О режимах работы чересстрочных ПЗС-матриц SONY.

[Mihail Sedyh]

Играясь с переделками охранок, путем довольно длительных изысканий я пришел к довольно неожиданному (для себя) выводу. Началось с того, что мои представления о функционировании чересстрочных ПЗС – матриц никак не хотели накладываться на тайминги управляющих сигналов микросхем обвязки. В Интернете довольно много информации об общих принципах работы ПЗС и масса даташитов на конкретные микросхемы, а вот со средним уровнем детализации наблюдаются сложности.

Наиболее вменяемая статья о режимах считывания, которую я нашел, вот эта:
 http://www.ista-tech.ru/tsb/articles/articles/sx/ART/940/BRN/727.html
А вывод (тот самый, неожиданный) заключается в том, что 99% камер на чересстрочных матрицах (почти все охранки и большая честь аналоговых и цифровых видеокамер)  функционируют в режиме накопления поля (см. статью), а не в режиме накопления кадра, как я считал. Более того, часть тайминг-генераторов просто не поддерживают других режимов (CXD2463r к примеру), а  те, что поддерживают – не используют.
Вкратце смысл этого режима (накопления поля) означает, что матрица всегда работает в режиме бининга 1х2, а первая строка результирующего изображения состоит из суммы сигналов с 1ой и 2ой строк матрицы, вторая – из суммы 2ой и 3ей строки (из второго поля), третья – из 3ей и 4ой и т.д.
Если будет интересно, можно будет раскрыть вопрос режимов поподробнее.

Из этого вывода получается масса интересных следствий:
1)   По сравнению с аналогичной прогрессивной матрицей, чересстрочная:
a.   Имеет вдвое большую чувствительность;
b.   Имеет в 1,4 раза меньше шумов;
c.   Примерно в  1,5 раза меньшее разрешение по вертикали.
2)   Разрешение чересстрочной матрицы с квадратным пикселем в 1,5 раза меньше по вертикали, чем по горизонтали (например, в сетапе, где разрешение ограничивается матрицей, вид Юпитера будет отличаться в зависимости от того вдоль какой стороны кадра сориентированы полосы).
3)   Соответственно все сравнения чувствительности и разрешения камер, расчеты согласования элементов сетапа  и т.д. с участием чересстрочных камер не совсем корректны.

Также появляется масса информации к размышлению относительно способов обработки чересстрочных роликов и переделки охранок.
Собственно из-за этого я и решил донести инфу  до общественности, ибо для одного объем изысканий стал слишком большим (кстати,  я разобрался только с ч/б чересстрочными матрицами, и то не до конца,  а есть еще цветные, да и подозреваю, что прогрессивные матрицы тоже могут в разных режимах работать).

Какие будут мнения? Это вообще, кому надо/интересно?

ЗЫ Интересно, а КХУ6 в каком режиме работает?

[Александр Л.]

   Миш, после вчерашнего разговора я проверил по циклограммам твои выводы, и похоже, что ты не ошибся, причем при помощи очень легкой манипуляции цифровыми микросхемами режим бининга можно исключить и я считаю, что это нужно сделать и посмотреть глазами, что получится, по крайней мере это легко сделать в камерах имеющих внешний драйвер типа cxd1250 или аналогичный. К сожалению времени нет совсем, но на это дело постараюсь найти.
   Не зря ты возился с циклограммами, результат твоей работы может получиться очень интересным !!!!!!!!!!

[Александр Л.]

   Включил режим накопления кадра на камере построенной на cxd1265, посредством D3 (13) - CXD1265. Разрешение выросло, но как бы на уровне ощущений. Если бы я подряд проверял камеры такого типа, наверное бы не заметил. Чтобы что то померить и оценить надо оцифровывать. Нечем, моя плата видеозахвата устарела и не работает на новых PCI. Времени нет купить, но попробую. Да, затвор как ты и говорил отрубился. Т.Е. таким методом переделывать нельзя, только экспериментировать.


 

[Mihail Sedyh]

   Включил режим накопления кадра на камере построенной на cxd1265, посредством D3 (13) - CXD1265. Разрешение выросло, но как бы на уровне ощущений. Если бы я подряд проверял камеры такого типа, наверное бы не заметил. Чтобы что то померить и оценить надо оцифровывать. Нечем, моя плата видеозахвата устарела и не работает на новых PCI. Времени нет купить, но попробую. Да, затвор как ты и говорил отрубился. Т.Е. таким методом переделывать нельзя, только экспериментировать.

