Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал видеокамеры, осо­бенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизиро­вать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус видеокамеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процес­сами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами). Источниками шума внутри видеокамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэто­му «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от темпера туры. Вот почему, указывая отношение сигнал/шум, производитель должен также указать и темпе­ратуру, при которой проводились измерения.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изобра­жение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Силь­но зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от видеокамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ).

Децибелы - это относительные единицы. Отношение выражается не в виде абсолютной величины, а в форме логарифма. Причина проста: логарифмы позволяют переводить большие отношения чисел к двух-трехзначным числам, но что более важно, преобразование сигнала (при вычислении затухания или усиления системы) сводится к простому сложению или умножению. Другая причина использования децибел (т.е. логарифма) - это более естественное понимание уровня звука и изображения. В частности, ухо человека воспринимает звук, а глаз воспринимает свет, подчиняясь логарифмическому закону.

Если вычисляется отношение любых двух величин, выраженных в одинаковых единицах, то в результате получаются дБ. Если же считается отношение к какому-то уровню, например, уровень напряжения относительно 1 мВ, то единицы называются дБмВ. Если мощность выражена относи­тельно 1 мкВт, то единица называется дБмкВт.

Общая формула для отношений напряжения и силы тока имеет вид:

S/N=20 lg(Uc / U ш)                                                                                                            (1)

Где Uc- напряжение сигнала, U ш - напряжение шума. Значения тока используются, если нужно пока­зать отношение токов.

Если целью сравнения является отношение мощностей, то формула принимает несколько иной вид:

S/N=10lg(P1/P2)                                                                                                                 (2)

Мы не будем вдаваться в объяснения по поводу различий (10 и 20), но запомните, что это вытекает из соотношения между напряжением, силой тока и мощностью.

В видеонаблюдении мы используем децибелы, в основном, для вычисления соотношения напряже­ний, то есть мы будем использовать только первую формулу.

В таблице приведены некоторые значения отношений напряжений (тока) и мощности в дБ. Обрати­те внимание на разницу между этими двумя величинами. В то время, как разница по напряжению в 3 дБ означает, что значение одного напряжения на 41% больше сравниваемого значения, то для мощности 3 дБ означают двойное увеличение мощности (100%-увеличение). 

дБ	0	0.1	0.2	0.3	1	2	3	10	20	30	60
Отношение напряжений или токов	1	1.012	1.023	1.035	1.122	1.259	1.413	3.162	10	31.62	1000
Отношение мощностей	1	1.023	1.047	1.072	1.259	1.585	1.995	10	100	1000	1000000

Таблица. Перевод в децибелы   

Отношение сигнал/шум ПЗС-видеокамеры измеряется не так, как это делается в телевещании или при передаче сигнала. В сигнале телевещания отношение сигнал/шум - это отношение сигнала к шуму, накопленному при передаче сигнала от передатчика к приемнику. Оно определяется как отношение (в дБ) амплитуды сигнала, соответствующего шкале градаций яркости, к среднеквадратическому значению напряжения наложенного случайного шума, измеренного в полосе частот от 10 кГц до 5 МГц. Есть специальные приборы, спроектированные для непосредственного измерения этой величины при использовании сигнала испытательной строки (VITS).

Отношение сигнал/шум ПЗС-видеокамеры определяется как отношение сигнала к шуму, производимому матрицей и электроникой видеокамеры. Чтобы получить реальное отноше­ние сигнал/шум видеокамеры, все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) долж­ны быть отключены, включая гамма-коррек­цию, АРУ, электронный затвор и схему компен­сации встречной засветки. Температура долж­на быть на уровне комнатной. Самый простой метод измерения шума в сигнале видеокамеры - это использование специального измерите­ля шума. Это устройство оценивает шум в полосеотЮО кГцдоб МГц и выводит отноше­ние сигнал/шум прямо в децибелах.

Для ПЗС-видеокамер в видеонаблюдении отноше­ние сигнал/шум более 48 дБ считается хорошим.

Следует помнить, что изменение отношения сигнал/шум на 3 дБ означает примерно 30-процентное уменьшение шума, так как уровень видеосигнала не меняется. И при сравнении видеокамеры, у кото­рой сигнал/шум равен 48 дБ, с видеокамерой, у которой, например, эта величина равна 51 дБ, послед­няя даст значительно лучшее изображение, что будет особенно заметно при низких уровнях освещен­ности. Говоря об отношении сигнал/шум, мы всегда полагаем, что АРУ отключена.

Если не допускать значительного нагрева видеокамеры, то шум будет меньше.

Для сравнения приведем такую величину: ПЗС-видеокамеры в телевещании имеют отношение сигнал/шум более 56 дБ, что чрезвычайно хорошо для аналогового видеосигнала.

Эффективное охлаждение видеокамеры значительно уменьшает шумы. Снижение температуры для любой электроники означает уменьшение шумов. В астрономии и других сферах применения суще­ствуют специальные видеокамеры с охлаждением, которые разработаны таким образом, что ПЗС-матрица охлаждается очень эффективно. Нередко можно встретить охлаждение до -50°С и ниже. Для специфических сфер применения используются видеокамеры, у которых блок с ПЗС-матрицей имеет возможность подключения охладителя. Некоторые модели, наподобие той, которая изобра­жена на иллюстрации, используют охлаждающие элементы Пельтье, для того чтобы постоянно под­держивать температуру ПЗС-матрицы на уровне 5°С, что снижает шум до 1/8 от величины шума при комнатной температуре. Поэтому необходимо отметить, что если в системе видеонаблюдения не используются качественные видеокамеры, то их перегрев может очень сильно повлиять на качество изображения.