2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОТ

2.1. Телевизионные камеры СОТ и устройства для их оснащения

2.1.1. Телевизионные камеры.

Телевизионная камера (далее камера)- это устройство, преобразующее оптическое изображение охраняемой зоны в электрический видеосигнал.

Камера является важнейшим элементом системы, так как именно она создает видеосигнал, который в дальнейшем используется видеосистемой для анализа, детекции и хранения видеоинформации. От выбора камеры зависит, что и как будет видеть на экране видеомонитора оператор в постоянно меняющихся условиях наблюдения. Если необходимо не только следить за общей обстановкой в охраняемой зоне, но и идентифицировать людей, определять номер автомобиля и т.д., проектировщик должен выбрать камеру с действительно необходимыми функциями и техническими характеристиками. Причем главным условием, при выборе камеры (да и всего остального оборудования СОТ) должно выдвигаться требование обеспечения необходимой безопасности объекта.

Современная камера представляет собой сложную электронную систему состоящую из фоточувствительного элемента - матрицы, выполненной на приборах с зарядовой связью (ПЗС - матрица, в английской транскрипции - CCD) или на базе КМОП - структуры (КМОП - комплиментарный металло-оксидный полупроводник, в английской транскрипции CMOS) и программно-аппаратных средств обработки сигнала в формат предназначенный для вывода на устройства отображения.

Камеры делятся на (см. Рис.1, Рис. 2):

- аналоговые и цифровые;

- корпусные и бескорпусные;

- для внутреннего и уличного применения;
- стационарные;

- поворотные;

- купольные;

- для применения в особых условиях;

- черно-белого и цветного изображения;

- повышенной чувствительности;

- высокого разрешения;

- для скрытого наблюдения.



Рис. 1 Камеры различного конструктивного исполнения




Рис. 2 - Камеры в вандалостойком исполнении

Разница между аналоговой и цифровой камерой в потребительском смысле заключается в том, что на выходе аналоговой камеры присутствует стандартный видеосигнал, а цифровая камера производит оцифровку аналогового видеосигнала с матрицы и передачу его по линии связи в виде цифрового кода. Как правило, при этом внутри цифровой камеры производится компрессии видеосигнала, путем устранения «избыточности» видеоинформации. Если стандартный видеосигнал от аналоговой камеры подать на монитор, то на экране мы увидим изображение. Выходной сигнал от цифровой камеры, прежде чем попасть на экран монитора должен пройти специальную обработку программным обеспечением компьютера (сервера).

В отдельных случаях цифровые камеры не производят компрессию видеосигнала, ограничиваясь при этом одной оцифровкой сигнала. В этом случае объем передаваемой цифровой информации резко возрастает. Данное техническое решение применяется в специальных приложениях теленаблюдения, где первостепенной задачей ставится получения высококачественного изображения. Дело в том, что практически любой вид компрессии приводит к снижению качества первоначального изображения. При этом допустимый уровень потерь качества изображения определяет степень компрессии.

Телевизионная камера характеризуется целым набором параметров, однако в большинстве случаев при выборе камеры достаточно иметь информацию о следующих ее характеристиках.

1. Формат матрицы - размер фоточувствительной области матрицы выражается в дюймах. Основными форматами являются: 1/4", 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 СОТ высокого качества изображения обычно используются камеры формата 1/2", 2/3" и 1". В настоящее время чаще всего используются камеры с матрицей 1/3". В последнее время на рынке появились миниатюрные камеры с матрицей формата 1/4". Как правило, при уменьшении формата матрицы шумовые характеристики камеры ухудшаются.

2. Разрешающая способность (разрешение в центральной области изображения или объектива) - максимальное количество телевизионных линий (ТВЛ), различаемых в выходном сигнале камеры при глубине модуляции (10 ± 3) %, (определение глубины модуляции см. Приложение А).

На краях объектива телекамеры 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).

Различают разрешающую способность по вертикали и по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали - максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование. Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре и определяется видом телевизионного стандарта (PAL или NTSC).

Разрешающая способность по горизонтали - это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей, так как разрешающая способность по вертикали у стандартных камер одинакова. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.

Разрешающая способность по горизонтали - зависит от глубины модуляции сигнала. При модуляции 100% разрешающая способность называется аппаратная резкость, при модуляции 50% - реальная разрешающая способность, а при модуляции 10% - предельная разрешающая способность. 
Говоря о разрешении СОТ нужно не забывать и о сквозном разрешении всей цепочки используемого оборудования (видеотракта). Так, например, если мы имеем разрешение ТВ-камеры в 560 ТВЛ, а разрешение платы видеозахвата не превышает 380 ТВЛ, общее разрешение СОТ не может быть выше 380 ТВЛ.

