Погода 4 января наконец-то смилостивилась, и мне удалось дать первый свет камере, которая у меня лежит с начала ноября прошлого года.
Итак, вниманию общественности предлагается камера производства российской компании «ЭВС» (Санкт-Петербург), модель VAC-135.
Но сначала немного слов о фирме-производителе. Компания «ЭВС» специализируется на разработке и производстве охранных камер, охранных систем и систем контроля доступа. Причём это именно разработка и именно производство, со своим конструкторским отделом и производственными мощностями. Одних только охранных камер они выпускают 5000шт. в месяц, есть и военная продукция. Так, например, некоторые камеры устанавливаются на вертолёты для наблюдения за внешней подвеской для транспортировки габаритного груза на тросе. Помимо всего прочего, это означает, что у фирмы есть вся необходимая аппаратура для самого жесткого выходного контроля, и это рождает некоторую надежду на нормальную работу камеры в полевых условиях.
Впрочем, о компании и выпускаемой продукции можно прочитать на их сайте
www.evs.ru От себя отмечу, что в силу специфики приложений (охранные камеры), подавляющее большинство выпускаемых камер имеет стандартный телевизионный формат на выходе. При этом есть довольно интересные модели, в которых при низкой освещённости объектов наряду с временной интеграцией (увеличение времени экспонирования кадра) есть ещё и биннинг, что позволяет камере давать картинку тогда, когда другие камеры дают только «квадрат Малевича». Вот такие камеры фирма и экспортирует в Европу, где они пользуются заслуженным спросом.
Камера, которая попала ко мне в руки, принадлежит к новому семейству камер, «мегапиксельные камеры с интерфейсом USB 2.0». К разработке таких камер побудила довольно распространённая ситуация, когда разрешения обычной камеры достаточно, чтобы обнаружить нарушителя, но недостаточно, чтобы его уверенно опознать, или недостаточно, чтобы прочитать номер автомобиля. Понятно, что телевизионный формат для таких целей уже не годится, и при увеличении количества пикселей в 1 кадре пришлось перейти на полностью цифровой интерфейс, а большой поток данных потребовал применения высокоскоростного интерфейса, в качестве которого выбран USB 2.0
По ряду причин, для создания камер этого семейства были выбраны матрицы не ПЗС,а КМОП, а так как о таких матрицах было известно, что они имеют меньшую чувствительность по сравнению с ПЗС, то главный вопрос был такой: будут ли они сравнимы, ну, хотя бы, с тем же Филипсом, опыт применения которого довольно велик. В пользу КМОП, использованных в этих камерах, говорит то, что над каждым пикселем имеется своя микролинза, которая собирает падающий свет на чувствительную область пикселя. Дело в том, что полезная площадь обычных КМОП матрицах меньше, чем у ПЗС, так как в каждом пикселе размещается ещё и свой усилитель, занимающий полезное место. В матрицах последних поколений микролинзы «заворачивают» на светочувствительную область те лучи, которые должны были попасть на область, занятую усилителем. Впрочем, детали можно посмотреть на сайте «ЭВС».
После длительных обдумываний и после беседы с разработчиком камеры было сделано предположение, что черно-белая КМОП матрица будет лишь немного уступать цветной матрице в веб-камере Филипс, а размер в 1.3 мегапиксела даст разумный компромисс между скорострельностью и информационной ёмкостью одиночного кадра. Поэтому я и выбрал VAC-135.
Вот параметры этой камеры: 1280х1024, пиксель 5.2 микрона, матрица ½ дюйма, модель OV-9121 компании OmniVision, 7 и 15 кадров в секунду, посадка для объективов C/CS, встроенного ИК-фильтра нет. Чувствительность указана равной 0.1 люкса, но это параметр у разных производителей измеряется по-разному. В матрице есть режим, при котором пиксели в строке и сами строки читаются через один, что позволяет аппаратно реализовать разрешение 640х480 при скоростях 30 и 60 кадров в секунду. Это может оказаться полезным при скоростной съёмке Солнца, когда нет недостатка в яркости…
Электроника камеры смонтирована в унифицированном корпусе, в таком же корпусе идёт подавляющее большинство моделей, выпускаемых фирмой. Разъём BNC на корпусе камеры не используется, остальные разъёмы используются для подачи питания на привод диафрагмы объективов (некоторые объективы для охранных камер имеют механическое управление диафрагмой). Питание камера получает по USB, отдельного питания не требуется. Потребление камеры невысокое, если не ошибаюсь – не больше половины ватта. Технические данные по матрице можно найти тут:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/121709/ETC/OV9121.html Драйвер камеры написан сотрудниками фирмы «ЭВС», и я с ними обсуждал логику работы камеры и выполняемые драйвером математические операции с данными. Оказывается, в камере стоит 10-битный АЦП, что есть хорошо, и именно эти данные передаются в драйвер по USB. После этого 2 младших бита обрезаются, а в случае цветной камеры выполняется и дебайеризация. Обсуждение математики драйвера мной велось в форуме ЭВС, вот ссылка на тему:
http://www.forum.evs.ru/viewtopic.php?t=2559 Мне обещан экспериментальный драйвер, который режет 2 старших бита, чтобы можно было вытягивать минимальные яркости в режиме накопления кадров, но это пока в будущем.
