчика на дорожное полотно до оси контролируемой полосы движения транспортных средств) не более, м	4,5
Время непрерывной работы, час в сутки	24
Потребляемая мощность, не более, Вт	1500
Число полос движения автотранспорта, контролируемое одним комплексом	до 8
Питание от сети: Напряжение, В Частота, Гц	230 ±10% 50±2,5
Температурный режим, °C	от -40 до + 50
Относительная влажность воздуха при + 25°C	до 95%
Срок службы, лет	6

Частота кадров в зависимости от выдержки, прямая установка

Выдержка и частота кадров — это два тесно связанных и часто путающих параметра камеры. Хорошая новость заключается в том, что если вы глубже изучите значение каждой настройки, вы будете полагаться на них, чтобы действительно улучшить свою видеоигру.

Чтобы помочь нам определить нюансы между этими невероятно важными техниками, мы обратились в кинематографический коллектив Story & Heart. Они объединились с режиссером Рэем Цангом, получившим премию «Эмми», чтобы выявить как сходства, так и различия.

Посмотрите урок ниже, чтобы увидеть частоту кадров и выдержку в действии (буквально), и прокрутите до основных моментов этих двух методов.

Частота кадров

Частота кадров — это количество отдельных кадров, составляющих каждую секунду видео. Также известный как FPS (количество кадров в секунду), наиболее распространенные частоты кадров составляют 24, 25 и 30 кадров в секунду.

Выдержка

Выдержка — это время, в течение которого экспонируется каждый отдельный кадр.В видео выдержка почти всегда составляет доли секунды. Число, используемое при установке выдержки, относится к знаменателю этой дроби. Итак, если вы установите выдержку на 60, это означает, что каждый кадр экспонируется в течение 1/60 секунды.

То же, но другое

Частоту кадров можно ошибочно приравнять к выдержке. Другими словами, некоторые люди считают, что если они снимают со скоростью затвора 1/100 секунды, они, в свою очередь, снимают 100 кадров в секунду.Это не тот случай. Как объяснялось в видео выше, типичная частота кадров, с которой мы снимаем, составляет около 24 кадров в секунду (а иногда 25 или 30). Выдержка означает, что вы экспонируете каждый отдельный кадр в течение 1/100 секунды.

Как настроить передачу

Как правило, вы хотите, чтобы скорость затвора была примерно вдвое больше количества кадров в секунду, которое вы записываете. Итак, если вы записываете со скоростью 30 кадров в секунду, вы хотите, чтобы скорость затвора составляла 1/60 секунды.

Даже если вы обычно устанавливаете выдержку в два раза больше количества кадров в секунду, вы можете добиться некоторых стилистических эффектов, отклонившись от нормы. Скорость затвора заметно повлияет на внешний вид вашего видео, особенно когда дело касается движения. Короткая выдержка, например, 1/400 секунды, дает четкие кадры, которые при воспроизведении выглядят прерывисто. С другой стороны, длинная выдержка (например, 1/30 секунды) приводит к тому, что серия размытых кадров выглядит более плавной при воспроизведении.

Как вы можете видеть в учебнике Story & Heart выше, более высокая скорость затвора создает энергичный, четкий теннисный мяч, а более низкая частота кадров дает вам размытый прыгающий мяч — и более расслабленное настроение. Поиграйте с этим! Вы можете обнаружить, что более высокая или более низкая выдержка лучше подходят для атмосферы вашего видео.

Высокоскоростное видео: выбор системы замедленной съемки | визуализация | Справочник по фотонике

Спрос на высокоскоростную визуализацию увеличился для широкого круга приложений, от краш-тестов автомобилей до поведения животных и характеристик компонентов продукта.

Эндрю Бриджес, Photron USA, Inc.

Существует растущий рынок систем визуализации, которые обеспечивают немедленное замедленное отображение процесса, что позволяет видеть события, которые происходят слишком быстро, чтобы человеческий глаз мог их воспринять или понять. .

Процесс выбора системы, которая будет соответствовать конкретной потребности или применению, может быть трудным из-за большого количества доступных систем. Эта статья послужит руководством для оценки параметров производительности и технических характеристик конкретной системы.Будь то устранение дорогостоящего затора на производственной линии, наблюдение за головой манекена, врезавшейся в рулевое колесо при лобовом столкновении на скорости 50 миль в час, съемка нападения акулы на морского котика мыса (рис. 1), проверка отделения саботажа от танка. оболочки или просто пытаясь отрегулировать качели для гольфа, следующее предоставит обзор. Это обсуждение будет включать информацию о нескольких камерах и системах, а также о том, какие вопросы следует рассмотреть перед покупкой системы замедленной съемки.

Рисунок 1. Акула нападает на морского котика мыса. Кадры, снятые со скоростью 1000 кадров в секунду (1024 × 1024 пикселей) с помощью камеры Ultima APX Photron. Любезно предоставлено телеканалом BBC-TV «Планета Земля», эпизод «От полюса к полюсу».

Как быстро?

Высокоскоростные видеокамеры работают в широком диапазоне частот кадров — от 60 кадров в секунду (кадров в секунду) до более одного миллиона кадров в секунду. Все высокоскоростные видеокамеры работают с полным разрешением до определенной скорости, а затем уменьшают разрешение или окно для достижения более высоких скоростей.Важно установить, какая частота кадров вам нужна, чтобы запечатлеть событие, которое вы просматриваете в замедленной съемке. При записи циклического производства, такого как этикетирование или упаковка, которое происходит с x количеством раз в секунду, обычно требуется как минимум три изображения за цикл, чтобы увидеть и понять явление. Если процесс складывания коробок на производственной линии происходит со скоростью 6000 единиц в минуту, процедура, очевидно, будет равна 100 коробкам, складываемым в секунду. В соответствии с приведенным выше правилом необходимо будет записывать процесс складывания коробки со скоростью не менее 300 кадров в секунду, чтобы зафиксировать процесс для облегчения просмотра и понимания.

Рис. 2. Последовательность высокоскоростных изображений пуска ракеты Атлас.

Если событие не является циклическим, например запуск ракеты (рис. 2) или испытание на удар транспортного средства, то требуется тщательное планирование, чтобы зафиксировать действие в наиболее важный момент. Важно определить, какие временные детали должны быть измерены в готовой последовательности изображений или выходном видео.

В автомобильном краш-тесте (записанном со скоростью 1000 кадров в секунду в соответствии с федеральным мандатом) большинство действий происходит в пределах 0.01 с или 10 мс. При записи пуска ракеты скорость действия может быть еще выше. Если снаряд летит со скоростью 500 м / с (ракета «Сайдвиндер» легко превышает это значение) и имеется поле обзора 100 м, то он пройдет через окно изображения за 0,2 с или 200 мс.

Однако, если вам нужно сделать 100 кадров в пределах этого 100-метрового поля обзора, вам понадобится камера, которая может делать снимки каждые 2 мс, что соответствует 500 кадрам в секунду. Если FOV уменьшится до 10 м, а все остальные критерии останутся прежними, для захвата тех же 100 кадров потребуется 10-кратная (5000 кадров в секунду) скорость.Частота кадров зависит от того, сколько изображений вы хотите увидеть о событии, независимо от того, за цикл или за все событие.

Как долго?

Еще одна область, которую следует учитывать при оценке высокоскоростной цифровой видеосистемы, — это продолжительность записи или время записи. Это часто путают с тем, как срабатывает камера, о чем мы поговорим позже. Настоящий вопрос: как долго длится процесс или сколько (в секундах) события необходимо записать? В высокоскоростном видео используется встроенная цифровая память с произвольным доступом (RAM) для сохранения изображений.Есть способы увеличить продолжительность записи, например, уменьшить скорость или разрешение, но по сути вы должны определить, сколько времени вам нужно для записи. Последние системы также позволяют пользователям увеличивать время записи за счет уменьшения битовой глубины записываемых пикселей (подробнее об этом позже). Уменьшение битовой глубины с 12 до 8 бит приведет к увеличению емкости записи на пятьдесят процентов.

Если событие происходит с перерывами, то возникает вопрос: «Сколько времени записи мне нужно?» Более уместный вопрос: «Как мне активировать камеру, чтобы снимать видео каждый раз, когда возникает проблема?» Цифровые высокоскоростные камеры могут оставаться в режиме записи почти бесконечно, поскольку они циклически перебирают данные через свой буфер памяти по принципу «первым пришел / первым вышел» (FIFO).Это значительное улучшение по сравнению со старыми пленочными камерами, которым требовалось время, чтобы набрать скорость (цифровая камера мгновенно фиксировалась на любой выбранной вами скорости стабилизации кристалла), а затем могла поддерживать эту скорость только в течение нескольких секунд, прежде чем закончилась пленка. Когда цифровой буфер заполнен, первое записанное изображение автоматически перезаписывается. Система продолжает перезаписывать данные до тех пор, пока не получит триггерный сигнал, такой как оптический или звуковой триггер, замыкание переключателя или цифровой триггер TTL, такой как сигнал тревоги или нажатие клавиши клавиатуры.

В зависимости от того, как система была настроена оператором, она может сохранять все изображения, записанные до получения триггерного сигнала, сохранять все после того, как сигнал поступил, или переменный процент изображений до или после триггера. Передовые системы могут автоматически загружать некоторые или все сохраненные изображения на сетевой жесткий диск перед автоматическим перезапуском в ожидании следующего сигнала запуска.

Пространственное разрешение

Разрешение, или, точнее, пространственное разрешение, необходимо учитывать при поиске идеальной системы для ваших конкретных потребностей.Лучший пример того, почему разрешение имеет значение, подробно описан в этом сценарии из реальной жизни. Одному заказчику требовалось иметь возможность производить измерения в пределах 1/10 дюйма в поле зрения 8,5 футов. Поскольку 8,5 × 12 = 102, у камеры будет 102 дюйма для покрытия. Для измерения до 1/10 дюйма потребуется 10-кратное это число, или 1020 пикселей.

Рисунок 3. Fastcam SA-X — разрешение мегапикселей до 12500 кадров в секунду.

Развитие алгоритмов отслеживания движения позволяет программному обеспечению анализа движения отслеживать очень точно с точностью до одной десятой пикселя.Однако по-прежнему рекомендуется, чтобы у вас была полная квота пикселей, необходимая для распознавания того, что вы просматриваете. Чтобы достичь желаемой скорости кадрирования (скорости камеры), вам может потребоваться пожертвовать частью разрешения. Наивысшее разрешение, которого может достичь Fastcam SA-X от Photron, составляет 12500 кадров в секунду при полном мегапиксельном разрешении (рис. 3). При выборе камеры важно определить, какое разрешение пикселей будет при требуемой скорости, поскольку все высокоскоростные видеокамеры уменьшают разрешение для достижения более высоких скоростей.

Битовая глубина

Другая форма разрешения, которую следует учитывать, называется битовой глубиной, иногда называемой динамическим диапазоном. Битовая глубина означает, сколько оттенков серого использует датчик для перехода от чисто белого к чисто черному. Старые системы использовали 8 бит, что означает, что они использовали 256 шагов для перехода от белого к черному. Теперь системы предлагают 10 бит (1024 шага), 12 бит (4096) или даже 14 бит (16 384), которые необходимы для некоторых сложных приложений. По большей части от 8 до 12 бит более чем достаточно, особенно с учетом того, что Windows — это 8-битная операционная система, и во многих случаях датчик выдает только от восьми до 10 используемых бит, остальные теряются в шуме.Чтобы в полной мере оценить эти дополнительные от двух до шести битов, вам нужно будет инвестировать в специализированное и дорогое оборудование и дисплеи. Дополнительные биты полезны в мегапиксельных системах, таких как Fastcam SA5 и SA-X, и камерах высокой четкости (HD), таких как системы SA2, SA6 и BC2, потому что они предлагают возможность выбрать, какие 8 из 12 записанных битов вы отображаете. Это может быть очень эффективным средством извлечения максимума деталей из теней или других недоэкспонированных областей или дополнительным средством увеличения времени записи.

Все высокоскоростные системы должны быть доступны как в монохромном, так и в цветном исполнении. Все они используют один и тот же базовый монохромный датчик, но к цветным версиям прикреплен цветной фильтр, который приносит в жертву некоторую светочувствительность, даже когда используются микролинзы для максимального увеличения количества фотонов, падающих на собирающую свет часть пикселя датчика. В большинстве систем используется цветовая матрица, известная как шаблон Байера, для получения приемлемых цветов на основе того, что на самом деле является черно-белым датчиком.Для этого смоделированного цвета требуется три бита для каждого монохромного пикселя, поэтому датчики цвета имеют в три раза больше битов; 24 против 8 или 30 против 10 и т. Д. Если у вас нет критической потребности в цветных изображениях, лучше всего придерживаться монохромных систем, поскольку они, как правило, менее дороги, а также более чувствительны, обеспечивая при этом сопоставимое качество изображения. .

Затвор и светочувствительность

Можно записать некоторые высокоскоростные изображения закрытия мышеловки (рис. 4) со скоростью 1000 кадров в секунду без дополнительной затвора, поэтому эффективное время затвора или экспозиции равно 0.001 с, но при ближайшем рассмотрении станет очевидно, что челюсти ловушки довольно размыты. Можно предположить, что требуется больше кадров в секунду. Однако изображений уже достаточно, но изображения размыты. Решением было бы увеличить выдержку.

Рис. 4. Последовательность изображений мышеловки.

Выдержку часто путают со скоростью кадрирования, но они совершенно разные. У 35-миллиметрового пленочного фотоаппарата диапазон выдержек составляет от секунды до тысячных долей секунды, но он по-прежнему делает максимум от одного до трех снимков в секунду.Точно так же, если высокоскоростная камера записывает со скоростью 1000 кадров в секунду, в идеале она собирает свет (выставляя датчик) в течение 0,001 с. С помощью цифровой стробирующей электроники фактическое время воздействия света на датчик может быть уменьшено до микросекунд или, возможно, меньше. В примере с мышеловкой, если мы сохраним скорость записи на уровне 1000 кадров в секунду, но сдвинем затвор с обратной частоты кадров (0,001 с или 1 мс) до 100 мкс, это уменьшит размытие на одну десятую.

Не сбрасывайте со счетов размытие; это может быть очень важным соображением при работе с высокоскоростными событиями, особенно снарядами, где его можно использовать для точного расчета скорости движения снаряда, если известны частота кадрирования и время выдержки затвора.Photron недавно выиграла контракт на замену стареющих пленочных фотоаппаратов на крупном военном полигоне. Контракт требовал, чтобы наши высокоскоростные цифровые камеры были оснащены автоматическим контролем экспозиции. Затвор должен был автоматически регулироваться, чтобы компенсировать изменение условий освещения, например, появление или исчезновение солнца из-за облачного покрова. Одним из важных требований было то, что скорость затвора не должна быть выше максимального предопределенного значения, которое было рассчитано для обеспечения того, чтобы интересующий объект оставался без размытия.В этом случае лучше было недоэкспонировать, чем иметь какое-либо размытие.

