2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ТСВ

2.1. Телевизионные камеры и устройства для их оснащения

2.1.1. Телевизионные камеры

Телевизионная камера - это устройство, которое преобразует оптическое изображение; наблюдаемого объекта в электрический видеосигнал. Телевизионная камера является важнейшим элементом системы, так как именно с нее в систему поступает первичная информация об объекте и именно ее характеристиками определяется качество изображения в целом. Камера представляет собой электронную плату, на которой размещены чувствительный элемент - матрица, выполненная на приборах с зарядовой связью (ПЗС - матрица), и объектив. Дешевые камеры оснащаются, как правило, простейшими встроенными объективами, более дорогие - сменными объективами с улучшенными характеристиками и функциями. Различают камеры:

корпусные и бескорпусные; черно-белого и цветного изображения;

обычной и повышенной чувствительности;

обычного и высокого разрешения;

для внутреннего и наружного наблюдения;

для скрытого наблюдения;

Качество телевизионной камеры определяется целым рядом показателей, однако в большинстве случаев при выборе камеры для конкретной системы достаточно ориентироваться на следующие ее характеристики.

Оптический формат - размер фоточувствительной области ПЗС матрицы в дюймах. Основными форматами являются:. 1/3", 1/2", 2/3" и 1". Чем больше оптический формат*, тем меньше (при прочих равных условиях) геометрические искажения изображения. В особенности это сказывается при больших углах зрения. В ТСВ среднего и высокого классов обычно используются камеры формата 1/2", 2/3" и I". Камеры с оптическим форматом 1/3" имеют небольшие габариты и стоимость и используются, в основном, для ведения скрытого наблюдения, а также в системах с невысокими требованиями к качеству изображения. В последнее время на рынке появились миниатюрные камеры с ПЗС-матрицей формата 1/4".

* - следует отметить, что камеры меньшего формата, как правило, более позднего выпуска, т.е. по всем параметрам превосходят старые большие камеры.

Разрешающая способность (разрешение) - максимальное количество телевизионных линий (ТВЛ), различаемых в выходном сигнале камеры при минимально допустимой глубине модуляции 10%. Разрешение по горизонтали определяет максимальное количество градаций от черного к белому или обратно, которые могут быть получены от камеры в центральной области экрана. На краях экрана допускается некоторое ухудшение качества изображения. Чем выше разрешение камеры, тем более мелкие детали можно различить на изображении. Обычным разрешением считается 380 - 420 линий для черно-белых и 300 - 320 линий для цветных камер. В системах высокого класса используются, как правило, камеры с повышенным разрешением (500 - 600 линий для черно-белых и 375 - 450 линий для цветных камер).

Пороговая чувствительность (чувствительность) - минимальная освещенность на ПЗС-матрице, при которой камера сохраняет работоспособность. Обычной чувствительностью считается 0.1 - 0.5 лк для черно-белых и 1 - 3 лк для цветных камер.

В системах, предназначенных для наблюдения слабо освещенных объектов, имеющих малую отражательную способность, используются камеры высокой чувствительности (порядка 0,01 лк).

ПЗС-матрицы обладают очень важным свойством - они позволяют получать четкое изображение (особенно "теплых" объектов, например, человека) в условиях полной темноты при подсветке инфракрасными лучами. С этой целью некоторые камеры оснащаются встроенной ИК-подсветкой.

Синхронизация - привязка видеосигнала к фазе сетевого напряжения или внешнего источника синхроимпульсов или другого видеосигнала. Как правило, в реальных ТСВ видеосигналы нескольких камер с помощью специальных устройств по заданной программе коммутируются на один монитор, поэтому необходимо, чтобы переключение камер происходило в начале кадра. Камеры, питающиеся от сета переменного тока (220В/50 Гц или 24В/50 Гц), синхронизируются от питающей сети. Камеры, питающиеся от источника постоянного тока (12В) должны иметь вход внешней синхронизации, сигнал на который подается от специального устройства - синхронизатора. Отсутствие внешней синхронизации телевизионных камер от единого источника синхросигнала в значительной степени повышает утомляемость оператора ТСВ, а при использовании в системе более 8 камер приводит к постоянным срывам изображения, потерям многих кадров, что делает наблюдение и видеозапись практически невозможными.

Электронный затвор - элемент конструкции ПЗС-матрицы, обеспечивающий возможность изменения времени накопления электрического заряда (выдержки). Электронный затвор позволяет получить приемлемое качество изображения быстродвижущихся объектов и обеспечивает работоспособность камеры в условиях высокой освещенности. Обычные электронные затворы обеспечивают регулировку выдержки в диапазоне от 1/50 до 1/10000 - 1/15000. "Суперзатворы" позволяют получить выдержки порядка l/100000.

Электронная диафрагма (автоматический электронный затвор, электронный ирис) - элемент конструкции ПЗС-матрицы, обеспечивающий автоматическую регулировку выдержки, в зависимости от уровня освещенности. Принцип действия электронной диафрагмы аналогичен принципу действия электронного затвора. Как правило, в камерах с электронной диафрагмой имеется возможность ее отключения.