Для нормальной оценки разрешения конечно желательно цифровать. Сравнить тогда можно будет по полям, где разница в разрешении должна составить 2 раза.
Конечно еще желательно автоусиление отрубить для чистоты экспериментов. Да и от объектива много зависит.
Что касается переделки, в документации в явном виде указано, что в кадровом режиме отрубаются длительные выдержки, но ничего не сказано про короткие, надо бы проверить.
Но даже если никакие выдержки не работают, то стоит воспринимать это как дополнительный фиксированный режим съемки, который очень легко получить штатными средствами при минимальных переделках.

[Александр Л.]

  Выдержки не работают никакие, желательно понять почему выключают затвор, ведь это не случайно, т.е. существует вероятность, что при другом методе запрета двух переносов из четной и нечетной строки одновременно и включенном затворе ПЗС работать не будет. Объектив был один - перекручивал с переделанной камеры на не переделанную. Разница в разрешении заметна. АРУ отключить не могу объектив без автодиафрагмы, а зачем собственно?  Оцифровать попробую, но бластер сегодня и в выходные купить не смогу. Можно собрать старый комп, но больно много работы.

[Mihail Sedyh]

  Выдержки не работают никакие, желательно понять почему выключают затвор, ведь это не случайно, т.е. существует вероятность, что при другом методе запрета двух переносов из четной и нечетной строки одновременно и включенном затворе ПЗС работать не будет.

Да вроде нет там никаких причин не работать с затвором, если сигналы начала считывания отрубить. Если, ты уверен, что сигнал сброса зарядов не идет вообще, то вероятно применен второй режим кадрового считывания, там где экспозиция каждого поля не 1/50, а 1/25 (т.е. в процессе считывания одного поля, другое продолжает копиться). Тогда наверное ячейки можно не очищать и они обнуляются самим считыванием.

АРУ отключить не могу объектив без автодиафрагмы, а зачем собственно? 

Ну, по изменению яркости картинки можно было бы определить какой именно режим используется. Да и повышение шумов при дополнительном усилении может повлиять на разрешение.

[Александр Л.]

   При тех освещениях, при которых АРУ позволяет работать без перенасыщения картинки, поскольку затвор и автодиафрагма не работают, никаких признаков шумов нет в обоих режимах, остальное можно посмотреть осцилографом. Падения чувствительности не заметно, чтобы заметить надо подбирать освещение.

[Mihail Sedyh]

Тогда наверное ячейки можно не очищать и они обнуляются самим считыванием.

Блин, я вначале даже сам не заценил, чего сказал!
Если действительно сигнал Vsub не нужен для нормального функционирования матрицы (т.е. ячейки достаточно хорошо вычищаются самим процессом считывания и остаточными зарядами можно пренебречь), тогда в описанном тобой режиме кадрового накопления, достаточно в разрыв одной единственной дорожки (та нога у 1265, которая отключает  импульсы начала считывания) поставить один единственный коммутатор (в первом приближении кнопку/тумблер), чтобы получить полноценную выдержку ОТ РУКИ на полном разрешении матрицы!!!
Почти также легко переделать любые камеры с внешним V-драйвером. Если же V-драйвер интегрирован в тайминг-генератор (CXD2463r, например), то все не так просто, но лечится без больших издержек!
Причем все получится существенно проще и качественнее, чем у Грува.

[Ivan7enych]

ЗЫ Интересно, а КХУ6 в каком режиме работает?

Могу лишь сказать, что каждый горячий пискель матрицы виден на снимке именно как пиксель. На строке выше (ниже) его следов я уже не вижу.

[Mihail Sedyh]

Могу лишь сказать, что каждый горячий пискель матрицы виден на снимке именно как пиксель. На строке выше (ниже) его следов я уже не вижу.

Ну значит в режиме считывания кадра работает....