В области наук о жизни особую озабоченность вызывает светочувствительность, поскольку при интенсивном освещении выделяется большое количество тепла, что не всегда хорошо при съемке животных или насекомых. Поскольку новые КМОП-сенсоры даже более чувствительны, чем их аналоги на ПЗС, они устраняют проблемы размытия изображения (также известные как белые пятна, разрыв или размытие), когда освещенная горячая точка приводит к появлению более крупных вертикальных полос по всему изображению.

Количественная оценка светочувствительности датчика — неточная наука при использовании более привычных единиц измерения ASA / ISO, используемых для оценки 35-мм пленки, хотя все больше и больше компаний применяют метод ISO Ssat 12232. Убедитесь, что чувствительность любой камеры соответствует признанный стандарт ISO или аналогичный стандарт не на одном изготовителе! Если объект чувствителен к свету или теплу или производственная среда проблематична (например, на некоторых производственных линиях используются световые датчики в качестве защитных устройств, и дополнительное освещение может случайно сработать), лучше избегать использования чего-либо менее 1200 ISO / ASA для монохромная камера, или на одну треть меньше для цветной, поскольку важно отметить, что цветные датчики обычно от половины до одной трети чувствительнее, чем их черно-белые аналоги.

Из-за этих различных и потенциально сбивающих с толку факторов лучший совет для поиска правильной системы камер для правильной работы — это пригласить поставщиков камер и настоять на демонстрации в реальном времени. Легко продемонстрировать систему в конференц-зале в идеальных и контролируемых условиях, но ваша покупка должна быть основана на реальной демонстрации с реальными условиями в той среде, в которой вам потребуется система для работы.

С учетом конечного использования

Следующее соображение — конечное использование.При поиске и устранении неисправностей на линии производства прокладок может потребоваться мгновенный просмотр записанного высокоскоростного видео в замедленном режиме. Если необходимо сохранить часть последовательности изображений для последующего просмотра и / или анализа, вам нужно будет определить некоторые фундаментальные проблемы, например, как вывести изображения из ОЗУ камеры в реальный мир.

Главное — посмотреть на свой компьютер и определить, какие протоколы связи он поддерживает. Или вы можете использовать стандартные видеовыходы камеры HD-SDI или RS-170.Большинство ПК, включая ноутбуки, будут иметь средства для подключения к внешним устройствам через один или два порта Gigabit Ethernet. Это должно быть первым выбором, если у вас нет более сложных требований, таких как использование камеры, расположенной на расстоянии нескольких миль, что часто имеет место в военных испытаниях, в которых используются взрывчатые вещества и / или снаряды.

Рис. 5. Photron PCI-1024, мегапиксельный высокоскоростной формирователь изображения на базе ПК.

Лучше держаться подальше от протоколов, требующих специального оборудования, если этого не требуют ваши требования.Также важно иметь возможность загружать изображения непосредственно в распознанный и немедленно используемый формат (AVI, JPEG, TIFF и т. Д.) На выбранный вами ПК. Некоторые системы требуют длительного преобразования файлов после задания, в то время как другие могут быстро загружаться в модифицированный контроллер, но затем загрузка в реальный мир занимает целую вечность.

Корпус системы

Какой тип физической упаковки требуется для вашего приложения? Доступен широкий спектр систем, от недорогих пластиковых блоков с низким разрешением для почти одноразового использования на производственной линии до огромных систем, специально созданных в течение рекордно долгого времени, чтобы прикрыть запуск ракеты или повторный вход в атмосферу Земли.В некоторых системах PCI используются более дешевые ПЗС-матрицы или сверхчувствительные мегапиксельные CMOS-датчики, предназначенные для использования в персональных компьютерах или ноутбуках. Более сложные системы требуют корпуса, который спроектирован для надежной работы на борту аварийных транспортных средств или вблизи ракетных ударов. У всех этих систем есть сильные и слабые стороны и различия, которые могут повлиять на ваше решение при рассмотрении ваших конкретных требований к визуализации.

Для систем, требующих использования или управления через компьютер, важно ознакомиться с программным обеспечением, поставляемым с камерой.Программное обеспечение должно быть простым в использовании и интуитивно понятным, не требуя степени магистра компьютерных наук. Некоторые производители, включая Photron, будут поставлять свои системы с комплектом разработчика программного обеспечения, LabVIEW и оболочками MATLAB, чтобы опытные пользователи могли разрабатывать свой собственный интерфейс или интегрировать управление камерой в существующий интерфейс.

Запросить живую демонстрацию

Как и в случае с любой относительно новой технологией, существует много кажущейся противоречивой информации. Главный вопрос: что лучше всего подходит для ваших нужд? Ответ заключается в том, чтобы найти удобное соответствие вашим требованиям и следовать этому единственному важному правилу: потребовать от производителя системы продемонстрировать камеру с реальной демонстрацией в реальном времени в реальной среде, в которой работает высокоскоростная система формирования изображений. будет использоваться.Живая демонстрация на месте позволит выявить лучшие и худшие из рассмотренных вами высокоскоростных систем камер. Благодаря этому у вас будет информация, необходимая для того, чтобы сделать лучший выбор.

Как выдержка влияет на ваши кадры

Вы, наверное, слышали термин выдержка, но знаете ли вы, что он означает, как это работает или как выбрать правильную выдержку? На самом деле существует очень простое золотое правило, но оно гораздо больше, чем вы думаете.

В этом выпуске «Как снимать видео» мы обсудим все, что касается выдержки.Мы рассмотрим, что такое выдержка и углы затвора, единственное правило, которое вам нужно запомнить, и различия, которые вы увидите при увеличении или уменьшении выдержки.

На видео ниже креативный директор Ник ЛаКлер (и его собака Джефф) продемонстрируют, как работает выдержка, и покажут примеры того, как может выглядеть ваш отснятый материал, если вы решите работать вне правила золотой выдержки.

Что такое выдержка?

Выдержка — это выдержка затвора фотоаппарата.Затвор камеры — это занавеска из ткани или металла, которая открывается и закрывается перед датчиком камеры. Он остается закрытым, пока камера не сработает, открывается, позволяя свету проходить через объектив и попадать на датчик, а затем снова закрывается. Время, в течение которого затвор открыт, и есть выдержка. Технически это термин фотографии, но в современных цифровых камерах тот же самый общий процесс происходит для фото и видео.

Как это измеряется?

Выдержка обычно очень короткая и измеряется в долях секунды.Большинство зеркальных и беззеркальных фотоаппаратов имеют широкий диапазон выдержек. Они могут изменяться от 1/4000 секунды до медленного, когда затвор остается открытым на 30 секунд.

Типы жалюзи

Хотя все жалюзи работают одинаково, вы можете встретить разные типы жалюзи в зависимости от типа камеры, которую вы используете. Наиболее популярны следующие:

Затворы в фокальной плоскости: Обычно они встречаются в зеркальных фотокамерах и состоят из серии тонких стальных лезвий.Обычно очень близко к фокальной плоскости, жалюзи в фокальной плоскости также можно назвать листовыми.

Электронные затворы: Их можно найти на различных фотоаппаратах, а также на дешевых и дорогих моделях. На самом деле у них нет физического затвора. Вместо этого они просто включают и выключают датчик, чтобы запечатлеть экспозицию.

Вращающийся диск: Обычно они используются в видеокамерах или профессиональных кинотеатрах. У него есть полукруглый диск, который вращается перед датчиком, чтобы пропустить свет.Отсюда и появился термин «угол затвора», о котором мы расскажем ниже.

Что такое угол затвора?

Угол затвора — это еще один способ измерения выдержки. Используемый в основном в видеокамерах или профессиональных кинокамерах, угол затвора указывает на то, как вращающиеся дисковые затворы используются в пленочных камерах. Градусы относятся к количеству сенсора, которое в любой заданной точке закрывается вращающейся заслонкой.

Градусы выводятся из того, какая часть датчика закрывается в данный момент времени.На рисунке ниже вы можете видеть, что створка с углом наклона 180 градусов занимает половину пространства, позволяя лишь определенному количеству света попадать на датчик. С новой технологией все это делается автоматически, а не с помощью реального вращающегося диска, но результат тот же.

Определить, с каким углом затвора работать, тоже очень просто, поскольку, в отличие от выдержки, она постоянная. Например, затвор с углом поворота 180 градусов будет соответствовать выдержке, которая в два раза превышает количество кадров в секунду, независимо от того, на что вы снимаете, что означает на одну настройку меньше, чем нужно при съемке.

Золотое правило выдержки

Если вы не берете ничего другого из этого поста, запомните одно правило, чтобы ваши кадры выглядели наилучшим образом в любой момент времени. Скорость затвора должна быть примерно «вдвое» больше частоты кадров. Поэтому, если вы снимаете со скоростью 24 кадра в секунду, скорость затвора должна быть 1/48. Точно так же, если вы используете видеокамеру или кинокамеру, вы можете установить угол затвора на 180 градусов.

Это правило позволяет стрелять со скоростью, имитирующей реальную жизнь. Когда мы смотрим на вещи в реальном мире, существует определенный уровень размытия при движении, который возникает естественным образом, когда ваши глаза и мозг обрабатывают визуальную информацию.Съемка с удвоенной частотой кадров делает отснятый материал максимально приближенным к этому. Это сделает ваши кадры более кинематографичными и приятными для просмотра.

Однако есть определенные обстоятельства, при которых вам может не понравиться этот вид. Вот все соображения, которые следует учитывать при установке выдержки.

Медленная выдержка

В определенных ситуациях вам может потребоваться уменьшить выдержку. Обычно длинная выдержка позволяет делать одно из двух.

Во-первых, избежать мерцания светодиодов и люминесцентных ламп. При определенных выдержках вы можете заметить, что фоновый свет начинает мерцать. Это потому, что он обновляется с той же скоростью, что и ваш затвор. Если вы уменьшите выдержку, об этом должно позаботиться.

Второй — по художественным соображениям. Когда вы замедляете спуск затвора на камере, это позволяет большему количеству света попадать на датчик, создавая гораздо более интенсивный эффект размытия, как показано на изображении ниже.В фотографии это обычно называется снимком с длинной выдержкой.

С точки зрения угла затвора низкая выдержка будет эквивалентна большему углу затвора

Быстрая выдержка

На другом конце спектра вы обычно используете короткую выдержку, когда вам нужна сверхчеткая изображение. Подумайте о спорте, природе или боевых кадрах. В фильме вы можете сделать это, чтобы сцена была полна адреналина, так как вы сможете увидеть каждую деталь.

Также можно использовать более короткую выдержку, если он слишком яркий, но, как упоминалось ранее, это повлияет на ваш окончательный результат.Один из способов обойти это — использовать фильтры нейтральной плотности (ND). Фильтры ND — это, по сути, солнцезащитные очки для вашей камеры. Они позволяют вам поддерживать выдержку там, где вы хотите, а также помогают контролировать количество попадающего света.

Когда дело доходит до этого, соблюдение золотого правила — безопасный и надежный способ убедиться, что ваши кадры получаются наилучшим образом. Эксперименты с разной выдержкой могут быть простым способом добавить творческого чутья в ваш проект.Дайте нам знать, что вы думаете, в разделе комментариев ниже.

Сравнение производительности современных высокоскоростных видеокамер для научных приложений

1. Введение

С конца 19 века наши знания основывались на прогрессе, достигнутом в высокоскоростной фотографии . ¹ Инструментальные ограничения были препятствием для полного понимания определенных явлений в течение почти 100 лет, но высокоскоростная фотография теперь обеспечивает исследователям необходимый уровень производительности для отслеживания высокоскоростных процессов.Помимо широкого использования в фильмах и спортивных трансляциях, высокоскоростные камеры используются во множестве приложений, включая баллистические, взрывные, гидродинамические, сгорание или краш-тесты транспортных средств для передовых исследований и разработок. ² ^— ⁴

Многие методы были предложены для увеличения временного разрешения с тех пор, как фотография была изобретена в 1840-х годах. Низкая чувствительность опор для фотографий (таких как медные или стеклянные пластины) в то время не позволяла производить съемку в жанре экшн при нормальном освещении.Чтобы преодолеть недостаток светочувствительности и связанное с этим размытие при движении, в первые дни использовались вспышки с короткой продолжительностью освещения. ⁵ ^, ⁶ Почти полтора века назад Марей ⁷ разработал фотографическую винтовку, способную снимать последовательность кадров со скоростью до 60 кадров в секунду (fps). Высокоскоростная фотография была усилена более светочувствительными эмульсиями, а также появлением рулонной пленки в конце 19 века.Рулонная пленка (или катушка в кинематографии) позволила крупномасштабное развитие кино или кинофильма наряду с высокоскоростной фотографией. Прерывистая конструкция камеры, аналогичная кинематографу, была улучшена, чтобы увеличить частоту кадров до нескольких сотен и даже до 1000 кадров в секунду в начале 1930-х годов. ⁸ Для более высоких скоростей камера с поворотной призмой могла записывать «зарегистрированные» изображения со скоростью до 18 kfps с четырехгранной призмой и 16-мм пленкой в середине 1960-х годов. ⁹ Эта технология синхронизирует призму и пленку таким образом, что они обе движутся с пропорциональной скоростью.Первоначально использовавшийся для полосовой фотографии, ¹⁰ ^, ¹¹ Миллер решил «полосу» эффекта поворотных зеркальных камер для двухмерной фотографии с помощью ретрансляционных линз для перефокусировки изображений на пленку. ¹² Доработана конструкция для получения фотографий атомных взрывов со скоростью съемки более 10 Mfps. ¹³

Прогресс в полупроводниковой технологии и изобретение устройства с зарядовой связью (ПЗС) ¹⁴ открыли дверь в эру цифровых изображений.Изобретенная примерно в то же время технология комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS) не получала такого же развития, как CCD, для приложений обработки изображений до начала 1990-х годов. Прорыв в создании высокоскоростной CMOS-камеры был сделан благодаря дизайну Etoh. ¹⁵ Камера, выпускаемая Photron, смогла получить 4500 кадров в секунду при полном разрешении (256 × 256 пикселей2) за счет использования 16 параллельных считывателей и усилителя микроканальной пластины. Несмотря на то, что пленочные камеры предлагали лучшие характеристики, цифровая высокоскоростная обработка изображений была важным шагом вперед в то время, поскольку цифровой формат давал немедленные результаты, не требуя проявки пленки.Основное преимущество CMOS-камер перед технологией CCD для высокоскоростной визуализации заключается в том, что заряд или напряжение считываются для каждого пикселя, в то время как они передаются от пикселя к пикселю и в регистр в датчике CCD. Такая передача от пикселя к пикселю позволяет увеличить размер каждой светочувствительной области, но существенно снижает скорость считывания пикселей. Принцип работы КМОП-камер «от фотона до счета» кратко описан в следующем разделе.

