درس 7 - حساسیت به نور و بازه داینامیک دوربین

حساسیت به نور

(برای اطلاعات بیشتر به مطلب دوربین مداربسته و نور مراجعه کنید.)

حساسیت به نور یکی دیگر از مشخصه های مهم تصویری دوربین های مداربسته است. حساسیت به نور یک دوربین نشان می دهد که دوربین برای تشکیل تصویر به چه میزان نور نیاز خواهد داشت. چیپ تصویر دوربین از تعداد زیادی سلول نوری تشکیل شده که به نور حساس هستند و پس از برخورد نور به شکلی مشخص واکنش نشان می دهند. این واکنش می تواند به صورت عبور جریان یا تغییر ولتاژ باشد. هر قدر حساسیت نوری این سلول ها کمتر باشد به نور بیشتری برای فعال شدن نیاز دارند.

در نور بالا و در طول روز در محیط های بیرونی همه دوربین ها میتوانند تصویری مناسب برای شما ایجاد کنند. اما با کاهش نور دوربین هایی که حساسیت نوری کمتری دارند تصویری کاملا سیاه از محیط ایجاد می کنند. پس حساسیت به نور مشخصه ای است که معمولا در محیطهای کم نور اهمیت پیدا می کند. از آنجایی که تامین امنیت در طول شب برای دوربین های مداربسته بسیار مهم است. میزان حساسیت آنها به نور می تواند یک المان مهم در سنجش کیفیت و بهره وری آنها باشد.

برای شناسایی حساسیت دوربین ها از واحدی به نام لوکس استفاده می شود. گرچه ساختار اندازگیری لوکس تا حدی پیچیده است اما به صورت مختصر به آن اشاره می کنیم. در صورتی که به دنبال اطلاعات بیشتری در این رابطه بودید می توانید به کتاب های محاسبه روشنایی مراجعه کنید.

در ابتدا باید بدانید که حجم نور را با واحد دیگری به نام "لومن" نشان می دهند. توضیح اینکه لومن چگونه محاسبه می شود در این بخش نمی گنجد اما یک لومن نور مقداری مشخص از نور است. از آنجا که چشم ما تنها انعکاس نور بر روی اجسام را می بیند نه خود نور را برای سنجش میزان روشن بودن یک محیط ما باید نور منعکس شده بر روی سطوح آن محیط را محاسبه کنیم. اینجاست که واحد لوکس وارد می شود. در تعریف ساده یک لوکس روشنایی حاصل تابش یک لومن از نور بر روی یک سطح یک متر در یک متر است.

برای درک بهتر یک مثال می زنیم. میزان نور تولیدی لامپ ها را توسط واحد لومن بر روی کاتالوگ آنها نشان می دهند. اگر شما نور تولید شده توسط یک لامپ 800 لومنی را بر روی یک سطح یک متر مربعی بتابانید، 800 لوکس روشنایی ایجاد کرده اید. برای اینکه درک بهتری از واحد لوکس داشته باشید میتوانید به این جدول توجه کنید:

روشنایی	میزان معادل طبیعی
0.0001 لوکس	نور ستارگان در یک شب بدون ماه
0.27–1.0 لوکس	نور ماه کامل در یک شب بدون ابر
3.4 لوکس	هوای گرد و میش و تاریک غروب
50 لوکس	نور معمولی یک اتاق پذیرایی
80 لوکس	نور راه روهای اداری
100 لوکس	یک روز کاملا ابری و تاریک
320–500 لوکس	نور استاندارد اتاق های اداری
400 لوکس	نور طلوع یا غروب خورشید
1000 لوکس	نور یک روز ابری، استاندارد استادیوهای تلویزیونی
10000–25000 لوکس	نور روز کامل (خوشید غیر مستقیم)
32000–100000 لوکس	نور مستقیم خورشید در ظهر

در صورتی که اندازگیری حدودی لوکس محیط ها برای شما امکان پذیر نبود، می توانید از وسیله ای به نام لوکس متر برای این کار استفاده کنید. لوکس متر یک ابزار اندازگیری است که می تواند میزان روشنایی در محیطهای مختلف را به صورت دقیق اندازگیری کند.

یک نکته بسیار مهم در مورد اطلاعات موجود در کاتالوگ های دوربین وجود دارد. در کاتالوگ دوربین معمولا به حداقل نور مورد نیاز برای تشکیل یک تصویر اشاره می شود. اما دوربین معمولا حداقل حدود 10 برابر این نور را برای تشکیل یک تصویر قابل قبول نیاز خواهد داشت. بنابراین حداقل نور نوشته شده در کاتالوگ را در 10 ضرب کنید تا میزان روشنایی مورد نیاز در محیط را به دست آورید.

مکانیزم AGC برای افزایش حساسیت نوری

مکانیزم AGC یک مکانیزم بهبود دهنده تصویر است که به بالا بردن حساسیت دوربین نسبت به نور کمک می کند. اصطلاح AGC مخفف Automatic Gain Control به معنای کنترل خودکار گین است. این مکانیزم در صورتی که نور محیط برای تشکیل تصویر کافی نباشد، به صورت الکترونیکی سیگنال تصویر را تقویت می کند. این تقویت باعث بالا رفتن روشنایی تصویر می شود. البته AGC به صورت ناخودآگاه نویز تصویر را نیز تقویت خواهد کرد که باعث افزایش نویز الکترونیکی در تصویر می شود. بیشتر افرادی که با دوربین های دیجیتال کار کرده باشند با این نویز آشنا هستند. این نویز به صورت دانه های ریز و رنگی در سراسر تصویر دیده می شود.

