Цвет в телевизионных системах наблюдения и охраны

ЦВЕТ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ НАБЛЮДЕНИЯ И ОХРАНЫ. H. Уваров В чёрно-белом телевизионном изображении исходная информация представлена на мониторе двумерной функцией яркости B(x,y) и при высоком качестве изображения это обеспечивает успешное выполнение задач, решаемых ТВ системами наблюдения и охраны.

Цветное изображение представлено многомерной функцией и, в первом приближении, обеспечивает оператора большим количеством информации, чем чёрно-белое изображение, но всегда ли информация о цвете способствует решению задач управления, обнаружения, опознавания и идентификации, типичных для ТВ систем наблюдения и охраны? Известно, что исходные RGB-видеосигналы в телевидении перед передачей преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U = R-Y и V = B-Y, при этом сигналы цветности передаются с гораздо меньшим разрешением, чем яркостной сигнал. Такое возможно благодаря тому, что зрительный аппарат человека менее чувствителен к высоким пространственно-частотным изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости.

Яркостной сигнал по всем компонентам совпадает с видеосигналом, формируемым в чёрно-белых ТВ системах и по сему чёрно-белые мониторы (телевизоры) воспринимают только его. Что касается сигналов цветности, то они добавляются к яркостному сигналу путём модуляции специального гармонического сигнала (цветовой поднесущей) на частоте, лежащей в пределах спектра сигнала яркости. В результате полосы яркостного сигнала и полного цветного сигнала совпадают.

Частота поднесущей должна соответствовать нечётной гармонике полустрочной частоты. Такой выбор частоты поднесущей обеспечивает частотное перемножение линейчатых спектров сигналов яркости и цветности и компенсацию помехи от поднесущей благодаря интегрирующему действию глаза наблюдателя [1]. Эффективное разделение спектров этих сигналов возможно только с помощью специальных гребенчатых фильтров, повсеместное применение которых весьма проблематично в виду их сложности и дороговизны.

Такие фильтры используются пока только в профессиональной аппаратуре высокого разрешения.

В обычных ЦТВ системах при формировании полного (композитного) видеосигнала идут на упрощение спектра, а именно, в области цветовой поднесущей просто или адаптивно делают режекцию спектральных составляющих яркостного сигнала, намеренно облегчая последующее выделение сигнала цветности обычным полосовым фильтром, тем самым значительно ухудшая чёткость воспроизводимого цветного изображения. Таким образом, в ТВ системе PAL , имеющей поднесущую 4,43 Мгц, в яркостном сигнале намеренно убраны спектральные составляющие в полосе частот (3,6 — 5,2) Мгц, которые (в пересчёте по известной формуле Nтвл = 80 F Мгц) обеспечивают разрешение от 230 до 420 телевизионных линий.

Отсюда следует, что разрешающая способность ЦТВ каналов по композитному сигналу уступает ТВ каналам высокого разрешения чёрно-белого телевидения.

Переход на раздельную передачу сигналов яркости и цветности Y/C в настоящее время проблематичен, так как существующее коммутационное оборудование пока таких возможностей не представляет, хотя организация локальных цепей «камера — видеомагнитофон — монитор» уже сейчас вполне осуществима. И всё же, как показывает практика, цветное изображение, воспроизводимое даже от композитного видеосигнала, при выполнении операций обнаружения, опознавания и идентификации более предпочтительно, чем чёрно-белое.

Исследовательский центр систем восприятия факультета психологии бристольского университета в интересах министерства обороны США провёл исследования влияния цветовой информации на вероятность обнаружения объектов телевизионными средствами военного назначения на натурных (природных) и искусственных (результаты деятельности человека) сценах [2]. Известно, что вероятность обнаружения существенно зависит от величины отношения сигнал/шум (С/Ш) в видеоканале, так вот оказалось, что при высоком отношении С/Ш для яркостного сигнала, чёрно-белая камера обеспечивает несколько более высокую вероятность обнаружения. Однако при ухудшении параметра С/Ш величины вероятностей выравниваются, а затем результаты по вероятности для цветного изображения существенно превосходят.

Исследования показали, что в первом случае снижение вероятности связано с дополнительными шумами в канале цветности, во втором — повышение вероятности связано с облегченной адаптацией к цели на естественном фоне, представленном в цвете (трудно обнаружить серую кошку на сером фоне). Особенно это заметно на естественных сценах не слишком, как правило, богатых по природе цветовой гаммой ( в общем то по сути окружающий нас мир больше серый).