Тем не менее, в зависимости от архитектуры, технологии CCD и CMOS оказались подходящими вариантами для разработки высокоскоростных камер.¹⁶ Большинство методов высокоскоростной фотографии, описанных выше, были применены к цифровой обработке изображений. Камера с вращающимся зеркалом 25 Mfps была разработана Chin et al. ¹⁷ с использованием 128 ПЗС-сенсоров вместо пленки. С помощью этой технологии можно достичь более высоких скоростей, превышающих несколько сотен миллионов кадров в секунду, но очень низкое количество света требует использования усилителей гейта. Эти устройства, называемые кадрирующими камерами, имеют ограниченное количество кадров для записи, обычно от 12 до 128 изображений.Другой дизайн принадлежит Etoh, ¹⁸, который разработал камеру со скоростью 1 Mfps с использованием встроенного ПЗС-датчика для хранения изображений . Камера смогла записать 100 кадров в полном разрешении (312 × 260 пикселей2) с различной скоростью вплоть до вышеупомянутой частоты кадров. В настоящее время можно найти коммерческие камеры с встроенным датчиком изображения с увеличенным разрешением и номинальной скоростью до 10 Mfps, использующие модифицированные или гибридные CMOS-датчики. Полосовые камеры относятся к отдельному классу из-за различного подхода и взглядов на получение изображений.Тем не менее, Gao et al. ¹⁹ недавно расширил границы высокоскоростной обработки двумерных изображений, представив сжатую сверхбыструю фотосъемку, позволяющую записывать переходные сцены со скоростью до 100 Gfps с использованием метода полос. Этот подход основан на использовании полосовой камеры для получения изображения объекта, которое было пространственно закодировано во времени из-за цифрового микрозеркального устройства, расположенного выше по потоку. Недавно Ehn et al. ²⁰ захватили триллионы изображений в секунду путем восстановления зависящей от времени ориентации шаблона кодированного освещения сцены с помощью сверхбыстрого лазера за одну экспозицию.

В этом исследовании основное внимание уделяется коммерчески доступным высокопроизводительным высокоскоростным КМОП-камерам для непрерывной записи, а это означает, что общее количество кадров зависит только от разрешения и емкости памяти. Это означает, что кадрирующие камеры или встроенные камеры хранения не рассматривались в данной оценке. Всего было протестировано пять высокоскоростных камер от четырех производителей, но производительность и надежность ограничили сравнение с соответствующими первоклассными продуктами (на момент написания) от двух основных производителей высокоскоростных камер.Цель данной рукописи — представить процедуры тестирования, используемые для оценки камер, а также результаты оценки. Результаты будут сосредоточены на характеристиках и производительности с общей точки зрения, с акцентом на высокоскоростные приложения. Учитывая патентованный характер каждого дизайна, мы в основном воздерживаемся от попыток описать основную структуру и характеристики этих устройств формирования изображений. Еще одна важная цель этого отчета — сообщить особенности камеры, которые влияют на количественную оценку для научных приложений, тем самым помогая исследователям в будущих экспериментах, а также определяя возможности для будущих разработок производителями камер.

Документ разделен на пять разделов. После настоящего вводного раздела дается базовое описание принципа работы КМОП-камеры, за которым следует неполный список параметров и характеристик, важных для высокоскоростной научной визуализации. В разделе 3 подробно описаны процедуры, используемые для оценки различных параметров высокоскоростных камер. В разделе 4 представлены результаты определения характеристик с акцентом на различия между двумя исследуемыми камерами, а также предлагаются сравнения с другими научными устройствами визуализации.Раздел 5 завершает эту рукопись, резюмируя результаты настоящего исследования.

2. Высокоскоростное цифровое изображение

Как упоминалось в разд. 1, высокоскоростные цифровые камеры стремительно развиваются в последнее десятилетие. Чтобы понять важные параметры высокоскоростных камер и их взаимосвязь с различными показателями, доступными для оценки их характеристик, требуется некоторый опыт работы с камерой.

2.1.

Обзор принципа работы датчиков CMOS

Две камеры, представленные и оцененные в этой работе, оснащены датчиками CMOS.Преимущество CMOS перед CCD относительно скорости было упомянуто в разд. 1. На сегодняшний день технология CMOS доминирует в области датчиков изображения, хотя высокоскоростные камеры составляют небольшую долю на рынке. Производители двух камер, тестируемых в этом исследовании, производили высокоскоростные камеры и раздвигали границы технологий каждый раз, когда выпускалась новая итерация.

Датчик CMOS (или CCD) основан на металлооксидном полупроводнике, что означает, что полевые транзисторы используются для управления зарядом, исходящим от полупроводника, т.е.е., светочувствительная область. Фотосайт (полупроводник), используемый в большинстве современных фотоаппаратов, — это кремний. Кремний используется, потому что соотношение энергетической щели или запрещенной зоны проводимости, равное 1,1 эВ, почти идеально подходит для длин волн видимого или ближнего инфракрасного диапазона. Это означает, что когда фотон с более высокой энергией (выше 1,1 эВ или ниже 1127 нм) ударяется о поверхность кремния, этот фотон будет поглощен кремнием и произведет заряд, предполагая идеальное преобразование. Заряд связан с количеством фотонов, попадающих в светочувствительную область и преобразующихся полупроводником.Кремний легирован различными материалами с положительными и отрицательными зарядами для создания диодоподобной структуры. Как объяснено в разд. 1, основное различие между КМОП и ПЗС-сенсором состоит в том, как заряды перемещаются из фотоблока в считывающую часть сенсора (или электронного устройства камеры). Датчик CMOS считывает заряд в виде напряжения или тока непосредственно рядом с фотосайтом на пикселе. Это позволяет производить параллельное считывание, что является большим преимуществом, когда дело доходит до скорости. Несколько транзисторов используются для выполнения необходимых операций по перемещению и считыванию заряда, производимого полупроводником: сброс, переключение и считывание.Транзистор сброса позволяет восстановить исходный потенциал фотосайта (фотодиода), переключающий транзистор позволяет размещать заряд (фотоэлектроны) на шине считывания, а транзистор считывания преобразует заряд в выходное напряжение, которое подается на шину считывания. считывающая шина. Эта общая трехтранзисторная архитектура активных пикселей по-прежнему используется во многих камерах, но отсутствие глобального затвора, то есть типичного роллетного затвора, делает эту компоновку непригодной для высокоскоростной визуализации. Обычно используются другие архитектуры, использующие больше транзисторов для выполнения различных функций, необходимых для высокоскоростной цифровой обработки изображений, таких как перенос затвора или глобальный затвор, что означает, что все пиксели экспонируются одновременно.После преобразования заряда в напряжение он дополнительно усиливается и отправляется на несколько встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Напряжение, полученное из фотонов каждого пикселя, преобразуется в цифровые единицы в зависимости от уровня и разрядности АЦП (например, 12 бит). Затем цифровая информация передается в запоминающее устройство камеры. Встроенная память является важной частью непрерывной записи высокоскоростных систем камер, таких как исследуемые. Благодаря высокой скорости непрерывного считывания пикселей таких камер, количество информации, сохраняемой в памяти каждую секунду, превышает обычные скорости передачи.В частности, для поддержания скорости передачи данных необходимо использовать разработанные твердотельные драйверы.

2.2.

Особенности высокоскоростных камер

Оценка высокоскоростных цифровых камер во многих аспектах аналогична оценке любого устройства цифровой обработки изображений. Высокоскоростная часть оценки имеет дело с критическими по времени параметрами, такими как время цифровой экспозиции или минимальное межкадровое время. Поскольку датчики оптимизированы по скорости, их конструкция и архитектура могут отличаться от типичных датчиков CMOS.Таким образом, может быть сложно сравнивать результаты тестов с однокадровыми камерами.

Характеристики и производительность высокоскоростных цифровых камер взаимосвязаны, но количества, указанные в спецификации производителя, представляют лишь небольшую часть фактических характеристик камеры. Технические характеристики двух оцениваемых в данной работе камер представлены в разд. 4 (см. Таблицу 1), но в следующих параграфах дается описание различных параметров, связанных с общими характеристиками и производительностью камеры.

Таблица 1

Характеристики и технические характеристики двух высокоскоростных камер предоставлены соответствующими производителями камер. Чувствительность ISO указана в ISO 12232 Ssat21 для вольфрамового освещения. Спектральный отклик дан при 10% QE.

375 нс

Свойства	Камера A	Камера B
Разрешение сенсора (pix2)	1280 × 800	1024 × 1024
Технология сенсора	CMOS		Тип CMOS		CMOS Тип сенсора	CMOS	Монохромный	Монохромный
Размер пикселя	28 мкм	20 мкм
Битовая глубина	12-битный	12-битный
		Максимальное считывание пикселей3 Гпикс / с	21,5 Гпикс / с
Максимальная частота кадров	1 × 106 кадров / с	2,1 × 106 кадров / с
Минимальная выдержка	265 нс	159 нс		500 нс
Максимальная чувствительность ISO	100 000	50 000
Спектральный отклик (нм)	365–965	380–910
		58%
Пик QE	51%	46%

Одной из первых характеристик цифрового изображения является количество пикселей или разрешение сенсора.Количество пикселей аналогично количеству строк на экране телевизора или компьютера. Чем выше число, тем больше пространственной информации может содержать изображение. Современные профессиональные или научные цифровые CMOS-камеры могут рассчитывать более 50 мегапикселей на матрицу 35-мм (полнокадрового) формата. Отношение количества пикселей к физическому размеру сенсора обеспечивает шаг пикселя или расстояние между двумя центрами пикселей по одному характеристическому измерению. Большинство датчиков используют квадратные пиксели, но прямоугольные пиксели также довольно распространены.Во многих случаях вместо шага используется размер пикселя, поэтому предполагается, что между пикселями нет промежутка. Размер пикселя (или шаг) для стандартных устройств с креплением на объектив может варьироваться от нескольких микрон для научных камер с высоким разрешением до более 30 мкм для высокоскоростных систем. Как описано ранее, размер пикселя не влияет напрямую на размер светочувствительной области из-за наличия электроники на пикселе. Коэффициент заполнения позволяет измерить размер фотосайта как соотношение между светочувствительной областью и площадью пикселей.Чтобы преодолеть уменьшенную светочувствительную область пикселя, матрица микролинз обычно размещается над датчиком, чтобы улучшить сбор света и увеличить эффективный коэффициент заполнения. Понятно, что размер пикселя и коэффициент заполнения являются двумя ключевыми параметрами для высокоскоростной визуализации, поскольку большие пиксели и коэффициенты заполнения собирают больше света. Разрядность блока оцифровки камеры (то есть АЦП) — еще один очень важный параметр цифрового изображения. В случае высокоскоростных камер цифровой динамический диапазон (битовая глубина) является результатом компромисса между качеством изображения (динамический диапазон, шум и т. Д.).) и скорость конвертации (считывание пикселей).

Не всегда указывается в технических характеристиках, эффективность фотонного преобразования является еще одним важным фактором для создания цифровых изображений. Эффективность преобразования фотонов в фотоэлектроны, обычно называемая квантовой эффективностью (QE), зависит от длины волны и представляет собой процент фотонов, преобразованных в фотоэлектроны или заряд полупроводником. Многие свойства, касающиеся работы или производительности сенсора, которые имеют большое значение для общей производительности камеры, не всегда раскрываются производителями из-за защиты интеллектуальной собственности.Одной из характеристик датчика, которую часто упускают из виду, является полная емкость скважины (или полная глубина скважины). Эта величина, обычно выражаемая в электронах, предоставляет информацию о емкостных свойствах фотосайта через количество электронов, с которыми может справиться один пиксель до насыщения. Это связано с фактическим динамическим диапазоном датчика, если известен фотоэлектронный шум. Фотоэлектронный шум возникает из фотонного шума, шума считывания и темнового тока и представляет собой шум, наведенный в полупроводниковой и преобразовательной электронике, размещенной в пикселе.Фотонный шум возникает из-за статистического шума в количестве фотонов, попадающих на датчик, обычно он выражается в электронах. Шум чтения, также выраженный в электронах, соответствует шуму, создаваемому преобразованием фотоэлектронов в напряжение, а также шуму усиления на кристалле. Темновой ток создается несколькими процессами, происходящими внутри полупроводника; обычно это количество электронов / пиксель / с и связано с общим количеством фотонов, попадающих на датчик. Другой тип шума, важный для визуализации, — это фиксированный структурный шум, ²², который представляет пространственные неоднородности интенсивности, наблюдаемые по всему датчику.Этот шум возникает из-за производственных допусков в отношении легирования кремния, характеристик транзисторов (скорость переключения, дрожание и т. Д.), Разницы в усилении усилителей на пикселях или других пространственно-зависимых переменных, таких как многоканальное усиление и аналого-цифровое преобразование. Коэффициент преобразования, применяемый на пиксельной площадке, является еще одной интересной характеристикой, касающейся производительности цифровой камеры; к сожалению, это редко упоминается в спецификации. Как видно из названия, коэффициент преобразования относится к коэффициенту, применяемому для преобразования фотоэлектронов в напряжение.Общее усиление также должно включать каскады усиления вне кристалла, чтобы напряжение могло быть связано с фотонами. Преобразование электронов в напряжение и усиление существенно улучшились за последние десятилетия разработки APS, снизив уровень шума на порядки, позволив более высокий коэффициент усиления и улучшив характеристики в условиях низкой освещенности.

Все элементы цифровой высокоскоростной камеры, описанные выше, приводят к получению цифровых изображений разного качества в зависимости от характеристик и характеристик каждой части.Таким образом, показатели могут использоваться для оценки качества конечного продукта: изображений. Ожидается, что идеальная камера обеспечит измерение количества фотонов, попадающих на датчик с визуализируемой сцены при любых условиях. Типичные величины, относящиеся к количественной оценке фотонов в камерах на основе CMOS и проверенные в этой работе, включают отношение сигнал / шум (SNR), линейность интенсивности камеры, частоту кадров (или пропускную способность пикселей) или светочувствительность. Основываясь на прошлом опыте, необходимо изучить другие параметры, влияющие на количественную оценку света в высокоскоростных КМОП-камерах.Процедуры различных тестов подробно описаны в гл. 3.

3. Методики определения характеристик

В этом разделе подробно описаны методы, предлагаемые для оценки цифровых камер. Несмотря на то, что эти тесты были нацелены на высокоскоростные камеры, они хорошо адаптированы к системам с более низкой скоростью или высоким разрешением. В этом разделе также описывается оборудование, разработанное и используемое для испытаний.

Оборудование, разработанное для этих испытаний, включает пространственно однородный источник света с возможностью коротких импульсов.Различные экспериментальные установки предлагали легко регулируемые и контролируемые параметры для имитации различных стратегий освещения и захвата камеры. Камеры и оптика были жестко прикреплены к оптическому столу с демпфированием размером 8 × 4 фута (примерно 2400 × 1200 мм). Лабораторная температура и давление контролировались на протяжении испытаний. Освещение в комнате было сведено к минимуму для целей тестирования, и было проверено, что оно не влияет на полученные данные. Точное позиционирование для контроля расстояний, что особенно важно при количественной оценке фотонного сбора, обеспечивалось расположением трехмерных микрометрических столиков.Квадратная светодиодная (LED) панель размером 4 дюйма, оснащенная излучателями королевского синего цвета с центром около 460 нм, использовалась для непрерывного, рассеянного и почти монохроматического освещения. Для диффузного широкополосного освещения использовалась 8-дюймовая интегрирующая сфера Hoffman Optics, оснащенная вольфрамовой лампой и регулируемым затвором (микрометрическая точность). Интегрирующая сфера оснащена фотодетектором, откалиброванным при номинальном токе, подаваемом на вольфрамовую нить накала. Пикоамперметр отслеживает освещенность фотоприемника, соответствующую выходной яркости интегрирующей сферы.Когда требовалось точечное, импульсное и почти монохроматическое освещение, использовалась сверхбыстрая светодиодная система, оснащенная либо зеленым излучателем 9 мм2 (с центром около 520 нм), либо с фиолетовым излучателем 1 мм2 (с центром на 405 нм). На рисунке 1 показаны нормированные спектральные яркости различных источников освещения, использованных в экспериментах.