[Денис Никитин]

А вывод (тот самый, неожиданный) заключается в том, что 99% камер на чересстрочных матрицах (почти все охранки и большая честь аналоговых и цифровых видеокамер)  функционируют в режиме накопления поля (см. статью), а не в режиме накопления кадра, как я считал. Более того, часть тайминг-генераторов просто не поддерживают других режимов (CXD2463r к примеру), а  те, что поддерживают – не используют.
Вкратце смысл этого режима (накопления поля) означает, что матрица всегда работает в режиме бининга 1х2, а первая строка результирующего изображения состоит из суммы сигналов с 1ой и 2ой строк матрицы, вторая – из суммы 2ой и 3ей строки (из второго поля), третья – из 3ей и 4ой и т.д.

Ну, да, так и есть. Интрересно, что некоторые древние ТВ матрицы имеют пиксели с размерами по высоте вдовое больше чем по ширине. То есть у них этот режим задействован жестко. Имею такую в качестве трофея.

По повду Vsub. Вроде как ячейки нормально полностью очищаются считыванием. Причем, если я не ошибаюсь, колонки вертикального переноса обнуляются только считыванием, электронный затвор на них не действует, а действует только на овещаемые пиксели.

[Mihail Sedyh]

Действительно импульсы начала считывания микшируются к сигналам сдвигового регистра в V-драйвере. Если он реализован в виде отдельной микросхемы, то эти сигналы можно перехватить на его входе и управлять ими непосредственно. Если V-драйвер встроен в тайминг-генератор (CXD2463r), то остается только отфильтровывать импульсы начало считывания  от фазо-сдвиговых сигналов, благо, что эти импульсы имеют уровень +15В, тогда как конвеер функционирует на уровнях 0В/-10В.

Насчет Грува - мне вообще его схема не нравиться, т.к. он просто останавливает конвеер и вроде даже отрубает питание какой-то микросхемы. В результате, когда он врубает все это обратно, считывание происходит, когда еще не завершились переходные процессы и качество изображения страдет.
Вообще для ПОЛНОГО управления выдержками и режимами считывания достаточно всего 3 сигналов : двух сигналов начала считывания для четных и нечетных строк, соответственно, и импульсов очистки матрицы Vsub (+20В). И то последний нужен только при коротких выдержках, а при длинных его можно просто отключать.
При любых переделках рекомендую не останавливать вертикальные и горизонтальные конвееры.

ЗЫ Решил все же нарисовать режим считывания поля.

[Александр Л.]

  Выдержки не работают никакие, желательно понять почему выключают затвор, ведь это не случайно, т.е. существует вероятность, что при другом методе запрета двух переносов из четной и нечетной строки одновременно и включенном затворе ПЗС работать не будет.

   Залепил лишнюю ножку при монтаже. На самом деле затвор в этом режиме работает, правда выдержка определяется неправильно, т.е. объект несколько пересвечен, но на работоспособность с ручной установкой выдержки это никак влиять не будет.

[Mihail Sedyh]

   Залепил лишнюю ножку при монтаже. На самом деле затвор в этом режиме работает, правда выдержка определяется неправильно, т.е. объект несколько пересвечен, но на работоспособность с ручной установкой выдержки это никак влиять не будет.

Ну и чудненько, только надо будет разобраться с неправильной выдержкой.

[Mihail Sedyh]

Хотелось бы обсудить вот какой вопрос.
На длительных выдержках и даже на штатных (выдержка 1/50, длительность кадра 1\25 для ПАЛ) преимущества режима считывания кадра неоспоримы.
Однако с короткими выдержками все неоднозначно.
Основной смысл их использования - подавить турбулентность атмосферы (точнее, чтоб атмосфера не успела размыть изображение за время экспозиции).
К сожалению в черезстрочных матрицах уменьшить время между считываниями двух полей одного кадра (1\50 сек.) невозможно. Таким образом при выдержке, скажем, 1/1000 сек полный кадр будет чересстрочным миксом двух разных изображений, разнесенных по времени на 1\50 сек. Понятно что в этом случае вся затея с короткими выдержками теряет смысл.
Отсюда следует логичный вывод о том, что с короткими выдержками надо обрабатывать отдельные поля, а не кадры.
Так вот, в случае режима считывания поля, в строках будет бининг 1х2, а в случае режима считывания кадра только четные (или нечетные) строки 1х1, но яркость при этом будет вдвое ниже.
Вопрос: в каком режиме выгоднее реализовать короткие выдержки?
ЗА режим считывания поля: простота реализации (собственно часто он уже реализован), можно уменьшую выдержку в 2 раза, шум меньше в 1,4 раза. ПРОТИВ падение разрешения. насколько именно не очень понятно (например шахматная доска с шагом 1 пиксель будет выглядеть равномерным серым полем).
ЗА режим считывания кадра: честное разрешение в строках (шахматная доска  - вертикальные полосы). ПРОТИВ относительная сложность переделки (впрочем, возможно все равно придется делать для длительных выдержек), ну и меньшая чуствительность и большие шумы (ибо не бининг).     