Разрешающая способность СОТ не может быть больше разрешающей способности матрицы телекамеры, которая обычно выражается числом элементов матрицы (пикселей) по горизонту и по вертикали или в ТВЛ.

Примечание - с появлением дискретных структур (ПЗС), элементы изображения стали называться пикселами.

Пиксел (в разговорной речи пиксель, англ. Pixel - сокращение от picture element или picture cell - элемент изображения) Пиксел представляет собой неделимый объект прямоугольной, обычно квадратной, или круглой формы.

Для определения реального числа ТВЛ в СОТ используют проверочные таблицы (миры) (см. Приложение Б).

Проверка разрешающей способности по горизонтали с помощью тестовых таблиц осуществляется визуально с помощью анализа изображения на экране монитора и наиболее проста, однако этот метод зависит от субъективной различимости человеком ТВЛ. Поэтому, при наличии осциллографа с возможностью выбора строки видеосигнала и возможностью синхронизации по ним (например, осциллограф «Tektronix TDS 2024»), необходимо произвести измерения переходных характеристик с черного изображения на белое и наоборот, используя методику, приведенную в Приложении Г.

В эфирном телевидении наличие разрешающих способностей - как по горизонтали, так и по вертикали - создавали определенные неудобства в описании характеристик оборудования. Поэтому возникла необходимость выработать единый параметр для оценки разрешающей способности. Эта задача была решена путем пересчета разрешающей способности по горизонтали к разрешающей способности по вертикали, используя соотношение сторон экрана 4:3. В результате чего и появился коэффициент 0,75 (3:4=0,75), а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «ТВЛ».

Пересчет дискретной структуры матрицы (пиксели) в ТВЛ происходит через поправочный коэффициент 0,75. Таким образом, если матрица камеры имеет размерность 500 пикселей по горизонту, то разрешение будет по горизонту 500х0,75=375 ТВЛ.

Но количество пикселов и связанное с этим разрешение это только сравнение видеокамер или любого оборудования по «внешним» признакам, т.е. по количеству дискретных элементов в структуре матрицы.

3. Чувствительность.

Различают: пороговую чувствительность и чувствительность, необходимую для нормальной работы СОТ.

Пороговая чувствительность - минимальная освещенность на матрице, при которой соотношение сигнал/шум в отдельных изделиях СОТ или в СОТ в целом равно 8. 

Чувствительность, необходимая для нормальной работы СОТ - освещенность на матрице, при которой СОТ реализует свои паспортные значения (прежде всего по разрешению).

Если не оговорено специально, то под чувствительностью необходимо понимать уровень освещенности необходимый для нормальной работы СОТ.

Чувствительность традиционно выражается в люксах (лк) (см. Приложение А).

Выражение чувствительности в люксах не совсем корректно. Поэтому необходимо привязывать понятие чувствительности к соотношению сигнал/шум и учитывать спектральные характеристики источника освещения и телекамеры.

Нормальным считается отношение сигнал/шум 48 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ. Более подробно об отношении сигнал/шум см. в Приложении Д.

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).

Матрицы (ПЗС, КМОП) обладают очень важным свойством - они позволяют получать четкое изображение 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. Камеры, питающиеся от сети переменного тока (220 В/50 Гц или 24 В/50 Гц), синхронизируются от питающей сети. Камеры, питающиеся от источника постоянного тока (12 В) 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 СОТ, а при использовании в системе более 8 камер приводит к постоянным срывам изображения, потерям многих кадров, что делает наблюдение и видеозапись практически невозможными.

Примечание - при работе системы с платами видеозахвата, нужно стремиться использовать ввод сигнала без использования процесса мультиплексирования канала.

Теоретически возможно добиться надежной работы синхронизации в СОТ, но режим мультиплексирования всегда будет требовать больше времени для ввода видеоизображения, чем прямой ввод сигнала. Использование мультиплексора в плате видеозахвата не повышает технические характеристики устройства, поскольку число каналов в этом случае может быть очень большим, а суммарное количество вводимых кадров или полукадров при этом не изменяется.

Электронный затвор - элемент конструкции 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. Лучшие электронные затворы позволяют получить выдержки порядка 1/100000.