Рис. 1

Нормализованная яркость как функция длины волны для синей светодиодной панели, интегрирующей сферы, зеленой и фиолетовой светодиодных систем, используемых в качестве источников освещения.

Сверхбыстрые светодиодные системы способны генерировать очень короткие импульсы с частотой следования мегагерц. При оснащении небольшим (1 мм2) фиолетовым излучателем система может генерировать световые импульсы длительностью до 10 нс с достаточной интенсивностью для освещения сенсоров камеры до цифрового насыщения в большинстве условий. С другой стороны, излучатель большего размера (зеленый, 9 мм2) может производить световые импульсы длительностью менее 100 нс с пиковой оптической мощностью, превышающей 40 Вт. Максимальное спектральное освещение откалиброванной интегрирующей сферы расположено около 1060 нм с максимальной спектральной яркостью 0.616 Вт / ср / нм / м2 на выходе.

Точная синхронизация имеет первостепенное значение при оценке быстродействия затвора камеры и межкадрового взаимодействия, а также дрожания. Для обеспечения точности синхронизации использовался генератор сигналов произвольной формы с частотой 80 МГц. Из-за сложной электроники, используемой для генерации сверхбыстрых импульсов светодиодов, была измерена задержка между командным сигналом и фактическим оптическим выходом светодиодного излучателя. На рис. 2 показан командный сигнал и импульсный сигнал светодиода, полученный высокоскоростным (ширина полосы 150 МГц) силиконовым фотодетектором 1 мм2.Два сигнала регистрировались цифровым осциллографом с полосой пропускания 1 ГГц. Светодиодная система питалась напряжением питания 30 В и командным сигналом 5 В длительностью 20 нс.

Рис. 2

Командный сигнал и измеренный световой поток для короткого импульса с помощью фиолетового светодиода. Светодиодная система управляется сигналом питания 30 В и командой длительностью 20 нс (черная кривая). Оптический выход задерживается на ~ 60 нс от командного сигнала.

На рисунке 2 показано, что задержка между командным сигналом и фактическим световым потоком светодиодной системы составляет ~ 60 нс.Обратите внимание, что изменение напряжения питания изменяет задержку; например, напряжение питания 15 В задержит световой выход еще на 15 нс, а общая задержка составит 75 нс. Ширина импульса светодиода немного короче (15 нс), чем команда 20 нс (обе оцениваются на полную ширину на полувысоте). Мы полагаем, что низкоуровневый хвост, наблюдаемый на измеренном импульсе светодиода, связан с емкостными эффектами в фотодиоде при высоких уровнях выходного сигнала, несмотря на широкую полосу пропускания устройства.

Обе камеры были протестированы с объективом, прикрепленным к переднему креплению объектива Nikon F-типа, и без него.При использовании объектива использовался универсальный объектив Nikkor 50 мм, f / 1.2. Объектив использовался с разными настройками скорости, в зависимости от требований тестирования (освещения): f / 1.2, f / 2 и f / 8. Использование объектива, а также настройки — диафрагма (диафрагма) и положение кольца фокусировки — подробно описаны далее в описании различных выполненных тестов.

Как упоминалось ранее, камеры прошли серию тестов с целью оценки их характеристик в различных типах приложений.В следующих параграфах будут описаны различные тесты, а также процедуры, используемые для каждого из них в этом исследовании.

3.1.

Производительность считывания

Эффективная пропускная способность пикселей учитывает время получения кадра и время считывания кадра. Чтобы обеспечить более универсальную метрику, эффективная пропускная способность пикселей здесь представлена в пикселях / с. Это определяется математически как разрешение Resimg, умноженное на максимальную частоту кадров, связанную с Facq:

Eq.(1)

Rpix = Resimg × Facq, где Rpix — эффективная пропускная способность пикселей. Разрешение просто получается путем учета количества пикселей, полученных в изображении. Частота кадров — это частота сбора данных в герцах (Гц) или кадрах в секунду. Обратите внимание, что фактическая скорость считывания пикселей может быть извлечена из эффективной пропускной способности пикселей, если известны фактическое получение изображения и время между кадрами. Это будет обсуждаться в рамках тестирования производительности электронного затвора.

3.2.

Линейность отклика по интенсивности

Есть разные способы проверить реакцию камер на разные уровни интенсивности света.Стандарт EMVA 1288 ²³ можно использовать в качестве руководства для оценки и составления отчетов о линейности камер цифровых систем сбора данных. С практической точки зрения простой способ измерить реакцию камеры — просто изменить время экспозиции, охватывая динамический диапазон, сохраняя постоянную освещенность. Этот метод предполагает, что фактическое время стробирования экспозиции соответствует установленной длительности.

В данной работе реакция камеры на интенсивность освещения была протестирована с использованием калиброванной интегрирующей сферы, описанной ранее.Выходная яркость варьировалась от нуля до насыщения с интегрирующей сферой, размещенной прямо напротив F-байонета камеры, то есть на фланце, без линзы, как показано на рис. 3. Поскольку фактические спектральные фотонные преобразования двух камеры неизвестны, отклики цифровых камер представлены как функция нормализованной яркости. Отклик на интенсивность, как правило, является внутренней характеристикой сенсора, но тесты были повторены при нескольких частотах кадров и длительностях экспозиции.

Рис. 3

Схематическое изображение откалиброванной интегрирующей сферы перед камерой с выходным портом, расположенным на монтажном фланце объектива.

Обратите внимание, что, как и для большинства результатов, представленных в этой работе, цифровой уровень интенсивности будет охватывать диапазон от 0 до 4000 Cts, а не 4096 уровней, предлагаемых битовой глубиной камер (12 бит). Это связано с тем, что, с одной стороны, коррекция темного поля и изменение интенсивности пикселей из-за шума ограничивают нижний и верхний пределы динамического диапазона соответственно.С другой стороны, как упоминалось выше, камера A сбрасывает темное изображение на положительное значение (чтобы учесть цифровое распределение интенсивности вокруг значения сброса), что, в свою очередь, ограничивает используемый динамический диапазон немного ниже ожидаемой 12-битной глубины.

3.3.

Отношение сигнал / шум изображения

SNR устройства формирования изображения является важнейшей информацией. Это становится особенно важным в сочетании со светочувствительностью камеры. В этой работе SNR было измерено как функция цифрового уровня (интенсивность света в Cts) с использованием следующего выражения для выражения в децибелах:

Eq.(2)

SNR = 20 · log (мкSσS).

В формуле. (2) μS и σS — среднее и стандартное отклонение сигнала S соответственно. Чтобы измерить SNR во всем динамическом диапазоне камеры, датчик освещался диагональным градиентом интенсивности, охватывающим весь динамический диапазон. Затем было вычислено отношение сигнал / шум по формуле. (2) на всех пикселях сенсора, кроме крайних концов динамического диапазона (0 и 4095 Cts). Преимущество этого метода по сравнению с равномерным изменением интенсивности освещения по датчику состоит в том, что SNR может быть получено во всем динамическом диапазоне с одним набором изображений (в данном случае 100 изображений).Обратите внимание, что результаты были подтверждены при нескольких значениях интенсивности при равномерном освещении датчика с использованием данных, записанных для оценки линейности, описанной выше.

3.4.

Чувствительность камеры

При съемке на высоких частотах чувствительность имеет решающее значение для визуализации из-за недостаточного времени интегрирования. Из-за вышеупомянутых недостатков стандартов на импортируемые пленки необходимо разработать подробные процедуры для объективного сравнения устройств. Методы оценки чувствительности сенсора камеры включают использование объектива камеры или без него, освещение широкополосным или почти монохроматическим светом, непрерывным или импульсным источником света, размещением источника света в ближнем или дальнем поле и т. Д.Выбранный метод измерения чувствительности камеры аналогичен тому, как этот параметр обычно тестируется в стандартах оценки датчиков (см. ISO 12232 ²¹) с использованием откалиброванного источника освещения, такого как интегрирующая сфера на основе вольфрама, описанная ранее. Подобно расположению, используемому для оценки линейности камеры, источник размещается непосредственно напротив фланца F-крепления (см. Рис. 3). Поскольку интегрирующая сфера является непрерывным источником, изменение времени экспозиции между камерами может поставить под угрозу достоверность испытаний.Камеры работали со скоростью 1000 кадров в секунду, полагаясь на относительно длительное время экспозиции (50 мкс) для ограничения различий между камерами, и любая разница во времени экспозиции учитывалась при анализе данных (см. Раздел 3.5). Интенсивность света варьировалась таким образом, чтобы можно было полностью оценить цифровой динамический диапазон камеры. Только равномерно освещенная центральная область датчика была усреднена и количественно определена, чтобы избежать эффекта спада интенсивности около краев. На двух камерах, имеющих разные размеры пикселей, лучистый поток, испускаемый источником, корректировался по площади пикселей.

В этом случае трудно количественно оценить освещенность из-за неизвестных параметров, таких как спектральный отклик или фотонное преобразование для обеих камер. Ток фотодиода (в мкА), измеренный на откалиброванном источнике света, можно использовать вместо фотонной освещенности. Этот метод имеет серьезный недостаток из-за широкополосного источника освещения, что означает, что различия в спектральном отклике камеры могут быть интерпретированы как различия в чувствительности, особенно важные в ближнем инфракрасном диапазоне.Следует также отметить, что линейность камеры влияет на результаты этих тестов, вызывая ошибки, если камеры ведут себя иначе.

Еще одно важное замечание, касающееся чувствительности, заключается в том, что он не должен отделяться от отношения сигнал / шум, потому что, подобно повышенному шуму, наблюдаемому в высокочувствительных пленках (высокие значения ISO), цифровые датчики могут обеспечивать высокую чувствительность, но плохие шумовые характеристики (в зависимости от количества электронов, которые нужно подсчитать. конверсия). Это означает, что чувствительность следует сравнивать при равных значениях SNR, как это было проверено методом Snoise стандарта ISO 12232: 2006.К сожалению, метод Ssat ISO 12232: 2006 полагается на уровень насыщения, а не на заданное значение SNR, тем самым опуская эту важную информацию. Ни в том, ни в другом случае стандарт ISO 12232: 2006 не учитывает различия в размере пикселей, что очень затрудняет сравнение между различными датчиками.

3.5.

Характеристики электронного затвора

Точность времени экспозиции — еще один важный параметр для высокоскоростных камер. Поскольку время экспозиции потенциально очень короткое (в некоторых случаях менее 1 мкс), время нарастания и спада формы затвора должно быть очень коротким.Точность была проверена путем прохождения короткого светового импульса через заслонку экспонирования. Фиолетовый светодиодный источник света использовался в условиях, представленных на рис. 2 (30 В, 20 нс), давая световой импульс длительностью 15 нс. Источник света располагался на расстоянии 60 мм от 50-миллиметрового объектива (при f / 1,2), прикрепленного к камере; спроектированный рассеиватель располагался на расстоянии 25 мм от линзы для равномерного распределения света. Были протестированы два времени экспозиции: 2,5 и 50 мкс при 100 и 10 кГц соответственно. Обратите внимание, что целевая цифровая интенсивность в середине строба экспозиции соответствует половине динамического диапазона.Другим аспектом времени стробирования является точность, называемая дрожанием, означающая, насколько повторяемо стробирование экспозиции по отношению к триггеру изображения (или периоду кадра). И точность, и прецизионность были измерены с помощью процедуры тестирования, описанной выше.

3.6.

Запаздывание изображения

Влияние кадра (n) на последующие (n + 1, n + 2 и т. Д.) Обычно называется двоением изображения или запаздыванием изображения. Этот эффект «памяти» является повторяющейся проблемой в цифровых системах обработки изображений, а высокоскоростные CMOS-камеры также страдают от запаздывания изображения.²⁴ ^, ²⁵ Эффекты варьируются от камеры к камере (или от датчика к датчику), но одним из типичных проявлений является появление затемненной версии предыдущего изображения. На рис. 4 представлен наглядный пример эффектов запаздывания изображения при съемке с высокоскоростной камеры Sandia Thunderbird на заднем фоне. На рис. 4 (a) показан логотип Sandia с задней подсветкой, а на рис. 4 (b) показано последующее изображение, когда освещение было выключено. Диапазон интенсивности был скорректирован, чтобы выделить эффекты запаздывания изображения, и отображается в верхнем левом углу обоих изображений.

Рис. 4

Примеры изображений, показывающих эффекты запаздывания изображения. (а) объект с задней подсветкой (логотип Sandia Thunderbird) и (б) последующий неосвещенный кадр и эффекты запаздывания изображения. Обратите внимание, что цифровой диапазон интенсивности, указанный в верхнем левом углу, был скорректирован, чтобы выделить эти эффекты.

В этом примере эффекты запаздывания изображения можно оценить за пределами логотипа Sandia на рис. 4 (b), с более темными областями, соответствующими освещенным областям на ранее полученном изображении.В этом случае запаздывание изображения приводит к уменьшению интенсивности на последующем неосвещенном кадре по сравнению с ожидаемым уровнем. Следует отметить, что этот набор изображений не был получен с помощью камер, исследованных в данной работе. В зависимости от датчика или конфигурации света (от светлого к темному или от темного к светлому) эта «призрачная» версия предыдущего изображения может быть либо положительной (последующая интенсивность изображения выше ожидаемой), либо отрицательной (последующая интенсивность изображения ниже. чем ожидалось).Из-за различных проявлений этого отставания было выдвинуто несколько гипотез для его объяснения. Большинство объяснений согласны с тем фактом, что некоторый заряд не истощается в схеме считывания и остается в кремниевых слоях или, возможно, в полупроводнике. Таким образом, этот заряд считывается в следующем кадре и вызывает эффект двоения. Запаздывание изображения потенциально влияет на каждый кадр, но становится особенно очевидным, когда интенсивность значительно различается между изображениями. Исследования показали, что запаздывание изображения имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размера фотодиода (площади пикселей).²⁶ Таким образом, устранение запаздывания изображения, безусловно, было большой проблемой для соответствующих групп разработчиков двух датчиков камеры из-за больших пикселей. Есть много способов оценить и измерить запаздывание изображения; но описание и количественная оценка многих эффектов существенно расширили бы эту статью. Авторы все еще исследуют отставание изображения и работают над внедрением процедур коррекции для обеих камер.