Однако на искусственных объектах (городские условия, парковые массивы с элементами рекламы, скамейками, цветниками и пр.), телевизионное изображение, от которых насыщенно окрашенными крупноразмерными деталями вероятность обнаружения (по причине облегченной адаптации) оказывается выше даже при снижении разрешения в яркостном канале. Отсюда следует, что цвет в телевизионных системах наблюдения и охраны, работающих, как правило, на искусственных объектах, позволяет существенно повысить надёжность выполнения задач, решаемых с помощью таких технических средств. Ещё более широкие возможности могут открыться при появлении на рынке аппаратных средств распределения и коммутации видеосигналов по линиям Y/C. Следующим шагом к повышению качества является переход к компонентному сигналу YUV, который в настоящее время широко используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и связан с поддержкой разрешения до 500 линий. Переход на RGB представление, где отсутствуют какое либо кодирование и модуляция и обеспечивается наиболее простая и точная передача сигнала, по-видимому, целесообразен только в ССТV специального назначения. В ТВ системах наблюдения и охраны это вряд ли оправдано, так как в силу вышеуказанных особенностей зрительного восприятия человека достигаемое здесь повышение качества изображения уже становится визуально не существенным. Всё вышеизложенное отражает проблемы, связанные с психофизическими основами зрительного восприятия и техническими особенностями кодирования и передачи цветовой информации в телевизионных трактах. Однако, при решении вопроса в пользу цветных телевизионных трактов следует помнить и о физических особенностях получения информации о цвете. Известно, что ПЗС матрицы (кристаллы) одного формата используются как для изготовления чёрно-белых так и цветных ПЗС сенсоров. По определению цветная камера работает в спектральном диапазоне, ограниченном кривой видности глаза, иначе ни о какой правильной цветопередачи говорить не придётся. Это достигается путём нанесения на кристалл ПЗС матрицы цветоделительного фильтра. Сужение спектральной характеристики цветного сенсора и потери света в цветоделительном фильтре ухудшают его интегральную чувствительность в 2 — 2,5 раза при солнечном освещении, а при освещении источником типа «А» (2850К, лампа накаливания) в 5 раз. В конечном итоге, после разделения цветовых сигналов и формирования сигналов «яркостного» — Y и «цветности» — С, чувствительность по яркостному сигналу оказывается на порядок хуже, чем у чёрно-белой телевизионной камеры, использующей тот же кристалл в ПЗС сенсоре. Действительно, если просмотреть всю гамму камер различных уважаемых фирм, которые честно приводят цифры по их чувствительности, то этот «порядок» чётко наблюдается. В качестве примера. Монохромная камера высшей категории LTC0500 формата 1/2 дюйма производства PHILIPS CSI имеет чувствительность на матрице (при 2850К) 0,02 люкса — для полного видеосигнала при отношении сигнал/шум 40 dB. Аналогичная ей по категории цветная видеокамера LTC0600 формата 1/2 дюйма производства PHILIPS CSI в тех же условиях обеспечивает получение полного видеосигнала при освещённости на матрице 0,2 люкса [3]. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в уличных условиях наблюдения, особенно в ночное время, монохромные телевизионные тракты предпочтительнее цветных и по чувствительности и по разрешающей способности. Это обстоятельство вызвало появление на рынке телевизионных камер с возможностью автоматического переключения режимов с цветного в чёрно-белый при снижении освещённости ночью. Так ТВ камера «Enviro Dome G3» производства PHILIPS CSI может быть запрограммирована на переключение в «ночной» режим автоматически, при снижении освещённости ниже определённого порога, или оператором вручную с клавиатуры управления камерой. В ночном режиме в оптическом тракте видеокамеры исключается ИК-фильтр (между ПЗС сенсором и объективом), нормирующий спектральную характеристику ПЗС сенсора до спектральной характеристики кривой видности глаза. При этом все цветоделённые сигналы на выходе ПЗС сенсора используются для формирования яркостного сигнала с полным разрешением, соответствующем количеству пикселей в матрице. Поэтому в ночном режиме настоятельно рекомендуется воспроизводить видеосигнал на чёрно-белом мониторе, у которого и разрешающая способность выше и динамика по воспро