HellasCams - Signal to Noise ratio

Λόγος Σήματος / Θορύβου

« Επιστροφή στους Φακούς
« Επιστροφή στις Δικτυακές Κάμερες
« Επιστροφή στις Αναλογικές Κάμερες
« Επιστροφή στα Mini & Δικτυακά Domes
« Επιστροφή στη Ρομποτική Κάμερα

Εισαγωγή

Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις στις οποίες βλέποντας μια εικόνα σκέφτεσαι: «αυτή η εικόνα είναι πολύ κακή». Το πρόβλημα είναι να αποφασίσουμε γιατί είναι κακή και αν μπορεί να γίνει κάτι γι’ αυτό. Μερικά προβλήματα μπορούν να λυθούν, αλλά εκείνο το οποίο μας απασχολούσε πάντα είναι η κατανόηση μιας εικόνας με «θόρυβο» και πως αυτό μπορεί να καθοριστεί αντικειμενικά.

Μπορούμε να κατανοήσουμε το θόρυβο και τι αποτελέσματα έχει, μπορούμε όμως να αποκτήσουμε κάποια μέτρησή του με απλό εξοπλισμό;

Σημειώσεις πάνω στο λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR Signal to Noise Ratio)

Ο κυριότερος εχθρός της διαύγειας μιας εικόνας είναι ο θόρυβος, αυτός είναι ηλεκτρονικός θόρυβος ο οποίος είναι παρών σε κάποιο βαθμό σε όλα τα σήματα βίντεο. Ο θόρυβος φαίνεται σαν χιόνι ή σαν κόκκοι πάνω σε όλη την έκταση της εικόνας. Υπάρχουν διάφορες πηγές θορύβου όπως, κακή σχεδίαση κυκλωμάτων, θερμότητα, υπερβολική ενίσχυση, εξωτερικές επιδράσεις, αυτόματη απολαβή (AGC: Automatic Gain Control), συστήματα μετάδοσης όπως μικροκύματα, υπέρυθρες κ.λ.π. Ο σημαντικός παράγοντας που καθορίζει την ανοχή στο θορύβου είναι η ποσότητα του θορύβου στο σήμα βίντεο ή λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR). Σημειώνουμε ότι κάθε φορά που επεξεργαζόμαστε ένα σήμα, σε αυτό εισάγεται θόρυβος.

Το SNR είναι εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί χωρίς ειδικό (ιδιαίτερα ακριβό) εξοπλισμό. Για παράδειγμα ο εξοπλισμός θα μπορούσε να ανέρχεται στο ύψος των 36.000 €. Ένας λιγότερο ακριβός τρόπος είναι να εισάγουμε ένα ειδικό φίλτρο για την εξαγωγή του σήματος βίντεο και να μετρήσουμε τον εναπομείναντα θόρυβο, από τον οποίο μπορούμε να υπολογίσουμε το SNR. Ωστόσο ακόμα και αυτό το φίλτρο μπορεί να κοστίζει γύρω στα 1.400 €. Καμία από αυτές τις μεθόδους δεν είναι πρακτική στο πεδίο των πραγματικών εγκαταστάσεων, ακόμα και αν κάποιος μπορεί να αγοράσει τον απαραίτητο εξοπλισμό.

Αυτό αφήνει το πρόβλημα ότι όταν βλέπουμε μια εικόνα σε ένα εγκατεστημένο σύστημα, ο υπολογισμός της ποσότητας του θορύβου είναι πολύ υποκειμενικός. Η εντύπωση ενός ανθρώπου για κάποια εικόνα με θόρυβο δεν είναι απαραίτητα ίδια και σε κάποιον άλλο. Η ποιότητα της εικόνας μπορεί επίσης να επιδεινωθεί από άλλους παράγοντες όπως η απώλεια στη μετάδοση κ.λ.π. Αυτά μπορούν γενικά να ξεπεραστούν με διορθωτές γραμμών βίντεο, με τη χρήση μετάδοσης συνεστραμμένου ζεύγους, με μετασχηματιστές απομόνωσης κ.λ.π. Ωστόσο ο θόρυβος δε μπορεί να μειωθεί με εξοπλισμό διόρθωσης, καθώς εισάγεται στην πηγή ή στα συστήματα μετάδοσης. Μια κοινή πηγή θορύβου είναι η εισαγωγή του αυτόματου gain control (AGC) στις περιπτώσεις που μια κάμερα λειτουργεί σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Γι’ αυτό οι κατασκευαστές δηλώνουν την ελάχιστη ευαισθησία μιας κάμερας με το AGC ανοικτό και το SNR με το AGC κλειστό.