Настоящее исследование рассматривает пространственную зависимость запаздывания изображения, но также количественно определяет величину запаздывания с точки зрения интенсивности изображения.В этой работе задержка изображения оценивалась путем равномерного освещения экрана рассеивателя синей светодиодной панелью и использования импульсного мощного драйвера зеленого светодиода для освещения небольшой области изображения. Камеры были оснащены объективом 50 мм (при f / 1,2) и фокусировались на рассеивателе, расположенном на расстоянии ~ 500 мм от фланцев F-крепления соответствующих камер. Схема установки, показывающая различные светодиодные источники света, рассеивающий экран и камеру, оснащенную 50-миллиметровым объективом, представлена на рис.5. Зеленый светодиодный источник включали один раз каждые пять кадров, оставляя четыре слабо освещенных изображения между световыми импульсами. Противоположный график также был протестирован, когда все кадры, кроме одного, освещались светодиодным световым импульсом в течение пяти кадров. Повторяемость импульса светодиода имеет решающее значение для этого теста, и его постоянство было проверено путем мониторинга импульсов с помощью широкополосного фотодиода. Система импульсных светодиодов контролировалась по температуре для увеличения повторяемости импульсов. Обе системы освещения (импульсные и непрерывные светодиоды) были настроены таким образом, чтобы поддерживать одинаковые уровни цифровой яркости на обеих камерах.Слегка освещенный фон необходим для предотвращения падения распределения интенсивности камеры до нижней границы цифровой шкалы интенсивности. Более подробная информация о задержке изображения и эффектах приводится позже вместе с результатами.

Рис. 5

Схема, показывающая устройство, используемое для оценки задержки изображения камеры. (a) Экран рассеивателя и светодиодные источники света показаны слева, (b) а камера справа.

4. Результаты тестов и сравнения

Результаты, представленные в этом разделе, показывают результаты тестов, выполненных в соответствии с процедурами, подробно описанными в предыдущем разделе, для двух современных высокоскоростных камер.Важно отметить, что, поскольку технология цифровых камер постоянно развивается, тесты и результаты, представленные в этой работе, соответствуют высокопроизводительным моделям двух основных производителей таких высокоскоростных камер на дату представления этого документа. Как упоминалось в разд. 1, были протестированы камеры высокого класса от других производителей, но ни производительность, ни удобство использования не оказались сопоставимыми с двумя оцениваемыми здесь устройствами: Phantom v2512 и Photron SA-Z. Результаты тестов, представленные ниже, зависят от камеры, и другие модели от того же производителя могут вести себя по-разному.Чтобы избежать смешения и избежать путаницы по поводу этих двух камер, они будут называться камерой A для Phantom v2512 и камерой B для Photron SA-Z. Характеристики и заданные рабочие характеристики двух тестируемых камер представлены в Таблице 1.

Можно быстро заметить, что две камеры отличаются, при этом большинство параметров, перечисленных в Таблице 1, имеют разные значения, хотя многие параметры совпадают из-за высоких значений. скоростной характер устройств. В спецификациях уже обнаружены некоторые интересные конструктивные различия: камера B оснащена квадратным сенсором с меньшими пикселями по сравнению с камерой A и широкоэкранным сенсором с более крупными пикселями (28 против 20 мкм).Следует отметить, что хотя в высокоскоростных камерах обычно используются датчики с одинаковыми размерами пикселей, они больше по сравнению с большинством датчиков CMOS. Обе камеры используют нефильтрованные (монохромные) CMOS-сенсоры, но разница в заявленной чувствительности (стандарт ISO 12232 ²¹) существенна. Значения чувствительности, указанные в таблице 1, могут быть получены в результате различных процедур тестирования. Еще одна слабость заключается в том, что тест ISO не учитывает различия в эффективных размерах пикселей (шагах) между камерами.Очевидно, что более крупные пиксели будут собирать больше света, чем более мелкие, остальные параметры считаются эквивалентными. Таким образом, авторы не считают, что указанные значения ISO следует использовать для оценки светочувствительности одной камеры. Что касается скорости, то, несмотря на то, что опубликованные максимальные показания камеры A превосходят показания камеры B, последняя может достигать более высокой частоты кадров. Камера B имеет более короткое время электронной экспозиции, но минимальное межкадровое время больше, чем у камеры A.Как и ожидалось, на основе сенсорной технологии обе камеры имеют одинаковые максимальные QE и спектральные диапазоны, при этом камера A имеет небольшое преимущество в этом отношении. Важно отметить, что несмотря на то, что две камеры разные, на бумаге обе они обеспечивают высочайшее качество изображения. Некоторые цифры в Таблице 1 на самом деле от 2 до порядка величины выше, чем у аналогичных высокоскоростных камер высокого класса, доступных около десяти лет назад.

Другие важные соображения, не указанные в спецификациях, касаются способа форматирования камерой и вывода данных для постанализа.Каждая камера отличается, и высокоскоростные камеры обычно предлагают свой собственный формат для вывода данных в дополнение к обычным форматам изображений (например, tiff, jpeg, png). В этом исследовании для обработки данных использовались родные высокоскоростные упакованные форматы с соответствующих камер. Данные, содержащиеся в этих форматах, не обрабатываются и не сжимаются.

Обе камеры оснащены коррекцией плоского поля в отношении интенсивности фона, цель которой состоит в том, чтобы снизить уровень фона до нуля путем смещения уровня интенсивности для всех пикселей на уровень интенсивности темного изображения.С одной стороны, эта функция обеспечивает более плоские и приятные на вид изображения за счет эффективного подавления фиксированного структурного шума, но также обеспечивает полное использование 12-битных цифровых уровней в записанных изображениях. Недостатком является то, что, поскольку ожидается, что все пиксели будут иметь нулевое количество, распределение шума ограничено наполовину, что искусственно обеспечивает среднее положительное значение интенсивности. Другая проблема заключается в том, что трудно узнать фактический цифровой уровень, соответствующий интенсивности света около нижнего края шкалы.Обратите внимание, что обе камеры предлагают пользователю разные способы решения этой проблемы. Камера A смещает цифровой уровень на 64 единицы (Cts) в сохраненных необработанных данных, таким образом обеспечивая полное распределение шума и «реальное» среднее значение для нулевого уровня интенсивности света. Камера B позволяет пользователю отключить коррекцию темного поля, обеспечивая тем самым фактическое темное изображение. Основными проблемами этого метода являются значительный фиксированный структурный шум и уменьшение цифрового динамического диапазона из-за относительно высокого уровня темноты.

Есть много способов оценить или протестировать системы сбора данных, и результаты зависят от методологий, используемых во время тестирования. Основная цель настоящих испытаний состояла в том, чтобы сравнить две коммерческие камеры определенного класса в строго контролируемой среде, условиях и процедурах. Поскольку информация о конкретных конструкциях камер является частной собственностью, иногда сложно объяснить результаты испытаний, как упоминалось в разд. 1. В таких случаях влияние недостаточной производительности камеры будет интерпретироваться как практические проблемы, возникающие во время экспериментов по высокоскоростной визуализации.

4.1.

Скорость захвата

Вероятно, первая информация, которая приходит на ум относительно высокоскоростных камер, — это скорость захвата конкретной модели. Однако максимальная частота кадров камеры не обязательно дает исчерпывающий ответ для оценки скорости ее захвата. Пропускная способность пикселей обеспечивает более универсальное количество, сочетая скорость получения и размер изображений. Данные, представленные на рис. 6, не требовали какой-либо специальной процедуры тестирования, а только применяли уравнение.(1) к частоте кадров и соответствующему разрешению изображения. Символы представляют максимальную скорость передачи данных, которую камеры могут получать при полном разрешении, все доступные разрешения при соотношении сторон 2∶1, а также максимальное разрешение при абсолютной частоте кадров камеры. Были протестированы другие соотношения сторон, и оказалось, что соотношение сторон 1: 1 обеспечивает худшую производительность для обеих камер, в то время как более широкие форматы обычно улучшают общую пропускную способность. Соотношение сторон 2: 1 было использовано для удобства и простоты сравнения между камерами.

Рис. 6

Пропускная способность пикселей как функция частоты кадров для обеих камер. Символы представляют фактические данные, а линии соответствуют линейной подгонке соответствующих данных для обеих камер.

Нижняя ось представлена в логарифмическом масштабе, показывая монотонную, почти линейную зависимость для обеих камер. Пропускная способность пикселей, представленная на рис. 6, показывает, что обе камеры сравнимы, с общей пропускной способностью более 20 Gpix / s и максимальной частотой кадров 1 Mfps или более.В то же время очевидно, что камера A работает лучше, чем камера B на большинстве частот захвата. Точка пересечения с применением линейной аппроксимации между точками сообщенных данных находится между 600 и 700 кГц. Обе камеры могут регистрировать миллион кадров в секунду и более, при этом камера B обеспечивает заметное преимущество по сравнению с камерой A на сверхвысоких скоростях. При такой частоте кадров камера A имеет пиковое значение чуть выше 4 Гпикс / с, а камера B выдает почти 6 Гпикс / с в том же поле, поддерживая превосходную производительность камеры B при более высокой частоте кадров.

4.2.

Отклик по интенсивности

Линейный отклик детектора имеет первостепенное значение для любой попытки количественного определения света. Двумерная визуализация экстинкции, например, представляет собой тип эксперимента, в котором желательна линейная характеристика интенсивности, чтобы избежать исправлений при постобработке. Результаты испытаний на линейность с применением описанного выше метода показаны на рис. 7. Отклики обеих камер с точки зрения цифрового уровня интенсивности представлены как функция нормализованной интенсивности освещения от откалиброванного источника света.Мы признаем, что цифровые уровни сообщаются до 4000 Cts, а не 4095 Cts (12 бит), главным образом, чтобы избежать насыщения. Черная пунктирная линия представляет собой прямую линию, соединяющую оба крайних значения (0 и 4000 Cts), это называется методом конечной точки и обычно используется для визуальной оценки реакции камеры. Для получения оценок по методу наименьших квадратов для откликов камеры с нулевым цифровым уровнем пересечения были вычислены линейные регрессии, и они также нанесены на график.

Рис. 7

Цифровой уровень интенсивности как функция нормированной интенсивности освещения для обеих камер.Пунктирная черная линия представляет соответствие конечной точки, в то время как цветные пунктирные линии представляют собой линейные регрессии по методу наименьших квадратов с нулевой начальной точкой для ответов обеих камер.

Обе камеры демонстрируют довольно хорошие отклики на интенсивность освещения с заметным преимуществом для камеры A. Тем не менее, хотя камеры ведут себя хорошо, они не являются идеально линейными, что можно увидеть по сравнению с различными вариантами посадки, показанными на рис. Коэффициенты детерминации, полученные методом наименьших квадратов, оба были выше R2 = 0.99. Если посмотреть на отклонение от линии конечной точки, ошибка в измеренной интенсивности остается ниже 4% для камеры A, в то время как для камеры B она более чем вдвое превышает этот показатель. Примечательно добавить, что другие тесты проводились при других конфигурациях камеры (например, частота кадров, время выдержки) вернули идентичные профили. Можно отметить, что неопределенность не представлена на этом графике, потому что комбинированное отклонение, исходящее от точности считывания яркости камеры (см. Раздел SNR ниже, предполагающий ошибку считывания ниже 0.6%), а погрешность выходной яркости откалиброванного источника света (измеренная фотодиодом) незначительны в результатах испытаний, показанных на рис. 7.

Необходимо сделать выбор при применении коррекции для отклика камеры. линейно с фотонной интенсивностью. Для этого широко используется метод конечной точки. Преимущество коррекции на основе конечной точки заключается в том, что она сохраняет динамический диапазон в одном масштабе, что может быть полезно (или необходимо) при работе с 8, 12 или 16-битными целыми числами.С другой стороны, величина коррекции будет максимальной (почти до 10% для камеры B) около середины динамического диапазона, что, безусловно, соответствует наиболее используемому диапазону интенсивности. Регрессии наименьших квадратов, представленные на рис. 7, ограничивают величину коррекции во всем диапазоне, так что измеренные цифровые значения интенсивности изменяются минимально. Предостережение метода заключается в том, что скорректированная интенсивность может выходить за пределы собственной битовой глубины устройства формирования изображения, но интенсивности всегда можно уменьшить, чтобы соответствовать исходному цифровому динамическому диапазону инструмента.

4.3.

Отношение сигнал / шум

SNR системы формирования изображения — еще один важный показатель. На SNR цифровой системы формирования изображения также влияет размер пикселя, и его также можно сообщать как функцию плотности света (то есть на единицу площади). Более распространенный способ — построить график отношения сигнал / шум как функцию интенсивности света. В случае фиг. 8 и для визуального сравнения отношения сигнал / шум камер, отношение сигнал / шум для каждого пикселя было построено как функция среднего цифрового уровня того же самого пикселя, применяя уравнение.(2). Такой подход к построению всех пикселей обеспечивает справку относительно отклонения между пикселями путем создания облака точек. Пунктирные линии для обеих камер представляют средний SNR камер по всем пикселям как функцию считанного цифрового уровня.

Рис. 8

SNR как функция цифровой интенсивности для обеих камер. Точки данных были рассчитаны по формуле. (2). Пороги «приемлемого» и «отличного» отношения сигнал / шум основаны на рекомендациях стандарта ISO 12232.

Первое наблюдение, которое необходимо сделать на рис. 8, — это высокие уровни отношения сигнал / шум, достигаемые обеими камерами. Усредненное по пикселям пиковое отношение сигнал / шум для камеры A составляет более 45 дБ, в то время как оно почти достигает 42 дБ для камеры B. Разница в SNR составляет ∼4 дБ выше четверти динамического диапазона, что является преимуществом камеры A. В соответствии со стандартом ISO 12232, упомянутым ранее, обе камеры демонстрируют «отличный SNR» (SNR = 40 дБ), но камера A достигает этого уровня примерно на половине своего динамического диапазона, а камера B достигает порога 40 дБ на ~ 80% от своего динамический диапазон.Линия «приемлемого SNR» при SNR = 10 дБ также была определена на основе стандарта ISO. Из-за разных размеров пикселей ожидается более высокое SNR, достигаемое камерой A, поскольку более крупные пиксели могут вместить более крупный фотосайт в дополнение к превосходным коэффициентам заполнения. Разница в 4 дБ между двумя камерами согласуется с коэффициентом 2 в площади между пикселями, которые, как ожидается, увеличивают эффективную светочувствительную площадь камеры A более чем в два раза по сравнению с камерой B. Профиль кривых SNR для обеих камер очень похож. а форма предполагает, что SNR определяется дробовым шумом для обеих камер, что типично для цифровых систем обработки изображений.

4.4.

Чувствительность камеры

Как указано выше, чувствительность высокоскоростной камеры имеет решающее значение для большинства экспериментов. Из-за разных размеров пикселей поток, исходящий от источника, был скорректирован с учетом разницы в области пикселей между двумя камерами. Яркость источника с коррекцией по площади показана на рис. 9 как функция цифрового уровня, достигнутого каждой камерой. Эти результаты были получены путем корректировки лучистого потока от калиброванной интегрирующей сферы, измеренного фотодиодом для области пикселей, и сравнения его со средней цифровой интенсивностью центральной области чипа.Как упоминалось ранее, даже несмотря на то, что яркость источника известна, различия в спектральном отклике камеры ограничивают интерпретацию. Обратите внимание, что двум камерам не требуется одинаковая яркость для достижения цифровой насыщенности, как ожидалось, из-за разных областей пикселей. Как подробно описано ранее, максимальный зарегистрированный цифровой уровень составляет 4000 Cts, по сравнению с 4095 Cts, ожидаемыми для этих 12-битных камер, чтобы избежать насыщения пикселей.

