Матриця в камерах відеоспостереження

Матриця або світлочутлива матриця, відеоматриця (image sensor, imager) є основним елементом відеокамер, цифрових фотоапаратів і призначена для перетворення, спроеційованого на неї оптичного зображення в аналоговий електричний сигнал або в потік цифрових даних (за наявності аналого-цифрового перетворювача безпосередньо в складі матриці). Якщо обійтись без вікіпедії, то матриця перетворює світло в електричний сигнал.

Необхідно зазначити, що сама матриця навіть важливіша за процесор, який використовується для оцифровки відео - хоча в ЦП і буде багато функцій, але якщо на матриці отримано погане зображення, то процесор працює вже з поганим зображенням.
Також зазначимо, що у одного виробника може бути дві камери з однаковими характеристиками (роздільна здатність запису, кут огляду тощо), але з різними матрицями, наприклад, одна камера з матрицею від Sony і друга камера з матрицею від SOI (або Noname) - і ціна таких камер може відрізнятись на 30-35%.

Виробники матриць

Давайте і почнемо з виробників. Найбільш відомими та популярними виробниками матриць для камер відеоспостереження є: ON Semiconductor Corporation, Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics та Sony Corporation. Виробники використовують матриці цих брендів для створення основної лінійки відеокамер та камер преміум класу. Також відзначимо бренди Canon, Hikvision та Dahua - вони також виробляють матриці під власні потреби.

Але, звісно, існує безліч інших виробників, які пропонують бюджетні рішення, наприклад, одна з найбільш популярних компаній - це SOI (Silicon Optronics, Inc.), яка достатньо молода, але вже намагається знайти свою нішу серед відомих брендів. Саме на базі матриць SOI багато виробників створюють бюджетні лінійки відеокамер. Тобто, якщо Ви бачите, що навіть у одного виробника є камери з абсолютно однаковими характеристиками, але з різною ціною - то, зверніть увагу на матрицю та виробника цієї матриці, скоріше за все різниця тільки в цьому. В загальному, зрозуміла і різниця між брендами і будь-яким ноунеймом. Так, всі характеристики можуть бути однаковими, роздільна здатність передачі відео зображення, але різні матриці і різні виробники - на виході ви побачите різні картинки, різну насиченість і навіть різні кольори (відтінки).

CCD та CMOS матриці

У старих статтях і оглядах в Інтернеті ви можете побачити багато букв про переваги та недоліки CCD або CMOS матриць і яку краще вибрати. Але, перемогли CMOS матриці, в основному через те, що вони дешевші у виробництві. Тому, при виборі камери для відеоспостереження вже немає вибору між CCD і CMOS матрицями - тільки CMOS. Тому, перейдемо до інших характеристик матриць.

Формат (типорозмір) матриці

У характеристиках відеокамери ви обов'язково побачите розмір матриці - 1/4 дюйма, 1/3", 1/2.8 д і т.п. Формат матриці - це розмір матриці по діагоналі. Обозначення типорозміру дісталося у спадок від електронно-променевих трубок, і вказують формат матриці у вигляді дробу з розмірами в дюймах.

У форматі матриці дуже просте правило - чим більший розмір матриці, тим краще. Оскільки, при інших рівних умовах (роздільній здатності, тобто однаковій кількості пікселів) у більшої матриці крупніші пікселі, таким чином, вона уловлює більше світла. Крім того, самі пікселі на матриці більшого розміру розташовані менш щільно, що забезпечує менше впливу взаємних перешкод і нижчий рівень паразитних шумів, а це все впливає на якість отримуваного відеосигналу та зображення в підсумку.

Також, фізичний розмір матриці впливає на кут огляду камери відеоспостереження. При інших рівних умовах, чим більша матриця, тим більші кути огляду у відеокамери.
Від розміру матриці залежить і те, які об'єктиви можна встановлювати на камеру (якщо можлива зміна об'єктива в камері відеоспостереження).  Виробники об'єктивів завжди вказують розмір матриці, під яку підходить об'єктив, наприклад 1/4 або 1/3. При цьому, об'єктив для матриці більшого розміру підходить для камер з матрицею меншого розміру, але ніколи не навпаки.

І, що очевидно, матриця більшого розміру дорожча у виробництві. Тому, у бюджетних моделях камер відеоспостереження ви рідко побачите матриці більше 1/4", а в більш дорогих камерах використовуються типорозміри матриці 1/3",  1/2.8" і т.п. В спеціальних професійних камерах високої якості можуть використовуватися матриці розміром 1/2" і 1/1.9".

Світлочутливість матриці

Характеристика, яку ви також побачите в описі практично у кожного виробника, деякі виробники можуть вказувати просто як чутливість матриці. Світлочутливість матриці визначає можливість роботи матриці в умовах навколишнього освітлення. Таким чином, чим менше кількість світлової енергії необхідно для отримання нормального зображення, тим вище і світлочутливість матриці. Для всіх матриць справедливо наступне - чим краще освітленість, тим краще зображення. Світлочутливість матриці виробники вказують у Люксах - ЛК, Lux, люкс. Але, зверніть увагу, що виробники вказують мінімальний рівень освітленості, при якому відеокамера ще може зафіксувати якесь зображення, але ніхто не обіцяє, що це буде зображення доброї якості. Сьогодні практично всі камери підтримують режими "день / ніч" і оснащені ІК-підсвіткою, і в темний час доби (при зниженні освітленості) камера переключається автоматично в чорно-білий режим зйомки. Звичайна ІК-підсвітка дозволяє знімати навіть у повній темряві на відстані 20 – 25 м, крім того, існують моделі з посиленою ІК-підсвіткою, де можна знімати на відстані 60 – 100 м в повній темряві.

Таким чином, світлочутливість критична для камер, без ІК-підсвітки, яких зараз практично немає (тільки спеціальні мініатюрні циліндричні або корпусні камери можуть бути без ІК-підсвітки). Як правило, всі виробники вказують світлочутливість 0,01 Lux, що відповідає по значенням освітленості як "Безмісячна ніч" 0,01 Lux (для порівняння - "Місячна ніч" - 0,05 Lux, "Сутінки і добре освітлена автомагістраль вночі" - 10 Lux, "Денне, природне освітлення на вулиці в сонячну погоду" - 5000 - 100000 Lux).

Ще варто трохи згадати про технології, які використовуються для покращення світлочутливості матриці в відеокамері та зниження втрат світла в процесі фіксації зображення. Як правило, для цього необхідно вивести світлочутливий елемент як можна ближче до мікролінзи матриці, яка збирає світло. Це технології Exmor і Starlight. Такі камери можуть передавати навіть в кольорі з приміщення освітленістю 0,01 Lux, і давати непогане зображення в умовах освітленості 0,0001 - 0,001 Lux. Але варто, зазначити, що і ціна таких камер немаленька – це вже більш професійна лінійка. Є сенс використовувати такі технології в роботизованих камерах, які знімають, наприклад, на великих територіях або для системи "Розумне місто". Для звичайних об'єктів простіше / і дешевше :-) / зайнятися питанням освітлення.

Сподіваємося, що після прочитання цієї статті ви більше дізналися про характеристики матриці і на що вони впливають. Тепер ви розумієте наскільки багато залежить від виробника та якості матриці в відеокамері. Тому, навіть у одного виробника в однакових характеристиках і корпусах можуть бути камери з різними матрицями та за різною ціною (різниця може сягати навіть 30-35%).