Ο μοναδικός πραγματικός τρόπος μείωσης του θορύβου βρίσκεται στο σωστό σχεδιασμό των συστημάτων και της σωστής επιλογής του εξοπλισμού και των συστημάτων μετάδοσης. Εφόσον εμφανιστεί ο θόρυβος δε μπορεί να φύγει και μπορεί μόνο να χειροτερεύσει.

Μέτρηση του Λόγου Σήματος / Θορύβου

Υπάρχει ωστόσο μια μέθοδος να καθορίσουμε το SNR που αποτελεί καλή προσέγγιση. Το μόνο που χρειάζεται είναι ένας παλμογράφος με εύρος ζώνης 10 MHz και πολύ ευαίσθητη περιοχή millivolt. Συνδέουμε το σήμα βίντεο στον παλμογράφο μέσω μιας αντίστασης 75Ω και βλέπουμε το επίπεδο black level (το επίπεδο του DC σήματος ενός συγκεκριμένου μέρους του βίντεο που αντιστοιχεί στις μαύρες περιοχές σε μια σκηνή. Το black level χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς για σύγκριση με άλλους τόνους σε μια εικόνα ή με άλλα σήματα βίντεο) του σήματος. Το επίπεδο αυτό πρέπει να είναι στα 0.3 Volt που είναι η κορυφή του παλμού sync. Κανονικά αυτό θα εμφανιζόταν ως μια λεπτή οριζόντια γραμμή αλλά με την παρουσία του θορύβου η γραμμή αυτή θα είναι πιο χοντρή. Αυξάνουμε την ευαισθησία του παλμογράφου μέχρι το πάχος της γραμμής να μπορεί να διαβαστεί στα 0.1 Mv. Επίσης η κορυφή του σήματος βίντεο πάνω από το black level καλείται white level. Το σήμα βίντεο μετράται πάνω από το black level, έτσι αν το black level είναι στα 0.3 V και το σήμα βίντεο white level στα 1.0 V τότε το σήμα βίντεο είναι 1.0 – 0.3 = 0.7 V. Το SNR υπολογίζεται από την peak to peak τιμή του σήματος βίντεο.

Το SNR υπολογίζεται ως εξής :
που για 1 Volt p/p το σήμα βίντεο γίνεται dB

Όπου R είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο και το σήμα και ο θόρυβος έχουν μετρηθεί σε millivolt. Το σήμα προς θόρυβο είναι στην πραγματικότητα μετρημένα στην RMS τιμή. Έτσι χωρίς να μπούμε περισσότερο στη θεωρία προσθέστε 3 dB στην υπολογισμένη τιμή. Για να υπολογίσουμε το επίπεδο του θορύβου σε millivolt από τα παραπάνω χρησιμοποιούμε τον εξής τύπο:

Αυτό δίνει τη μη σταθμική τιμή για το SNR. Όταν ένα φίλτρο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του SNR δίνει τη σταθμική τιμή που είναι περίπου 8 dB μεγαλύτερη από τη μη σταθμική. Πολλοί κατασκευαστές δεν καθορίζουν αν η τιμή που δίνεται είναι σταθμική ή μη. Θεωρείται ασφαλές επομένως να υποθέσουμε ότι θα δίνεται η τιμή που θα ενισχύει τις προδιαγραφές στη μέγιστη τιμή η οποία σε αυτήν την περίπτωση είναι η σταθμική τιμή. Αν συγκρίνουμε διαφορετικές προδιαγραφές θα ήταν λογικό να αφαιρέσουμε 8 dB από τη σταθμική τιμή για να φτάσουμε στην αντίστοιχη μη σταθμική.

Σε πολλές περιπτώσεις η πραγματική σκηνή δεν θα περιέχει πολύ μαύρο, κάτι που καθιστά δύσκολο τον καθορισμό του black level. Σε αυτές τις περιπτώσεις προσπαθούμε να εστιάσουμε σε μια περιοχή με κάθετη αντίθεση ανάμεσα σε φωτεινές και πολύ σκοτεινές περιοχές. Ο καλύτερος τρόπος είναι να βρούμε έναν στόχο που αποτελείται από μια κάθετη γραμμή από τη μια μεριά της οποίας η επιφάνεια είναι μαύρη και από την άλλη λευκή.