Рис. 9

Яркость источника освещения (на основе тока фотодиода) с поправкой на площадь пикселей как функция цифрового уровня для обеих камер от откалиброванного широкополосного источника света.Более низкая интенсивность источника для достижения заданного цифрового уровня указывает на более высокую чувствительность.

Когда яркость источника корректируется для области пикселей, обе камеры демонстрируют относительно схожие характеристики чувствительности с небольшим преимуществом по сравнению с камерой B, достигая цифровой насыщенности перед камерой A, снятой с тем же лучистым потоком. Неопределенность здесь не представлена по причинам, упомянутым выше в отношении Рис. 7, что неопределенность незначительна и не влияет на выводы. Без информации об ОСШ, представленной выше, эти результаты были бы неожиданными, учитывая, что коэффициент заполнения, QE и расширенный спектральный отклик отдают предпочтение камере A.Возвращаясь к результатам SNR на рис. 8, можно сказать, что преимущество камеры B исчезает по сравнению с уровнями iso-SNR. Преимущество камеры A в отношении отношения сигнал / шум 4 дБ более чем компенсирует небольшой недостаток чувствительности, показанный на рис. 9. Большая область пикселей камеры A, безусловно, отвечает за превосходное отношение сигнал / шум из-за, как и ожидалось, большего размера фотосайтов (при условии, что крышка электроники то же пространство), как было предложено выше. Поэтому камера B должна полагаться на более высокий коэффициент преобразования, чтобы достичь указанной чувствительности.Более высокое усиление в конечном итоге приводит к ухудшению максимального отношения сигнал / шум, как показано на рис. 8.

С другой стороны, меньшие пиксели камеры B должны обеспечивать более высокое (цифровое) разрешение изображения, когда камеры используют ту же оптику (увеличение ). Размер пикселя становится важным при использовании камеры с линзой микроскопа, ²⁷, где более высокое цифровое разрешение, являющееся результатом меньших пикселей, может обеспечить повышенную детализацию изображения при определенных условиях. Размер пикселя — это один из параметров сенсора, влияющий на производительность камеры, но в зависимости от ситуации он будет зависеть от предпочтения пикселей меньшего или большего размера.Мы должны еще раз подчеркнуть, что эти измерения были выполнены с использованием широкополосного источника света, и что спектральные характеристики камер влияют на эти результаты. Чтобы определить, является ли камера A или B более чувствительной с более практической точки зрения (эксперименты), тот же тест следует провести с монохроматическим светом, соответствующим длине волны экспериментов.

4.5.

Global Shutter Performance

Точность выдержки может быть или не иметь решающего значения для некоторых экспериментов.Однако повторяемость экспозиции — еще один очень важный параметр высокоскоростных камер. Как описано ранее, профиль строба экспонирования был измерен для обеих камер в разных рабочих условиях. Результаты этих тестов представлены на рисунке 10, на котором показаны нормализованные огибающие интенсивности пикселей для соответствующей камеры на частоте 100 кГц с временем экспозиции 2,5 мкс (настройка программного обеспечения). Сплошные линии соответствуют нормированной средней интенсивности по освещенной области, контролируемой в каждый момент времени (каждые 100 нс).Нижний и верхний конверты показывают общую дисперсию вокруг среднего для всех равномерно освещенных пикселей. Интенсивности были скомпилированы, а затем усреднены по 100 изображениям, как и для большинства экспериментов, описанных в этом документе.

Рис. 10

Нормализованная амплитуда сигнала как функция времени с момента запуска кадра для обеих камер (профиль строба экспозиции). Области соответствуют огибающим нормированных интенсивностей пикселей в равномерно освещенной области. Обе камеры были установлены на 100 kfps и 2.Время экспозиции 5 мкс.

Стробы экспозиции двух камер, показанные на рис. 10, имеют некоторые различия. Камера B начинает открываться немного раньше, чем камера A, но наклон меньше, что позволяет камере A достичь полной экспозиции раньше. Аналогичные наблюдения могут быть сделаны во время переходного периода закрытия с более медленным наклоном закрытия для камеры B. С количественной точки зрения камера A показывает времена нарастания и спада (от 10% до 90%) ∼190 нс, в то время как камера B открывается через ∼ 630 нс и закрывается примерно за 540 нс.Фактическая длительность затвора (на основе полной ширины на полувысоте) для камеры A соответствовала установленному значению с длительностью затвора 2,50 мкс. Камера B оставалась открытой немного дольше, чем указано, с длительностью экспозиции 2,79 мкс. Исследуя другие времена выдержки и частоту кадров камеры, камера A обеспечивала ширину строба в соответствии с длительностью, указанной камерой (которая может отличаться от установленного значения) на протяжении всех тестов. С другой стороны, камера B постоянно держала затвор открытым на ∼0,3 мкс дольше установленного значения.Эти различия минимальны и не должны влиять на эксперименты для всех, кроме самого короткого времени выдержки. В экстремальных условиях можно ожидать, что время нарастания и спада двух камер ограничит динамический диапазон во время субмикросекундных экспозиций.

Линии стандартного отклонения на рис. 10 для обеих камер также различаются: камера B показывает большее отклонение по интенсивности, чем камера A. Можно заметить, что переходные процессы (открытие и закрытие) камеры B представляют большое отклонение по сравнению с камерой A .Более пристальный взгляд на этот аспект показал, что не все пиксели открываются и закрываются одновременно, как ожидалось при реализации глобального затвора. Другими словами, некоторые пиксели открываются раньше, чем другие. Интересно, что большинство пикселей имеют одинаковую ширину строба экспозиции, а это означает, что пиксели, открывающиеся раньше, также закрываются раньше, и наоборот. Это поведение показано на рис. 11 (a) и 11 (b), на которых карты нормализованной интенсивности примерно на полпути во время переходного процесса открытия отображаются для обеих камер.На рисунке 11 (c) показана соответствующая гистограмма интенсивности для двух карт.

Рис. 11

(a) и (b) Нормализованное пространственное распределение интенсивности для обеих камер во время переходного периода открытия затвора экспонирования. (c) Гистограмма показывает нормализованное распределение интенсивности, связанное с двумя картами, показанными выше. Обе камеры были установлены на 100 kfps и время экспозиции 2,5 мкс, отображая область 512 × 256 pix2.

Нормализованные карты интенсивности на рис. 11 показывают, что интенсивность на изображении камеры B в течение периода открытия электронного затвора сильно различается по сравнению с интенсивностью камеры A.Изменение интенсивности не дает определенного рисунка, а скорее создает впечатление, что изображение загрязнено «крапинками». Это признак того, что не все пиксели открываются одновременно, о чем свидетельствует большое отклонение, показанное на рис. 10. Считается, что такое поведение происходит из-за различий в характеристиках между различными электронными устройствами (транзисторами с глобальным затвором), содержащимися в каждом пикселе. . Это временное несоответствие между пикселями, скорее всего, связано с несогласованным временем переключения транзистора или порогом напряжения срабатывания.Узор «пятен» на изображении одинаков на протяжении всей последовательности изображений для обеих камер, при этом одни и те же пиксели открываются и закрываются рано. Точно так же пиксели, открывающиеся немного позже среднего, закрываются позже, и делают это постоянно. Аналогичное наблюдение было сделано при разных конфигурациях камеры, причем поведение экспозиции зависит от пикселей. Это означает, что один пиксель открытия и закрытия датчика на ранней стадии в одной конфигурации (то есть при частоте кадров камеры, разрешении и времени экспозиции), как ожидается, будет открываться и закрываться раньше в другой, и наоборот.

Чтобы количественно оценить влияние этого разброса на время открытия пикселей, внизу рисунка приведены гистограммы интенсивности для двух карт. Из распределений интенсивности, снятых в середине периода открытия затвора, можно заметить, что разброс для камеры B шире, чем для камеры A. Распределение интенсивности для камеры B почти вдвое больше, чем для камеры A: 20 % диапазона яркости (полная ширина на полувысоте) для камеры B и 12% для камеры A.Распределения [рис. 11 (c)] во время переходных процессов для обеих камер наблюдается относительно большой разброс по интенсивности. Это может ограничить количественную оценку интенсивности коротких прерывистых источников света. Несмотря на то, что различия, представленные на рис. 11 между двумя камерами, существенны, они не так заметны, как предполагают результаты на рис. 10. Это связано с тем, что диапазон интенсивности при кратковременном открытии и закрытии сравним, а временная реакция на открытие и закрытие затвора камеры B значительно менее точна, чем у камеры A.

4.6.

Запаздывание изображения

Когда между последовательными изображениями возникают градиенты интенсивности освещения, одно конкретное распределение интенсивности изображения (глобальное или пространственное) может повлиять на последующий кадр (ы). Высокоскоростная визуализация направлена на визуализацию быстрых и кратковременных явлений, и в этом случае интенсивность контролируемого света может сильно различаться между изображениями. Еще одна типичная экспериментальная установка, демонстрирующая высокую разницу в яркости между кадрами, — это когда система работает в режиме разделения изображений, аналогичном показанному на рис.4. Как объяснялось ранее, отставание изображения — сложный процесс, и его рассмотрение выходит за рамки данной рукописи. Результаты испытаний, представленные после этого, предоставляют читателю основную информацию о задержке изображения, а также о влиянии на две протестированные камеры. На рисунке 12 показаны два набора из четырех изображений, каждый из которых соответствует камерам A или B. Как подробно описано в методике, применяемой для оценки задержки изображения, камеры отображали слабо освещенную поверхность, чтобы намеренно смещать количество изображений выше нуля.Эта фоновая подсветка однородна по всему изображению с интенсивностью ~ 200 Cts (примерно 5% динамического диапазона), как показано на верхнем левом изображении каждого набора. Импульсное световое пятно освещало отображаемую поверхность в пяти освещенных, пяти неосвещенных последовательностях, так что были освещены пять последовательных кадров, которым предшествовали или следовали пять последовательных неосвещенных кадров. На верхнем правом изображении каждого набора на рис. 12 показано импульсное световое пятно (с удаленным слабо освещенным фоном).Шкала интенсивности представлена с правой стороны в цифровых уровнях (Cts), а импульсное освещение было отрегулировано для получения ~ 80% цифрового динамического диапазона камеры. Обе камеры были установлены на 1000 кадров в секунду и время экспозиции 50 мкс, и даже несмотря на то, что было записано полное поле обзора для каждой камеры, результаты, представленные в них, соответствуют области 800 × 800 пикселей 2 для целей сравнения. Каждая карта на рис. 12 является результатом среднего, вычисленного за 100 повторений.

Рис. 12

Влияние запаздывания на пространственное распределение интенсивности изображения для обеих камер.В верхнем ряду показаны интенсивность фона и особенности светового импульса. В нижнем ряду показано отставание изображения для кадра n + 1 после светящегося или темного кадра. Обратите внимание на разные шкалы отображаемой интенсивности.

Нижняя левая карта каждого набора показывает эффект запаздывания, когда «запаздывающее» изображение (n + 1) не подсвечивается, а сразу следует за набором подсвеченных кадров (со световым импульсом), отмеченным импульсом и соответствующим кадр n. Карты интенсивности для обеих камер получены с помощью следующего выражения:

Eq.(3)

ILight = In + 1 − IBG.

В формуле. (3) ILight — это скорректированная по фону интенсивность для кадра n + 1, оценивающая интенсивность запаздывания изображения для неосвещенного кадра, следующего за освещенным изображением. Переменные In + 1 и IBG соответствуют интенсивностям «запаздывающего» кадра и фонового изображения. Интенсивность фонового изображения IBG соответствует интенсивности слабо освещенного фона, как подробно описано выше. Мы подтвердили, что этот подход был уместен, проверив, что фон восстановился после любого запаздывания после последовательности световых импульсов.

Последнее изображение каждого набора (внизу справа) на рис. 12 является противоположностью описанному выше, с импульсным изображением сразу после темного кадра. Величина запаздывания изображения в этом случае получается с помощью следующего выражения:

Eq. (4)

IDark = In + 1 − IPulse.

Уравнение (4) обеспечивает интенсивность запаздывания изображения ILight для освещенного изображения n + 1, следующего за набором слабо освещенных (темных) изображений. IPulse — изображение со световым импульсом; оно принимается как изображение, предшествующее последнему кадру последовательности с импульсной подсветкой.Было показано, что этот кадр представляет распределение интенсивности и величину в соответствии с непрерывной (без пропущенных импульсов) последовательностью световых импульсов.

Нижняя строка рис. 12 показывает, что обе камеры страдают от запаздывания изображения, влияющего на интенсивность изображения порядка 70 Cts. Если уделить больше внимания пространственному распределению изображений с задержкой, можно увидеть, что камеры ведут себя по-другому. Схема освещения от импульсного светодиода в верхней части рисунка 12 (импульс) показывает область импульсного освещения, вызывающую градиент интенсивности (при этом предыдущее или последующее изображение темное).Размер пятна подчеркивает различия между двумя камерами, когда речь идет о цифровом пространственном разрешении. Благодаря своим большим пикселям камера A представляет меньшее световое пятно, чем камера B. Кроме того, следует отметить, что две камеры имеют немного разные расстояния между фланцами (расстояние от датчика до фланца с F-креплением), что влияет на эффективное увеличение системы и размер отображаемого пятна.

Две пары изображений в нижней части рис. 12 показывают влияние запаздывания изображения на пространственное распределение интенсивности.Нижние левые изображения показывают, что интенсивность опускается ниже исходного уровня фона для неосвещенного кадра, следующего за изображением со световым импульсом. Величина изменения интенсивности аналогична для камер A и B, хотя камера A показывает немного более серьезное отставание. «Призрачное» изображение находится в пространственном согласии с рисунком освещения для камеры A, с проявлением запаздывания, возникающего в месте импульса, и аналогичного аспекта. Это отличается от камеры B, где задержка, по-видимому, сосредоточена вокруг центральной точки датчика.Дальнейший анализ показал, что существует небольшая пространственная зависимость от камеры B, но большинство эффектов «запаздывания» наблюдается в центре чипа. Падение интенсивности после освещенного кадра вызывает проблемы с коррекцией темного поля, поскольку значения пикселей упадут ниже нулевого значения сброса (нижняя часть цифровой шкалы). Это объясняет, почему для выполнения этих тестов и количественной оценки величины запаздывания изображения необходимо равномерное освещение.

Поведение в некоторой степени похоже, но в противоположном направлении, для графика темного-светлого освещения.В этой ситуации интенсивность первого освещенного кадра увеличивается по сравнению со значением постоянной освещенности. В отличие от предыдущего случая, когда интенсивность уменьшилась, такое поведение будет называться положительным запаздыванием изображения. Величина запаздывания изображения для камеры B в этом случае аналогична величине, измеренной на темном кадре. Несмотря на то, что эффект виден на камере A, кажется, что он менее подвержен влиянию, чем камера B в этой конфигурации. Прежде чем рассматривать величину задержки в рассмотренных выше случаях, стоит упомянуть, что для обеих камер требуется более одного изображения, чтобы датчик полностью восстановился и стабилизировался до базового уровня.