АРД - автоматическая регулировка диафрагмы - способность камеры управлять объективами с электрически регулируемой диафрагмой и встроенным усилителем (при управлении объективом без встроенного усилителя используется термин "прямое управление"). Наличие АРД является существенным достоинством камеры, так как регулировка глубины резкости без изменения диафрагмы принципиально невозможна. Это означает, что при электронном управлении затвором на 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 АРД 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.

Современные объективы, в связи с уменьшением их габаритов, имеют, как правило, прямоприводное управление (direct drive), поэтому камера должна иметь встроенную электронику для управления объективом.

Примечание - камеры, предназначенные для установки вне помещения, должны иметь АРД, что должно обеспечить работу в широком диапазоне освещенностей (как минимум от 1 люкса ночью до 100000 люкс в яркий солнечный день).

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. Обычно диапазон регулировки усиления ограничивается 12-20 дБ (4-10 раз), большее увеличение усиления приводит к значительному зашумлению видеосигнала и, как следствие, ухудшению изображения.

Гамма - коррекция видеосигнала (у-коррекция) - нелинейное искажение видеосигнала для лучшего воспроизведения. Гамма - коррекция заключается в предварительном искажении видеосигнала с целью увеличения контрастности изображения на мониторе. Камеры с гамма - коррекцией сигнала имеют либо постоянный коэффициент

у - 0,45 (иногда 0,25),

либо изменяемый вручную (например, у - 0,25/0,45/1).

Компенсация "засветки сзади" (компенсация засветки телекамеры при наблюдении за предметом, освещенным сзади ярким светом) - способность камеры автоматически устанавливать выдержку и параметры усиления по выбранному фрагменту изображения. Достаточно часто применяется система "Back Light Compensation", обеспечивающая автоматическое управление диафрагмой, выдержкой, усилением и т. д., и ориентирующаяся на центральную часть экрана. В более сложных моделях в разных частях кадра адаптация к световым условиям происходит независимо друг от друга, что повышает качество изображения.

Канал звука - обеспечивает акустический контроль охраняемого (контролируемого) помещения с помощью микрофона. Для организации двунаправленного аудиоканала (например, в домофонных системах) кроме микрофона устанавливается динамик.

Напряжение питания. Большинство телекамер питаются либо от сети переменного тока 220 В/50 Гц, либо от источников постоянного тока напряжением 12 В. В последнее время все чаще используется переменное напряжение 24 В. Реже используется 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.

Общий подход при выборе блока питания заключается в необходимости иметь 30% запас по току питания от максимальных возможностей блока питания. Дело в том, что при максимальных нагрузках резко возрастает напряжение пульсаций на выходах блока и основные узлы начинают работать в перенапряженном режиме, что сказывается на качестве питающего напряжения и долговечности блока питания.

Второй аспект этого вопроса заключается в том, что многие телекамеры не допускают перенапряжение по цепям питания выше 13-14 В, а большинство блоков питания имеют разброс по уровню питающего напряжения от 12 до 14-15 В, что приводит к выходу из строя телекамер. Большинство охранных систем рассчитаны на большие диапазоны питающего напряжения, и разработчики блоков питания стремятся максимально использовать данный момент, т.е. при номинальном питающем напряжении в 12 В выдавать с блока питания 13-15 В. Таким образом, при большой длине провода возможно падение 2-3 В за счет омического сопротивления. В телевидении такой подход недопустим, если нет возможности плавно изменять питающее напряжение. Данную особенность необходимо учитывать при выборе марки блока питания. Желательно, чтобы блок питания имел возможность дискретного изменения питающего напряжения с шагом 0,1-0,4 В, что позволяет создать оптимальные напряжения питания на входе телекамеры.

Сечение проводов должно выбираться из расчета падения напряжения по длине кабеля. В Приложении Е приведены требуемые сечения кабеля в зависимости от длины кабеля и тока нагрузки при падении напряжения по длине не более 5%.

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 настоящее время в СОТ, в основном, применяются цветные камеры. Однако, камеры черно-белого изображения, имеют лучшее разрешение, больший динамический диапазон, чувствительность. Цветные камеры необходимо устанавливать, 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 матрицы. Очевидно, что без объектива телевизионная камера работать не может. Объектив, может быть встроенным в камеру или сменным.