Большой поток данных из камеры и необходимость писать его на диск в реальном времени налагает определённые требования к производительности компьютера, причём в ноутбуке узким местом оказывается скорость записи на жесткий диск.
Существенно уменьшить поток за счёт сжатия, можно применив при захвате какой-нибудь кодек, в идеале – работающий без потерь данных. Но степень сжатия кодеком без потерь будет не в десятки раз, а в разы, кодек должен быть достаточно быстрым, чтобы компьютер успевал сжимать данные «на лету». После длительных экспериментов я остановился на MJPEG кодеках, которые сжимают каждый кадр по-отдельности так же, как сжимаются в jpeg отдельные картинки. Тем не менее, на ноутбуке и этого может оказаться маловато… так что эксперименты будут продолжены.
Очень интересные результаты были получены уже после тестирования MJPEG кодеков - были исследованы lossless кодеки, которые сжимают видео без потери данных. На просторах Интернета был найден FastCodec (
http://videosoft.org/codecs/fastcodec/ ), который мне очень понравился. Кодек весьма быстр, что позволяет использовать его «на лету», имеет режим без потери данных и хорошо работает с программой видеозахвата, описанной ниже. На нём я пока и остановился. Регистакс нормально понимает ролики, сжатые этим кодеком если на машине с Регистаксом этот кодек установлен.
Для самого захвата оказалась очень удобной программой небольшая и очень продуманная программа iuVCR волгоградского программиста Ивана Ускова. В ней есть всё, что может понадобиться при захвате: окно с видео, настройка всех параметров камеры, выбор любого кодека из тех, что установлены в системе. Очень важным является возможность автоматической нарезки захватываемого видео на куски заданного размера, встроенный измеритель скорости захвата, величины потока данных, загрузки процессора, счётчики захваченных кадров и многое другое. Для пользователей из стран СНГ автор установил очень льготную цену – 300руб., ну как не купить такую замечательную программу! Вот сайт программы:
www.iuvcr.com Для установки камеры на телескоп был изготовлен переходник на 1.25 дюйма с резьбой для фильтров 1.25”, а для установки фотообъективов – переходник на М42.
Первый свет камера увидела днём, тестирование велось по кирпичной стене дома напротив. Картинка очень приличная, приводится ниже с обработкой только уровней в Фотошопе (растяжка гистограммы).
Тест по Луне состоялся 4 января 2007 года, через день после полнолуния, т.е. при практически максимальной яркости Луны.
Сразу могу сказать, что атмосфера была просто ужасной, при общей видимости мелких деталей лимб Луны полоскался как флаг на ветру. В этих условиях можно ожидать появления дополнительных геометрических искажений за счёт специфики работы электронного затвора в КМОП-матрицах. Дело в том, что в таких матрицах строки экспонируются не одновременно, а по-очереди, при этом разные участки снимаемого объекта оказываются в разных местах и геометрия объекта искажается. Это как при съёмке быстро движущегося автомобиля фотоаппаратом с шторно-щелевым затвором, там этот эффект особенно хорошо заметен на самых коротких выдержках, когда расстояние между шторками меньше размера кадра… Насколько страшны такие искажения при съёмке Луны ещё предстоит выяснить, и сделать это можно только прямым сравнением с ПЗС, но в этот раз погода мне не позволила это сделать.
Первые испытания выявили существенный нюанс, на котором мне хочется остановиться подробнее, так как в условиях регистрации малоконтрастных объектов он будет иметь очень важное значение для качества итоговой картинки.