На рисунке 13 представлены гистограммы распределения интенсивности, количественно определяющие запаздывание изображения при двух протестированных конфигурациях. Эти гистограммы представляют интенсивность запаздывания на картах, представленных в ILight и IDark для обеих камер на рис. 12. Представлены все пиксели пораженной области, как показано на рис. 12, включая общую дисперсию интенсивности. Опять же, эти результаты были усреднены по 100 повторениям, чтобы ограничить значимость изменчивости и неопределенности от выстрела к выстрелу.

Рис. 13

Гистограммы интенсивности, количественно определяющие влияние запаздывания на интенсивность изображения для обеих камер при взаимных конфигурациях освещения. (a) Камера A и (b) камера B.

Видно, что в режиме светового и темного освещения (ILight) запаздывание снижает уровень изображения на 70 Cts для обеих камер (при установленном освещении). до 75% динамического диапазона). С другой стороны, когда освещенный кадр следует за темным (IDark), поведение камеры B выглядит обратным, в то время как камера A не показывает заметных эффектов, с большей частью центра распределения около 0 Cts.Как упоминалось ранее, очень сложно дать полное описание задержки изображения для камеры B из-за глобальной зависимости от интенсивности (охват области, разрешение и т. Д.). И наоборот, кажется, что легче исправить эффекты на камере A, и зависимость может быть построена на основе разницы в интенсивности. В ходе дальнейшего тестирования было измерено максимальное падение интенсивности из-за запаздывания изображения для камеры A чуть ниже 100 Cts (с разницей интенсивности 4000 Cts), что составляет около 2,5% от динамического диапазона. Эти результаты были одинаковыми во всех конфигурациях тестов.

Во время различных тестов на задержку изображения мы заметили, что задержка для камеры B, похоже, связана с общей интенсивностью на чипе, основанной на величине и охвате площади. Например, когда освещение покрывает весь чип, эффекты значительно выше, чем когда освещается только небольшая часть (как в текущем случае). Такое поведение также наблюдалось, когда камера работает с более низким разрешением, что обычно приводит к более умеренным эффектам задержки. Однако дальнейшее исследование показывает, что измеренная цифровая интенсивность в режиме пропущенного освещения отличается от изображений с непрерывным освещением.

Результаты, представленные выше, показывают, что обе камеры ведут себя по-разному, когда дело доходит до запаздывания изображения, но эта задержка, по-видимому, связана с электроникой датчика. Поведение обеих камер, показывающее перерегулирование или недорегулирование в зависимости от графика освещения, обычно наблюдается в усилителях, особенно в системах с высокой пропускной способностью, как и ожидалось для высокоскоростных камер, считывающих более 20 миллиардов пикселей в секунду.

Мы исследовали отставание изображения на многих высокоскоростных камерах, понимаем всю сложность и определили эффективные процедуры коррекции, чтобы исправить эти системы и сделать их более надежными.В следующей статье будут подробно описаны результаты нашего анализа и предложены методы коррекции для получения количественной информации об интенсивности фотонов от этих современных высокоскоростных устройств формирования изображений.

Как снимать видео с помощью цифровой зеркальной камеры

Как качество видео отличается в трех разных бюджетах: 1000, 10 000 и 100 000 долларов? Посмотрите нашу оригинальную серию «Один, десять, сто», чтобы узнать! При создании этого фильма ни одна зеркалка не пострадала.

В этом видео Крис раскрывает основные фундаментальные принципы съемки с помощью цифровой зеркальной камеры.В частности, он рассказывает, как использовать выбранную камеру Wistia — Canon 5D Mark III.

Даже если вы никогда в жизни не касались зеркалки, к концу этого видео-семинара вы должны быть в состоянии взять камеру и снимать великолепно выглядящие видеоматериалы — не так уж и плохо, а? Хотя Крис описывает Canon 5D Mark III, многие из этих принципов применимы также к беззеркальным камерам и традиционным видеокамерам.

О чем мы поговорим:

Выбор программного обеспечения
ISO
Диафрагма
Выдержка
Баланс белого и цветовая температура
Запись звука
Смена объектива
Параметры объектива

Полное раскрытие: Canon 5D Mark III не является видеокамерой.На самом деле это фотоаппарат, который также может снимать видео. Но у этой камеры есть невероятные преимущества перед традиционной видеокамерой:

Она маленькая и очень легкая.
Его сменные линзы повышают универсальность и вдохновляют на художественные и творческие снимки.
Легко сделать снимок с малой глубиной резкости (фон не в фокусе).
Это невероятно при слабом и переменном освещении.

В Wistia мы снимаем видео со скоростью 24 кадра в секунду, чтобы добиться более кинематографического и художественного вида отснятого материала.Мы записываем с настройкой 1920/24 / ALL-I. Это обеспечивает высочайшее разрешение и высочайшее качество кадра, который может снимать камера. Если вы хотите снимать с более высокой частотой кадров (для создания видеороликов с замедленным движением), выберите настройку 1280/60 / ALL-I. Это снизит разрешение до 1280×720, но будет снимать со скоростью 60 кадров в секунду.

В идеальном мире выбор соотношения сторон должен быть ранней частью творческого процесса. Как правило, вы всегда должны учитывать, какую форму примет окончательный формат, прежде чем вы начнете снимать.Если вы заранее рассчитаете идеальные размеры для своего видео, вам никогда не придется беспокоиться о том, чтобы вырезать головы людей (или ваш продукт!) Или тратить место на черные полосы. К счастью, у нас есть для этого инструмент! Используйте наш калькулятор соотношения сторон как часть вашего процесса. Все, что вам нужно сделать, это указать текущую или желаемую ширину вашего видео, и мы предоставим вам соответствующую высоту (или наоборот) для соответствующего соотношения сторон. Благодаря этим точным расчетам ваше видео будет выглядеть наилучшим образом, а ваше творческое видение останется неизменным!

Чтобы узнать больше о выборе идеального соотношения сторон для видео, прочтите этот пост.Кроме того, мы выяснили, как Adobe Rush помогает получить идеальное соотношение сторон при редактировании видео для социальных сетей на ходу. Какими бы ни были ваши вопросы о соотношении сторон, мы уверены, что у нас есть на них ответы.

ISO

ISO определяет, насколько чувствительна камера к свету. Короче говоря, чем выше ISO, тем ярче будет изображение. Чем меньше число, тем темнее будет изображение. Используйте высокое значение ISO (больше, чем ISO 640), если вы снимаете внутри без большого количества естественного освещения.Держите значение ISO на низком уровне, когда вы снимаете средь бела дня на улице или при ярком студийном освещении.

Тот факт, что вы можете повышать и понижать ISO, действительно потрясающ. Но по мере увеличения ISO вы добавляете шум и зернистость в ваше изображение, поэтому вам нужно делать это осторожно. Камера будет работать лучше всего в нижней части диапазона ISO.

Диафрагма регулирует количество света, попадающего на датчик изображения. Более высокая диафрагма (например, f16) означает, что в камеру попадает меньше света.Эта настройка лучше всего подходит, когда вы хотите, чтобы все в кадре было в фокусе, например, когда вы снимаете групповой снимок или пейзаж. Меньшая диафрагма означает, что в камеру попадает больше света, что лучше для сценариев с низким освещением. Кроме того, меньшая диафрагма создает хорошую глубину резкости, делая фон размытым. Вы хотите использовать низкую диафрагму, когда хотите получить более динамичный снимок. Например, мы используем низкие значения диафрагмы, такие как (f1.8) в нашей студии Wistia, чтобы создать этот классический снимок.

Когда вы настраиваете снимок, имейте в виду этот совет:

Чем выше число, тем большая часть вашего снимка будет в фокусе.
Чем меньше число, тем меньше снимок будет в фокусе.

Хотите узнать больше о диафрагме? Посмотрите видео и ознакомьтесь с этим подробным постом, который охватывает все, что вам нужно знать.

В фотографии скорость затвора имеет довольно буквальное определение: это скорость открытия и закрытия затвора, когда вы делаете снимок. Когда дело доходит до измерения скорости затвора, более низкая скорость затвора (например, 1/50) означает, что затвор открывается и закрывается с меньшей скоростью. Когда ваш затвор открывается и закрывается с меньшей скоростью, вы заметите, что ваше изображение будет ярким, а быстро движущиеся объекты будут не в фокусе.Более высокая скорость затвора (например, 1/1000) означает, что затвор открывается и закрывается с большой скоростью. В результате ваше изображение будет темнее, а быстро движущиеся объекты будут четкими и сфокусированными.

Теперь, когда дело доходит до выдержки для видео, она примерно такая же, но затвор не открывается и не закрывается. На самом деле происходит то, что заслонка остается открытой, а датчик работает в течение определенного периода времени. Выбирая выдержку для видео, используйте это общее правило: удвойте частоту кадров.Если вы снимаете со скоростью 24 кадра в секунду, скорость затвора должна быть 1/48 (округленная вверх на зеркальной камере до 1/50). Если вы снимаете со скоростью 60 кадров в секунду, выдержка должна быть 1/120.

Хотя с технической точки зрения это правило, его необязательно соблюдать. Мы рекомендуем сначала установить диафрагму, затем ISO, а затем выдержку. Поэтому убедитесь, что вы нашли диафрагму, которую хотите использовать, соответствующим образом отрегулируйте ISO, а затем, где бы ни оказался затвор, должно быть достаточно хорошего.

В этом посте наш видеопродюсер Тревор объясняет, что при съемке видео можно использовать любую выдержку затвора.Думайте о выдержке как о способе сделать видеоизображение ярче или темнее. Но помимо этого, вы можете добиться разного вида с разной скоростью затвора для видео. Более низкая скорость затвора создает кинематографическое ощущение и создает более естественное размытие при движении. С другой стороны, более высокая скорость затвора будет казаться скачкообразной. Выбор остается за вами!

Различные источники света, такие как лампочка и солнце, имеют очень разную температуру. Баланс белого буквально сообщает вашей камере цветовую температуру света, который вы снимаете.Попробуйте согласовать предустановку баланса белого с цветом света, при котором вы снимаете. Например, если вы находитесь на улице среди бела дня, обратите внимание на значок солнца. Если вы снимаете внутри при свете белого люминесцентного света, используйте предустановку люминесцентной лампы. Если вы снимаете с использованием традиционных студийных ламп или галогенных ламп, обратите внимание на маленький значок вольфрамовой лампы.

Бывают ситуации, когда вы будете снимать при смешанной температуре света. В Wistia, когда мы снимаем за пределами студии, из окон может попадать свет, который составляет около 5600 Кельвинов, в сочетании с некоторым количеством света от наших флуоресцентных ламп, которые могут иметь температуру около 4000 Кельвинов или 3000 Кельвинов.Эта смесь дала бы нам конечную цветовую температуру около 4800 Кельвинов. В подобных ситуациях ищите специальный значок «K», чтобы регулировать температуру до тех пор, пока цвет на вашем снимке не станет естественным.

Когда дело доходит до съемок на улице, в этом посте мы делимся некоторыми основами, которые мы сочли полезными. От детального описания преимуществ отражателей и шелка до причин, по которым вам следует выбрать фильтр нейтральной плотности, мы можем помочь вам получить тот хорошо сбалансированный снимок, который вы ищете.

Разъем для наушников 5D Mark III позволяет уверенно записывать звук на камеру, точно отслеживая его звучание.Если что-то искажается или вам нужно увеличить или уменьшить громкость микрофона, вы узнаете об этом сразу во время съемки.

Это очень быстрая разбивка используемых нами настроек:

Zoom H5 с питанием от дробовикового микрофона Sennheiser ME-66 с включенным фантомным питанием + 48V
Регулятор громкости на входе H5 составляет около 4–5
Линейный выход от H5
Запись звука 5D Mark III выполняется вручную, набирается вниз
Одновременная запись на H5 в качестве резервной копии
Отслеживайте звук 5D, подключив наушники к камере

Качество звука на 5d хорошее, но не идеальное.Мне нравится записывать на H5 одновременно, на случай, если мне нужно синхронизировать хороший звук с H5 с плохим звуком с камеры. Эта общая настройка работает и с другими зеркальными камерами! Но есть одно огромное препятствие для использования практически любой другой цифровой зеркальной камеры Canon с поддержкой видео (70D, 7D, 5D Mark II), кроме 5D Mark III: отсутствие разъема для наушников. У нас есть 101 статья о записи звука с помощью Canon 5D Mark III.

Если вам нужны дополнительные ресурсы для улучшения звука, не ищите дальше.У нас есть пост о том, как уменьшить эхо в вашем видео. Возможно, вы даже ищете микрофон для улучшения качества звука. Этот пост охватывает все ваши базы в этом случае. Наконец, с развитием видеомаркетинга вы можете взглянуть на этот пост о записи звука для бизнес-видео.

Почему вы хотите использовать разные объективы? Что ж, давайте взглянем на два примера линз. Во-первых, у нас есть объектив 50mm f / 1.8 STM. Использование 50-миллиметрового фиксированного объектива с постоянным фокусным расстоянием дает множество преимуществ.У него низкая диафрагма, что означает, что он будет пропускать больше света, что приведет к лучшим характеристикам при слабом освещении. По мере того, как вы пропускаете больше света и открываете эту диафрагму, вы получаете приятную кинематографическую малую глубину резкости. В общем, вы можете получить более качественное изображение с фиксированным объективом, что означает более четкие изображения, более быструю скорость фокусировки и гораздо больше возможностей для художественной обработки и размытия фона.

Второй объектив, который мы рассмотрим, — это зум-объектив Canon 24–105 мм f / 4. Преимущество зум-объектива, такого как этот, от 24 до 105, заключается в том, что он отлично подходит для съемки на лету.Если вы не знаете точно, как будет выглядеть ваш снимок, вы можете получить несколько перспектив с помощью зум-объектива из одного места.

Объектив — это инвестиция, поэтому попробуйте перед покупкой. Есть несколько домов по аренде, у которых есть отличные предложения по аренде линз на день, неделю или даже месяц. Я считаю, что арендовать объектив перед покупкой очень полезно. А чтобы получить больше советов по творчеству с объективами DSLR, перейдите в этот пост и посмотрите наше очень полезное видео, которое вдохновит на новые снимки и интересные ракурсы для ваших видео.

По мере того, как все больше компаний используют возможности видеомаркетинга, знание того, как получить максимальную отдачу от вашей цифровой зеркальной камеры, принесет вам пользу в долгосрочной перспективе. У нас есть множество постов, которые научат вас снимать видео самостоятельно, снимать профессиональные истории из Instagram для вашего бизнеса и даже использовать зеркалку в качестве веб-камеры. Наши советы всегда готовы к употреблению. Так что не бойтесь выходить на улицу и экспериментировать с новым снаряжением. Вы никогда не знаете, как простое видео может положительно повлиять на ваш бизнес!

Попасть в шоу-бизнес

Узнайте, как создавать эпизодический контент, достойный выпивки, с помощью нашего ускоренного курса из 20 эпизодов.Смотрите бесплатно!