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") - стандарт резьбового крепления объективов. Резьба 1" (2,54 мм), 32 шага на дюйм, расстояние от заднего фланца до матрицы 0,69" (17,526 мм). Для совмещения С-объективов и CS-камер требуется переходное кольцо;

- тип "CS" ("CS-mount") - стандарт резьбового крепления объективов, резьба идентична C-mount, но расстояние от заднего фланца до матрицы уменьшено до 12,5 мм. Объективы CS могут использоваться только с CS камерами. Этот тип крепления находит большее распространение в связи с тенденцией камер к миниатюризации.

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 на матрицу определенного формата.

Миниатюрные камеры для скрытого наблюдения имеют специальную насадку с оптоволоконным кабелем, на конце которого крепится специальный объектив "pinhole" с диаметром зрачка от 0,9 до 2 мм.

Относительное отверстие F - отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию, определяет освещенность на матрице. Чем меньше значение F, тем больше световой энергии проецируется на матрицу телекамеры.

По величине относительного отверстия объективы делятся на:

- сверхсветосильные от 0,7 до 2;

- светосильные от 2,8 до 4,5;

- малосветосильные от 5,6 до 16.

Объективы бывают сферические и асферические (см. Рис. 3). Каждый из этих объективов может иметь просветленную или обыкновенную оптику.

Просветленная оптика уменьшает светорассеяние на пути прохождения светового потока до матрицы. Для уменьшения светорассеяния в объективе на линзы, имеющие контакт с воздухом, наносят специальное покрытие, и такие объективы носят название «просветленный объектив».

У просветленных объективов световой поток ослабляется в среднем на 10%, в то время как у непросветленного объектива ослабление доходит до 33%.

Сферические объективы получили большее распространение в связи с тем, что они изготавливаются из сферических линз, которые дешевы в изготовлении и технологичны.

Однако им присущи недостатки - так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения (разрешающую способность) и ограничивают максимально возможное отверстие диафрагмы (F-число таких объективов обычно имеет величину F1.2 - F1.4).

Асферический объектив внешне отличается от сферических объективов видом передней линзы. У таких объективов аберрационные искажения имеют незначительную величину, что позволяет им иметь F-число F0.75 - F0.8. Такое маленькое значение F-числа позволяет в среднем в три раза увеличить световой поток, проходящий на видеокамеру.

Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда недостаток освещенности зоны наблюдения не может быть восполнен никаким другим способом.

Примечание — разрешение объектива должно соответствовать разрешению матрицы телевизионной камеры (определение разрешения объектива см. Приложение Ф).



Рис 3- Объективы различного конструктивного исполнения

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.

В практической деятельности объективы по углу зрения делят на следующие группы в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Угол зрения объективов

Примечание — угол зрения камеры зависит от формата матрицы, так для формата кристалла 1/2 дюйма фокусное расстояние объектива ф от 4,8 до 12 мм дает угол зрения по горизонту приблизительно в 30-67 градусов, а для формата кристалла 1/3 дюйма для обеспечения аналогичных углов зрения, необходимо использовать объективы с фокусным расстоянием от 3,6 до 8 мм. В большинстве случаев использование объективов с фокусным расстоянием в 3,6 - 16 мм обеспечивает решение задач теленаблюдения в полной мере.

Рекомендуется при выборе фокусного расстояния объективов использовать специализированный программный продукт (программу) или калькулятор с возможностями произвести автоматический расчет угла поля зрения телекамеры в зависимости от высоты подвеса, угла наклона, фокусного расстояния объектива и т.д.

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).

Как правило, трансфокаторами с сервоуправлением оборудуются поворотные телекамеры. Однако, использование поворотных или купольных телекамер часто неоправданно, поскольку ручное управление такими камерами неэффективно. Гораздо эффективней использовать несколько стационарных камер для получения максимально - широкого поля обзора.

Наиболее рационально использовать поворотные или купольные телекамеры, оборудованные объективом с трансфокатором для целей периметральной охраны. Тогда целеуказание им будет выдавать стационарные камеры или охранные извещатели.

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 часто используются в системах скрытого наблюдения. Камеры для открытого внутреннего наблюдения размещаются в защитных корпусах (кожухах), которые имеют разную форму, 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), посадочным местом для установки камеры, термостатом и коммутационной панелью. Некоторые гермокожухи имеют дополнительноe 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.

К сожалению, единого стандартного протокола обмена между поворотным устройством и пультом управления (или видеосервером) не существует. Поэтому нужно учитывать совместимость между собой этих устройств. Как правило, в описаниях на эти устройства приводятся возможные формата обмена, поэтому при комплектации СОТ оборудованием необходимо это учитывать.

2.1.5. 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 >>>