Автоирис - способность камеры управлять объективами с электрически регулируемой диафрагмой и встроенным усилителем (при управлении объективом без встроенного усилителя используется термин "прямое управление"). Наличие автоириса является существенным достоинством камеры, так как регулировка глубины резкости без изменения диафрагмы принципиально невозможна. Это означает, что при электронном управлении затвором в ПЗС-матрице (без управления диафрагмой объектива) изображение объекта, находящегося на расстоянии, отличном от фокусного, будет недостаточно резким. Кроме этого отсутствие регулировки диафрагмы приводит к резкому уменьшению диапазона управления световым потоком. Не следует использовать автоирис совместно с электронной диафрагмой, особенно если камера не синхронизирована частотой сети переменного тока, так как в этом случае возможно появление эффекта "плавания" яркости или баланса белого на экране видеомонитора, что в значительной степени затрудняет работу оператора. Для подключения объектива с электрически управляемой диафрагмой в камере должны быть предусмотрены разъемы AI (автоирис) и/или DD/DC (прямое управление) и потенциометр регулировки уровня сигнала прямого управления.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) - свойство камеры изменять коэффициент усиления видеотракта в зависимости от уровня видеосигнала. АРУ сглаживает изменения уровня сигнала и позволяет получить приемлемую картинку на мониторе при: недостаточной освещенности объекта. Весь диапазон регулировки усиления ограничивается 12-20 дБ (4-10 pаз), так как большее увеличение усиления приводит к значительному заглушению видеосигнала и, как следствие, ухудшению изображении.

Отношение "сигнал/шум" учитывают, когда требуется высокое качество телевизионного сигнала - чем оно выше, тем выше качество изображения. Обычным считается отношение "сигнал/шум" 40 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ, что позволяет доводить АРУ до 45 дБ и выше.

Гамма- коррекция видеосигнала (y - коррекция) - нелинейное искажение видеосигнала для лучшего воспроизведения. Гамма - коррекция заключается в предискажении видеосигнала с целью увеличения контрастности изображения на мониторе. Камеры с гамма-коррекцией сигнала имеют либо постоянный коэффициент y - 0,45 (иногда 0,25), либо изменяемый вручную (например, y=0,25/0,45/1).

Компенсация "света сзади" (компенсация засветки) - способность камеры автоматически устанавливать выдержку и параметры усиления по выбранному фрагменту изображения. В достаточно дорогих камерах применяется система "Back Light Compensation", обеспечивающая автоматическое управление диафрагмой, выдержкой, усилением и т.д. и ориентирующаяся на центральную часть экрана.

Канал звука - обеспечивает акустический контроль охраняемого (контролируемого) помещения с помощью встроенного в камеру микрофона. Для организации двунаправленного аудиоканала в камеру кроме микрофона встраивается динамик.

Конструкция узла присоединения объектива - если камера не имеет встроенного объектива, в ее конструкции предусмотрен узел присоединения для установки сменных объективов. При выборе объектива для камеры следует учитывать, что применяются два типа стандартных конструкций узлов присоединения:

тип "С" ("C-mount") - резьба 2,54?0,8 и расстояние до опорной плоскости ПЗС-матрицы 17,5 мм;

тип "CS" ("СS-mount") - резьба 2,54?0,8 и расстояние до опорной плоскости матрицы 12,5 мм. Этот тип крепления находит большее распространение в связи с тенденцией .камер к миниатюризации. Миниатюрные камеры для скрытого наблюдения имеют специальную насадку с оптоволоконным кабелем, на конце которого крепится специальный объектив "pin-hole" с диаметром зрачка от 0,9 до 2 мм.

Напряжение питания. Большинство телекамер питаются либо от сети переменного тока 220В/50 Гц, либо от источников постоянного тока напряжением 12 В. Реже используется переменное напряжение 24 В и постоянное напряжение 9 В. Для питания нескольких камер в системе могут использоваться индивидуальные для каждой камеры источники, либо общий источник. В последнем случае, необходимо учитывать общее потребление камер. Необходимо иметь в виду, что цветные камеры очень чувствительны к перепадам напряжения в сети. Поэтому для их питания следует использовать специальные стабилизированные источники.

Для установки камеры в кожухе, на кронштейне и т.п. в ее конструкции должен быть предусмотрен узел крепления к несущим деталям.

Для камер цветного изображения, важны такие характеристики, как автоматический баланс белого т.е. способность камеры обеспечивать правильную цветопередачу при изменении условий освещения наблюдаемых объектов и стандарт кодирования цветового сигнала.

В ТСВ, в основном, применяются камеры черно-белого изображения. Это объясняется тем, что они значительно дешевле цветных и работают с более дешевым оборудованием, имеют более высокие разрешение и чувствительность, не предъявляют жестких требований к источнику питания. Цветные камеры устанавливаются, главным образом, там, где требуется знать цвет объекта (например, автомобиля), т.е. на автостоянках, автозаправочных станциях и т.п.

В зависимости от требований, предъявляемых к системе, камеры могут оснащаться различными устройствами: объективами, защитными или декоративными кожухами, термостатами, кронштейнами, поворотными устройствами и т.п.