بازه داینامیک

بازه داینامیک یکی دیگر از مشخصه های بسیار مهم در دوربین های مداربسته است. بازه داینامیک به معنای توانایی یک دوربین در تشخیص بازه وسیع نوری در تصویر است. برای درک بهتر به این مثال توجه کنید:

تصویری از داخل یک پارکینگ سر پوشیده را درذهنتان تصویر کنید که داخل آن تاریک است اما یک ورودی کاملا روشن دارد. در این مثال یک دوربین با بازه داینامیک پایین تصویر داخل پارکینگ را کاملا سیاه و تصویر ورودی پر نور را کاملا سفید نشان می دهد. در مقابل یک دوربین با بازه داینامیک ایده آل تصویر داخل و خارج پارکینگ را با سطوح نوری مشابه نشان می دهد.

با توجه به مثال بالا بازه داینامیک یک دوربین مشخص می کند توانایی آن در دادن یک تصویر یکپارچه از نظر نوری چقدر است. همانطور که فهمیدید بازه داینامیک دوربین تنها در محیطهایی با اختلاف سطح نور اهمیت پیدا می کند.

برای نشان دادن بازه داینامیک دوربین های مداربسته از واحد db یا دسیبل استفاده می شود (عکاس ها احتمالا بیشتر با واحد f-step آشنا هستند). دلیل استفاده از این واحد در این بحث نمی گنجد اما اطلاع از بازه داینامیک یک دوربین، در طراحی حرفه ای سیستم مداربسته بسیار مهم است. برای داشتن یک دید عمومی به این واحد باید بدانید چشم انسان بازه داینامیکی حدود بین 120db تا 170db دارد. در مقابل دوربین های مداربسته عادی امروزی بازه داینامیکی حدود 60db تا 70db دارند.

مکانیزم WDR برای بهبود بازه داینامیک

(برای اطلاعات بیشتر مطلب WDR چیست را بخوانید.)

اصطلاح WDR مخفف Wide Dynamic Range و به معنای بازه داینامیک بالاست. در واقع WDR نام یک مکانیزم نیست بلکه نامی است که به چیپ های تصویری که دارای این قابلیت هستند داده می شود (اما از آن در کاتالوگ ها به صورت یک مکانیزم نام برده می شود)

روش های مختلفی برای بالا بردن بازه داینامیک دوربین ها وجود دارد اما موثرترین روش استفاده از دو چیپ تصویر برای دوربین است. در این روش تصویر توسط دو چیپ ساخته می شود. یک چیپ تصویر در ساختن تصویر سریع و دیگری کند است. چیپ تصویر سریع نور کمتری جذب می کند پس تصویر بهتری از نقاط پر نور تصویر ایجاد می کند. با وجود اینکه این روش برای بالا بردن بازه داینامیک بسیار موثر است اما عیب هایی هم دارد. بزرگترین عیب آن بالابردن هزینه های ساخت چیپ تصویر دوربین است.

روشی دیگر و کمتر موثر نیز برای بهبود بازه داینامیک مورد استفاده قرار میگیرد. تقویت الکترونیکی قسمت های کم نور و کاهش نور قسمت های پر نور است. به این روش اصطلاحا DWDR به معنای WDR الکترونیکی می گویند. تاثیر این روش بر روی بازه داینامیک به مراتب کمتر است اما هزینه اجرای آن نیز پایین تر است، بنابراین از آن معمولا در دوربین های اقتصادی تر استفاده می شود.

مکانیزم BLC برای تغییر بازه داینامیک

(برای اطلاعات بیشتر مطلب BLC چیست را بخوانید.)

اصطلاح BLC مخفف Back Light Compensation به معنای جبران کننده نور پس زمینه است. BLC با این استدلال طراحی شده که زمانی که شما دوربین را در یک محیط کم نور نصب می کنید، اولویت دیدن همین محیط است و محیط پر نور اهمیت کمتری دارد.

کارکرد BLC بسیار ساده است. BLC در واقع بازه داینامیک دوربین را به نفع محیط کم نور جابه جا می کند. برای درک بهتر عملکرد BLC به مثال زیر توجه کنید:

فرض کنید دوربین مداربسته را در اتاقی تاریک نصب کرده اید که پنجره ای پر نور دارد. در حالت عادی شما تصویری نسبتا تیره از داخل اتاق و تصویری نسبتا روشن از پنجره دارید. زمانی که BLC فعال می شود دیافراگم دوربین را باز می کند تا اتاق به اندازه کافی روشن شود. البته این باعث می شود تصویر پنجره کاملا اشباع شود (کاملا سفید دیده شود). از آنجایی که معمولا در محیط های نصب دوربین محیط کم نور تر اولویت بیشتری دارد مکانیزم BLC می تواند بدون افزایش بازه داینامیک دوربین تصویر بهتری برای شما ایجاد کند.

البته BLC نقاط ضعفی هم دارد. در صورتی که نور قسمت پر نور زیاد باشد ممکن است آن بخش از تصویر بیش از حد اشباع شود و بخش های اطراف را نیز تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین BLC تنها در محیطهایی که اختلاف سطح نور در سطحی محدود است موثر خواهد بود.