Στις πιο κοινές κάμερες το SNR θα είναι της τάξης των 55 dB με λόγο 562 : 1. Αυτό σημαίνει ότι η ισχύς του σήματος είναι 562 φορές μεγαλύτερη από αυτή του σήματος του θορύβου. Σε αυτήν την αναλογία ο θόρυβος δε θα είναι ορατός. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται κάποιες αναλογίες σήματος προς θόρυβο ως αποτέλεσμα στην ποιότητα μιας εικόνας. Ένα SNR της τάξης των 46 dB γενικά θεωρείται το κατώφλι στο οποίο αρχίζει να γίνεται αντιληπτός ο θόρυβος.

S/N ratio dB	S/N ratio:1	Ποιότητα εικόνας
60 dB	1,000	Εξαιρετική, καμία παρουσία θορύβου
50 dB	316	Καλή, μικρή ποσότητα θορύβου αλλά η ποιότητα τής εικόνας είναι καλή
40dB	100	Αποδεκτή, μικροί κόκκοι ή χιόνι στην εικόνα, μερικές μικρές λεπτομέρειες θα χαθούν
30 dB	32	Κακή εικόνα με πολύ θόρυβο
20 dB	10	Άχρηστη εικόνα

Σημειώνουμε ότι αν το σήμα βίντεο είναι λιγότερο από 1 volt p/p και ο θόρυβος είναι συνεχής, τότε το SNR θα είναι μικρότερο. Μερικοί κατασκευαστές καθορίζουν την ευαισθησία της κάμερας χρησιμοποιώντας ασαφής όρους όπως «χρησιμοποιήσιμο βίντεο», «50 IRE μονάδες», «50% σήμα βίντεο» κ.λ.π. Χρησιμοποιώντας τη κάμερα σε αυτό το επίπεδο ευαισθησίας θα έχει δυσμενές αποτέλεσμα στο SNR.
Για να γλιτώσουμε κάποιους υπολογισμούς μερικές τυπικές τιμές φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.

	Για 1	Volt p/p	Για 0.5	Volt p/p
Θόρυβος σε millivolts	Λόγος Σήματος / Θορύβου :1	Λόγος S/N dB	Λόγος Σήματος / Θορύβου :1	Λόγος S/N dB
100.0	7.0	19.9	3.5	13.9
90.0	7.8	20.8	3.9	14.8
80.0	8.8	21.9	4.4	15.8
70.0	10.0	23.0	5.0	17.0
60.0	11.7	24.4	5.8	18.3
55.0	12.7	25.1	6.4	19.1
50.0	14.0	25.9	7.0	19.9
45.0	15.6	26.8	7.8	20.8
40.0	17.5	27.9	8.8	21.9
35.0	20.0	29.0	10.0	23.0
30.0	23.3	30.4	11.7	24.4
25.0	28.0	32.0	14.0	25.9
24.0	29.2	32.3	14.6	26.3
23.0	30.4	32.7	15.2	26.7
22.0	31.8	33.1	15.9	27.0
21.0	33.3	33.5	16.7	27.4
20.0	35.0	33.9	17.5	27.9
19.0	36.8	34.3	18.4	28.3
18.0	38.9	34.8	19.4	28.8
17.0	41.2	35.3	20.6	29.3
16.0	43.8	35.8	21.9	29.8
15.0	46.7	36.4	23.3	30.4
14.0	50.0	37.0	25.0	31.0
13.0	53.8	37.6	26.9	31.6
12.0	58.3	38.3	29.2	32.3
11.0	63.6	39.1	31.8	33.1
10.0	70.0	39.9	35.0	33.9
9.0	77.8	40.8	38.9	34.8
8.0	87.5	41.9	43.8	35.8
7.0	100.0	43.0	50.0	37.0
6.0	116.7	44.4	58.3	38.3
5.0	140.0	45.9	70.0	39.9
4.0	175.0	47.9	87.5	41.9
3.0	233.3	50.4	116.7	44.4
2.0	350.0	53.9	175.0	47.9
1.0	700.0	59.9	350.0	53.9