2.1.2. Объективы

Объектив - это устройство, формирующее изображение объекта в плоскости ПЗС-матрицы. Очевидно, что без объектива телевизионная камера работать не может. Объектив, как отмечалось выше, может быть встроенным в камеру или сменным. Для камер с присоединительным узлом "С" подходят только объективы типа "С". Если камера имеет узел "CS", то к ней подходят объективы "CS" и "С" со специальным переходным кольцом. Подбирая объективы к камере, надо иметь в виду, что обычно они рассчитываются па ПЗС-матрицу определенного формата.

Правильный выбор объектива можно осуществить, руководствуясь следующими характеристиками.

Фокусное расстояние f (мм) - характеризует величину угла зрения при определенном оптическом формате камеры. Чем меньше фокусное расстояние, тем больший угол зрения наблюдаемого пространства можно получить и наоборот. Однако при очень больших углах зрения (порядка 90 - 120° и более) довольно сложно, а порой и невозможно рассмотреть детали картины. Наиболее приемлемым для оператора является угол зрения 60 - 70°, так как получаемое при этом изображение хорошо согласуется с характеристиками человеческого зрения. Объективы с большим фокусным расстоянием используются, когда требуется получить четкое изображение мелких деталей.

Трансфокатор - устройство, позволяющее изменять фокусное расстояние в широких пределах (ZOOM - функция). Объективы, снабженные трансфокаторами, называются вариообъективами. Фокусное расстояние может изменяться вручную либо путем сервоуправления. Вариообъективы, ввиду их большой стоимости применяются только в тех случаях, когда необходимо быстро увеличить изображение мелкой детали (например, идентификации личности).

Относительное отверстие F - определяет освещенность на ПЗС-матрице. В технической документации на телекамеру иногда указывается ее чувствительность при относительном отверстии объектива, с которым она используется (по умолчанию F=1,4).

Возможность регулирования диафрагмы. Различают объективы с ручным управлением диафрагмой и с автодиафрагмой. Объективы с автодиафрагмой позволяют получить качественное изображение как при ярком солнце, так и при низкой освещенности и применяются в тех случаях, когда освещенность объекта в течение периода наблюдения может меняться в широких пределах либо не исключены полностью прямые засветки камеры. В системах обычного класса удовлетворительный результат можно получить, применяя объективы с постоянной диафрагмой и камеры с электронным затвором, что значительно дешевле.

2.1.3. Кожухи для внутренних и внешних применений

По конструктивному признаку телевизионные камеры можно подразделить на корпусные и бескорпусные. Бескорпусные, камеры имеют значительно меньшие габариты и стоимость по сравнению с камерами в корпусе и предназначены для систем скрытого наблюдения. Камеры для открытого внутреннего наблюдения размещаются в защитных корпусах (кожухах), которые имеют разную форму (сфера, полусфера и т.д.), габариты, конструкцию крепления (потолочная, настенная, угловая) и позволяют выбрать оформление, наиболее подходящее к конкретному интерьеру. Камеры для использования на открытом воздухе помещаются в защитные кожухи, оборудованные подогревом - гермокожухи.

Гермокожухи предназначены для работы в широком диапазоне климатических условий и позволяют использовать различные комбинации телевизионных камер и объективов. Кожух снабжен солнцезащитным козырьком (либо фильтром), платой для установки камеры, термостатом и коммутационной панелью. Некоторые гермокожухи имеют дополнительное оборудование - вентиляторы, дворники, омыватели стекла. Следует отметить, что импортные нагреватели не всегда отвечают нашим климатическим условиям и не рассчитаны на сильные морозы.

2.1.4. Поворотные устройства

Поворотные устройства предназначены для телекамер с дистанционным управлением. Они обеспечивают поворот в горизонтальной (до ±365°) и в вертикальной (до ±183°) плоскостях либо только в горизонтальной. Различают поворотные устройства с постоянной и с регулируемой угловой скоростью перемещения. Сигналы управления камерами преобразуются в заданные механические перемещения с помощью приемников телеметрических сигналов управления.

Как правило, вместе с поворотными устройствами поставляются пульты управления, с которых можно манипулировать также трансфокаторами объективов, если требуется получить укрупненное изображение.

2.1.5. Устройства инфракрасной подсветки

Для обеспечения работоспособности камеры в полной темноте используются устройства местной ИК-подсветкой и ИК-прожекторы, осуществляющие облучение наблюдаемого объекта инфракрасными лучами. Однако эти устройства дают небольшой угол подсветки, что не позволяет качественно контролировать всю зону. Кроме этого, ИК-прожекторы достаточно дороги.

2.1.6. Кронштейны

Кронштейны служат для крепления камер к стенам, панелям и другим несущим конструкциям и позволяют точно ориентировать поле зрения камеры в нужном направлении. Различают кронштейны для горизонтальной поверхности, для вертикальной поверхности, телескопические и т.п. Исполнение кронштейнов определяется, главным образом, эстетическими требованиями и нагрузкой: на кронштейнах для внутреннего применения крепятся камеры весом в несколько сот граммов, на кронштейнах для уличного применения - в несколько килограммов.

Далее >>>