Поехали →

Терминология по высокоскоростной камере для начинающих — инженерия движения | Высокоскоростные камеры

В наши дни фотографами становятся все, и неудивительно, что мы носим в карманах камеры с возможностью делать фотографии с качеством, невообразимым даже 10 лет назад. Но получение высококачественных изображений с помощью высокоскоростной камеры значительно более тонкое, чем создание фотографии для вашей учетной записи Instagram! Вот некоторая информация, которая поможет вам начать работу:

Треугольник экспозиции

Прежде чем рассматривать особенности использования высокоскоростной камеры, вы должны быть знакомы с некоторыми основами фотографии.Есть три элемента управления, которые работают в балансе друг с другом для создания правильно экспонированного высококачественного изображения.

Диафрагма

Это относится к размеру отверстия объектива камеры (иногда его называют «диафрагмой» или «диафрагмой»). Когда диафрагма открывается, чтобы на датчик попало больше света, глубина резкости становится более мелкой. Во многих телешоу и фильмах это используется для создания драматического эффекта, когда персонаж на заднем плане не в фокусе, в то время как персонаж, находящийся ближе к камере, становится четким и ясным.Когда вы можете закрыть диафрагму объектива, чтобы уменьшить количество света, необходимое для обеспечения надлежащего освещения, глубина резкости может стать значительно больше. Для научных изображений это влияет на то, что объект может оставаться в фокусе, когда он движется к камере и от нее во время эксперимента.

Выдержка

Этот параметр определяет количество времени, в течение которого затвор пропускает свет на матрицу камеры. Более короткая выдержка и более короткое время экспозиции замораживают быстро движущиеся объекты в космосе, но также требуют большего освещения.Более длинные выдержки увеличивают свет, попадающий на датчик, но могут привести к размытым изображениям на объектах, которые перемещаются через поле зрения камеры.

Изображение слева было снято с выдержкой 198 микросекунд и демонстрирует размытость движения при срабатывании ловушки. Поскольку время экспозиции сокращается на изображениях слева направо, мы неуклонно видим уменьшение размытости изображения. Окончательное изображение справа было получено с выдержкой 10 микросекунд, чтобы устранить размытость движения быстро движущегося объекта.Вы также увидите, что для получения изображений с более коротким временем экспозиции нам нужно было настроить диафрагму объектива, чтобы позволить большему количеству света достигать датчика.

ISO Значения

ISO увеличивают и уменьшают светочувствительность сенсора камеры. Это можно отрегулировать, чтобы сбалансировать ваши потребности в глубине резкости и / или скорости затвора, но «повышение» чувствительности путем регулировки настроек усиления, гаммы, яркости и контрастности может снизить качество изображения, добавив в него нежелательный «шум» или «артефакты». изображения.

Чтобы добиться правильно экспонированного видео, вы используете эти три настройки в равновесии друг с другом. Правильное понимание и использование диафрагмы, времени экспозиции и ISO позволит получить оптимальные изображения для любого приложения.

Прочие важные термины

Разрешение

Разрешение высокоскоростной камеры относится к количеству отображаемых активных пикселей. Более высокое разрешение не обязательно означает «более высокое качество», когда речь идет об использовании высокоскоростной камеры для многих приложений.Ключ состоит в том, чтобы максимально использовать пиксели, которые отображаются, с помощью соответствующей оптики, которая заполняет доступное разрешение интересующим объектом.

Первые два изображения здесь были сняты с помощью объектива 60 мм с одинакового рабочего расстояния. (Интересующая область — центр объекта.) Первое изображение снимается с полным разрешением 1024 x 1024, а второе — с разрешением 640 x 640. Не меняя объектив или положение камеры, мы просто уменьшаем поле зрения при использовании более низкого разрешения.Последнее изображение имеет разрешение 640 × 640 и снято объективом 100 мм для фокусировки именно на интересующей области.

Частота кадров

Частота кадров высокоскоростной камеры — это количество изображений, снимаемых в секунду. Стандартное видео снимается с частотой 24 кадра в секунду, а замедленное видео, снятое с помощью высокоскоростных камер, может захватывать до миллионов кадров в секунду! Благодаря современной технологии высокоскоростной камеры датчик в камере может достигать определенной частоты кадров при заданном разрешении.Чтобы снимать изображения с более высокой частотой кадров, пользователь уменьшит количество отображаемых активных пикселей и сможет установить камеру на более высокую частоту кадров.

Изображения выше были сняты с разной частотой кадров. В верхнем ряду изображений отображается первый кадр последовательности после того, как камера начала захват изображений. Как видите, положение руки на ловушке для мыши находится в том же положении в точке T0 в верхнем ряду изображений, независимо от частоты кадров. Нижний ряд изображений показывает это же событие на (29) кадрах после кадра запуска (T0) с разной частотой кадров.

Монохромный против цвета

Все высокоскоростные камеры изначально построены с монохромным датчиком изображения. Для получения цветных изображений к датчику физически применяется цветовой фильтр Байера, и используется алгоритм для «создания» цветного изображения путем присвоения значений красного, зеленого и синего каждому пикселю.

При применении фильтра Байера к датчику света свет, который достигает пикселей на датчике, уменьшается. Это означает, что для того же уровня экспозиции на ваших фотографиях с цветной камерой требуется больше света, и усиливается компромисс треугольника экспозиции.

Изображения выше были сделаны с тем же диафрагмой, равной 16. Как вы можете видеть справа, цветная камера имеет меньшую светочувствительность, чем монохромная версия из-за цветового фильтра Байера, который используется для создания цветных изображений на высокоскоростная камера.

На изображениях показаны одинаковые уровни освещенности монохромной и цветной камеры — диафрагма объектива монохромной камеры установлена на f / 11, а диафрагма объектива цветной камеры установлена на f / 8.

Лучший способ выбрать высокоскоростную камеру для ваших приложений — запросить демонстрацию камеры на месте, чтобы лично убедиться в качестве изображения, чувствительности и пользовательском интерфейсе.

Это только самые базовые концепции для успешного захвата изображений, но они являются хорошим началом, которое поможет вам выбрать высокоскоростную камеру, которая лучше всего подходит для ваших приложений.

Руководство для начинающих по замедленной съемке видео

Опубликовано 15 апр.2020 г. Ли Ренвик

Замедленная съемка — отличный навык в арсенале любого видеооператора.Вот что вам нужно знать, и как снимать и редактировать замедленное видео.

Что ты снимаешь? События и свадьбы, коммерческая работа, продукты, музыкальные клипы, личные творческие проекты? Как бы то ни было, хорошо размещенное и хорошо сделанное замедленное видео может иметь большое значение. Но сделайте ошибку, и вы об этом узнаете.

К счастью, это действительно очень просто — все, что вам нужно, это понимание скорости захвата и воспроизведения, несколько советов по съемке и некоторые ноу-хау редактирования. У нас есть все это и многое другое прямо здесь.

Как работает замедленная съемка?

Если вы разбираетесь в практиках и хотите получить советы по съемке и редактированию, пропустите этот раздел. Если нет, то это очень важно, так что оставайтесь здесь.

Короче говоря, замедленное видео — это просто процесс воспроизведения отснятого материала с более медленной частотой кадров, чем было снято. Но это не сработает с любым материалом — или, по крайней мере, не сработает. Вам нужно убедиться, что вы снимаете с достаточно высокой частотой кадров.

Некоторые современные зеркалки и беззеркальные камеры могут снимать со скоростью до 120 кадров в секунду, но 60 кадров в секунду все же можно замедлить.Когда дело доходит до воспроизведения, обычно 24 или 30 кадров в секунду. Давайте возьмем для примера 120 и 24 кадра в секунду, потому что математика хорошо работает.

Если вы записываете 120 кадров в секунду, а затем воспроизводите этот отснятый материал, показывая 24 кадра в секунду, ваш клип будет воспроизводиться 5 секунд, потому что 120/24 = 5. Это 5-кратное замедление.

Хотя конкретные числа могут отличаться, это соотношение между скоростью захвата и скоростью воспроизведения может применяться где угодно. Это так просто.

Медленные видеоподсказки

Нельзя просто повернуть камеру до 120p и ожидать хороших результатов — это еще не все.К счастью, несколько ключевых советов по стрельбе вас увидят.

Важно отметить, что запись с более высокой частотой кадров может иметь некоторые ограничения. Ваша камера может кадрировать и использовать для записи только часть сенсора, или она может ограничивать вас более низким разрешением, чем ее обычные возможности видео.

И наоборот, если вы находитесь в зоне PAL, а это большая часть мира за пределами Соединенных Штатов Америки, не слишком заходя слишком далеко в форматы вещания, вы можете получить дополнительные кадры из вашей камеры, переключив свой камеру в NTSC.Если вы редактируете и воспроизводите на компьютере, а не на телевизоре, вы вряд ли заметите разницу. Разобравшись с этим, давайте рассмотрим несколько советов.

Наш первый и самый важный совет — не забывайте о правиле угла затвора 180 градусов. Если у вас есть опыт работы с обычным видео, это может быть вам покрыто, но его можно упустить из виду при переходе между настройками. Как и при съемке 24 или 30p, просто не забудьте установить выдержку примерно в два раза больше, чем частота кадров.Конечно, это правило — всего лишь руководство, и вы можете экспериментировать, но имейте это в виду. Многие считают, что увеличение выдержки сверх удвоенной частоты кадров дает хорошие результаты.

При довольно короткой выдержке, определяемой вашей частотой кадров, вам, вероятно, понадобится хорошее количество света. Если вы снимаете при искусственном освещении, важно знать, что некоторые источники света будут мерцать при съемке в замедленном режиме, так что это наш второй совет.

Поскольку свет мерцает с определенной частотой в зависимости от страны, настройка частоты кадров и выдержки может уменьшить или избавиться от эффекта мерцания , но лучше всего сделать несколько пробных снимков перед тем, как приступить к съемке, или просто снимать с использованием света предназначен для видеосъемки с самого начала.

Наш третий совет касается движения. Если вы новичок в замедленном видео, вы можете легко выполнять те же движения камеры, что и обычно, но вы должны учитывать, что ваше воспроизведение может быть в 5 раз медленнее, чем обычно. Таким образом, обычная сковорода будет выглядеть как улитка. Мы говорим: не бойтесь разбрасывать камеру. То же самое касается любого кадра из — он должен двигаться с приличной скоростью.

Мы рассмотрели визуальные эффекты, но как насчет звука? Вы можете растянуть аудиоклип до скорости видео, но есть вероятность, что он будет звучать искаженно и странно.Ваша камера может даже не записывать звук во время захвата с высокой частотой кадров. В любом случае для достижения наилучших результатов вам, вероятно, придется добавить некоторые эффекты в сообщение. Однако существует целый мир стандартных звуков, созданных специально для этого, так что не волнуйтесь.

Наконец, но не следует упускать из виду, не будьте беспричинны, используя замедленное движение. У него есть время и место, и если его перестараться, он теряет свое влияние. Точно так же вы должны знать, что будет воспроизводиться в режиме замедленной съемки, а что нет, когда вы снимаете — не просто снимайте все в формате 120p «на всякий случай», вы можете захотеть замедлить воспроизведение позже.

Как редактировать замедленное видео

Когда вы отсняли отснятый материал, вы готовы к редактированию. Есть несколько вещей, которые вам нужно знать при редактировании видеоряда с необычной частотой кадров или разных клипов с разными частотами кадров, но в этом нет ничего слишком сложного.

Здесь мы будем иметь в виду Premiere Pro, но вы, вероятно, сможете добиться очень похожих результатов с помощью другого программного обеспечения, хотя конкретные команды будут в некоторой степени отличаться.

Первым шагом является установка скорости воспроизведения вашей последовательности.Если первый клип, который вы перетаскиваете, является клипом 120p, ваше программное обеспечение для редактирования может воспроизвести все последующие клипы с этой частотой кадров, и это, вероятно, не то, что вам нужно. В Premiere Pro в разделе «Новая последовательность» просто установите желаемую скорость воспроизведения в раскрывающемся меню «Временная шкала» в разделе «Настройки».

Когда ваша шкала времени настроена, есть два простых способа замедлить воспроизведение отснятого материала. Во-первых, вы можете выбрать все клипы в своей подборке, щелкнуть правой кнопкой мыши, нажать «Изменить», затем «Интерпретировать видеоматериал», выбрать «Принять эту частоту кадров» и ввести скорость воспроизведения, определенную в шаге выше.

Как вариант, вы можете перетащить клипы на временную шкалу, затем просто щелкнуть правой кнопкой мыши, выбрать «Скорость / длительность» и ввести процентное значение. Еще раз, здесь важно помнить о взаимосвязи между скоростью захвата и скоростью воспроизведения. Слишком низкий процент приведет к тому, что отснятый материал будет воспроизводиться медленнее, чем скорость вашей временной шкалы, что не очень хорошо выглядит. Например, с материалом 120p и шкалой времени 24p вы можете воспроизвести отснятый материал на самой низкой скорости 20%. В таких программах, как Final Cut Pro X и iMovie, эти настройки отображаются под значком спидометра.

Итак, теперь ваш отснятый материал находится на временной шкале и воспроизводится в замедленном темпе, как вы хотели, но мы можем сделать еще больше для еще лучших результатов. Во-первых, мы можем сделать его еще более гладким.

Одна из лучших особенностей замедленного видео — это то, что оно отлично смотрится прямо из камеры — вам понадобится всего лишь доля секунды непрерывного отснятого материала в реальном времени для кадра, который длится несколько плавных секунд при более медленном воспроизведении. Однако, если вы хотите сгладить более длинные клипы, в Premiere Pro откройте панель «Эффекты», найдите «Стабилизатор деформации», поместите его на клипы и позвольте ему творить чудеса.Чтобы было ясно, это не сработает идеально на очень неустойчивых кадрах и дает небольшое кадрирование.

Наш последний совет по редактированию предлагает вам больше контроля в пределах клипов, благодаря так называемому изменению скорости. Если вы хотите, чтобы в замедленном воспроизведении воспроизводилась только небольшая часть клипа, нет необходимости в сложном редактировании, вам просто нужно выполнить следующие основные действия.

Во-первых, растяните трек вверх и увеличьте масштаб так, чтобы он заполнил всю или большую часть видимой временной шкалы. Затем щелкните правой кнопкой мыши небольшую вкладку FX на клипе, выберите «Переназначение времени и скорость», затем с помощью инструмента «Перо» щелкните, чтобы перетащить ключевой кадр в том месте, где вы хотите начать или закончить медленное движение.Теперь перетащите линию, проходящую через клип — это означает скорость — до любого процента, являющегося нормальной скоростью воспроизведения. Опять же, с клипом 120p на шкале времени 24p это будет 500%, в зависимости от упомянутой выше скорости захвата и скорости воспроизведения.

Помните, какая бы сторона ключевого кадра вы ни перетащили вверх, это будет фрагмент, который будет воспроизводиться в реальном времени. Вы можете создать вторую точку и перетащить линию вниз, если хотите, чтобы скорость на мгновение снизилась, а затем снова увеличилась.Вы также можете настроить скорость нарастания скорости несколькими способами. Вы можете перетащить рампу влево или вправо, чтобы это произошло на большем количестве кадров, или вы можете щелкнуть и повернуть синие вкладки, чтобы сгладить увеличение или уменьшение скорости.

Опять же, аналогичный результат может быть достигнут в другом программном обеспечении. Даже на самых простых платформах редактирования вы можете просто разрезать клип на части и отрегулировать скорость только одного раздела, хотя плавного перехода не будет.