Но для понимания его нужно сначала понять, как устроена матрица в этой камере. Всё дело в том, что матрица OV-9121 компании OmniVision – это полный электрический аналог цветной матрицы OV-9625, и отличается от неё только отсутствием цветных фильтров, образующих Байеровский паттерн, т.е. в матрице есть отдельно управляемые усилители для красных, зелёных и синих пикселей. При работе обеих матриц по кабелю в компьютер передаются «сырые» данные, после АЦП. Т.е. камера работает в RAW режиме всегда. Драйвер камеры управляет режимами работы матрицы – её усилителями и электронным затвором. Если камера у нас черно-белая, и мы не проводим восстановления цвета методом дебайеризации, то при съёмке однородного серого объекта «красные», зелёные» и «синие» усилители могут иметь разное усиление. В цветной матрице это позволяет регулировать цветовой баланс аппаратно, меняя усиление по красному и синему каналам отдельно от зелёного, но если в черно-белой матрице усиление по этим каналам не одинаково, то на картинке мы увидим регулярный паттерн, который будет тем сильнее, чем сильнее различие по усилению. И хотя регулировка красного и синего усилителей выведена в драйвер камеры и может быть как автоматической, так и ручной, точного выравнивания не получается. Важным обстоятельством является и тот факт, что управление матрицей допускает и регулировку «точки чёрного», т.е. передаточная функция канала может начинаться не в нуле. Это приводит к тому, что полностью совместить передаточные функции по каналам регулировкой только усиления не удаётся, нужно ещё и иметь доступ к регулировке точки чёрного в каждом из каналов.
Сей прискорбный факт не даёт возможности выжать из камеры полный максимум того, на что она потенциально способна, и во весь рост встает вопрос «Что Делать?»
И тут полезно вспомнить, что драйвер камеры универсален, и в ней можно включить цветной режим, т.е. дебайеризацию. При этом паттерн полностью исчезает, а неравенство усилений по каналам приведёт к появлению цветового оттенка картинки. Чтобы эффект был совсем нагляден, можно увеличить цветовую насыщенность. В моём случае хорошо видно, что если уравнять, насколько это возможно, усиление по каналам, то полной ахроматичности картинки всё равно не получается, при этом в светах картинка имеет один оттенок, а в тенях – другой. Это однозначно указывает на то, что «точки черного» в цветовых каналах выбраны неверно, и как ни регулируй усиление – избавиться от паттерна не получится. Но так ли уж плоха дебайеризация? Понятно, что хорошо бы не иметь такого рода преобразований с пикселами, так как это приводит к снижению разрешающей способности, но как показывает опыт, такое снижение невелико и легко компенсируется нерезкой маской с малым радиусом. Как показывает опыт съёмки с последующим сложением кадров в Регистаксе (сложение нужно чтобы избавиться от шумов и исследовать эффект в чистом виде), резкость дебайеризированной картинки вполне удаётся восстановить до уровня картинки, полученной в черно-белом режиме.
А чтобы избавиться от цветовых оттенков и артефактов дебайеризации (цветовой шум на мелких деталях), установим значение цветовой насыщенности в драйвере камеры равное нулю.
Все эти вопросы работы камеры неоднократно обсуждались с разработчиками, и я надеюсь, что мне удалось донести мои идеи до автора драйвера. Есть шанс, что в следующих версиях драйвера камеры появятся нужные регулировки, и можно будет работать без дебайеризации, при полном разрешении камеры.
В любом случае, живут же с дебайеризацией при использовании того же Филипса, а наша камера имеет в 4 раза больше пикселей, чем Филипс, а следовательно и в 4 раза больше информационную ёмкость. Этим она и ценна для солнечной и лунной съёмки – при прочих равных мы получим в 4 раза больше информации за то же время. Например, делая панораму Луны мы затратим на съёмку в 4 раза меньше времени, а кадров накопим в 3 раза больше, ведь наша камера ещё и скорострельная и способна давать до 15 кадров в секунду в полном разрешении. Так что сравнивая с Филипсом, камера даёт в 12 раз больший поток информации за то же время. ЭТИМ ОНА И ЦЕННА.
Картинки:
1. Камера с самодельным адаптером 1.25” и вид на матрицу
2. Дневной кадр, растяжка гистограммы, кроп центральной части 640х480
2. Одиночный кадр Луны, кроп центральной части 640х480
3. Результат обработки ролика в Регистаксе (отобрано 300 кадров из 1600), кроп 640х480
Полный результат обработки двух роликов Луны можно посмотреть тут:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,8654.msg430001.html#msg430001 