[Александр Л.]

   Вопрос практически непринципиальный поскольку дополнительный объем работ мал. Более принципиален такой вопрос - режим автоматической установки выдержки оставлять или нет?

[Mihail Sedyh]

   Вопрос практически непринципиальный поскольку дополнительный объем работ мал.

Вопрос скорее в качестве картинки после обработки. Ну и если не реализовывать управление с компа, то количество ручных органов управления начинает превосходить разумные пределы...

Более принципиален такой вопрос - режим автоматической установки выдержки оставлять или нет?

Это вообще не вопрос - все автоматические регулировки должны быть отключены (или отключаемы если надо оставить режим работы как охранной камеры).

ЗЫ Посмотрел описание на 2463 чип. Импульсы считывания действительно не отлючаются, что плохо - надо городить внешнюю коммутацию/сепарацию. Зато штатно отключаются импульсы очистки матрицы и всегда реализован (интегрирован) режим электронного затвора, т.е. короткие выдержки (в камерах с внешним V-драйвером, если электронный затвор в ней уже не реализован, то сделать его если и возможно, то крайне затруднительно).

[Mihail Sedyh]

Может попробывать аналогичный прием в сторону увеличения
частоты кварца. Увеличить частоту раза в 2 наверно не получится,
Но хотя бы увеличить в 1.5).

Мне не нравится такой метод.  Если б еще камера была цифровая..., а так только на единственной плате видеозахвата работать будет.
Впрочем на форуме evs.ru разработчики упоминали, что разгоняли ПЗСки СОНИ и в 2 и в 4 раза (200полей\сек), но там был вроде цифровой выход или тоже специальная плата захвата. Но не думаю, что на старой элементной базе охранок пройдет такой фокус, хотя по ширине канала ЮСБ2.0 или ИЕЕЕ1394 вполне потянут поток ч/б видео с такой скоростью.
Для длительных выдержек тем более особого смысла нет, проще сигналами считывания управлять, разве что для гидирования, когда видеопоток прерывать нельзя.
К слову, в камере, которую сейчас ковыряю, стоит CXD1265. Он позволяет вроде штатно работать при аналоговом управлении в режиме накопления в 2, 4, 6, ... 16 полей - как раз около 0,3сек получается, но надо проверять и походу будет все равно режим "вспышечных кадров".

[Александр Л.]

  Видеозахват на USB нужной модели купить не смог, несмотря на помощь Михаила Седых, видимо предновогодний дефицит. Ниже картинка полученная аналоговой камерой высокого разрешения на icx059 в режиме чтения поля и режиме чтения кадра. Снята мира скачанная  из сети, качество ее мягко говоря не очень. Объектив индустар61, поскольку у него есть ручная диафрагма. Установлена на 5.6. Плата захвата древняя FlyVideoEZ98, драйвер Ивана Ускова (пришлось собрать второй пень). Сравнивайте сами. По ощущениям камера прошедшая модификацию имеет меньшую глубину резкости при фокусировке. Миш, полные кадры без упаковки у тебя на мыле.

[Mihail Sedyh]

Слева заметно лучше. Насколько - сказать трудно.
Ну значит имеет смысл переводить камеру в режим считывания кадра по крайней мере для стандартных и длинных выдержек.

ЗЫ Чего-то меня тут торкнуло, что теоретически четырехфазного конвеера (2 сдвиговых регистра на ячейку) достаточно для считывания черезстрочной матрицы как прогрессивной.... Кто-нить знает, существует ли обвязка (тайминг-генератор в первую очередь) для прогрессивных трехфазных ч/б матриц?