Проектирование системы телевизионного видеонаблюдения

в измерительном ящике, где определяется минимальная освещенность, перед объективом устанавливаются нейтрально серые фильтры до тех пор, пока размах выходного сигнала видеокамеры не станет равным 350 мВ,

в качестве тестовой таблицы используются вертикальные штрихи с пространственной частотой 0,5 МГц и 2 МГц.

Борьба с изменениями освещенности

В составе каждой ПЗС-видеокамеры имеется так называемый электронный затвор (ES - Electronic shutter) - это устройство, предназначенное для ее адаптации к вариациям освещенности. Данное устройство опрашивает ПЗС-матрицу короткими импульсами, причем, период следования импульсов может меняться. Благодаря этому осуществляется регулировка времени накопления зарядов, а значит, и уровень сигнала на выходе ПЗС-матрицы. Следует отметить, что электронный затвор, автоматически изменяющий период следования опросных импульсов в пределах от 1/50 с до 1/100000 с, имеется у всех современных видеокамер (поэтому указание данного параметра в техническом паспорте едва ли актуально).

Другое дело, если имеется возможность ручной установки электронного затвора (Manual Shutter Control) - такая функция может с успехом использоваться для наблюдения быстропротекающих процессов (например, при видеонаблюдении потока автомашин). Дело в том, что если автоматический электронный затвор (Auto Shutter Control) работает на "малых скоростях" (1/50 сек) - а это бывает при низкой освещенности, то быстроизменяющиеся процессы будут отображаться на экране видеомонитора смазанными. Для исключения такого дефекта должна быть либо достаточно высокая освещенность объекта (что не всегда возможно), либо следует использовать видеокамеры с принудительно устанавливаемой скоростью работы электронного затвора.

Недостатком использования электронного затвора (и объективов с фиксированной или регулируемой вручную диафрагмой) является то, что объектив все время открыт, а значит, глубина резкости минимальна, в цветных видеокамерах уменьшается цветовая насыщенность. Но самое главное, динамического диапазона электронного затвора (100000 : 50 = 2000) недостаточно для отработки изменений уличной освещенности при круглосуточной работе (от 105 до 109 раз). Кроме того, электронный затвор никак не изменяет световой поток, поступающий на ПЗС-матрицу. Проблема решается с помощью так называемых объективов с автодиафрагмой (Auto Iris) в которых величина относительного отверстия регулируется автоматически (ALC - Auto Iris Lens Control).

В качестве сигнала управления микродвигателями объектива (Iris Control) может использоваться специальный видеосигнал (Video), вырабатываемый видеокамерой. В более совершенных видеокамерах для этой цели вырабатывается медленно изменяющееся управляющее напряжение, часто называемое как сигнал управления постоянным током (обозначается DC - Direct Current или DD - Direct Drive), благодаря чему может использоваться более простой и экономичный объектив.

Электронная совместимость видеокамеры и объектива заключается в соответствии сигнала управления автодиафрагмой видеокамеры и объектива. Как правило, если видеокамера обеспечивает управление автодиафрагмой объектива сигналом постоянного тока, то в ней имеется микропереключатель для выбора либо DC, либо Video. Отметим, что при управлении Video используются только 3 из 4 контактов соответствующего разъема, в то время как при управлении DC задействованы все 4 контакта. Некоторые фирмы наладили выпуск адаптеров, позволяющих совместно использовать объективы и видеокамеры, имеющие различные сигналы управления диафрагмой.

Сама система управления автодиафрагмой, по сути, является классической системой автоматического регулирования, поэтому в некоторых случаях ей может быть присуща неустойчивость - объектив периодически открывается и закрывается. Нередко причиной этого является параллельная работа автодиафрагмы и электронного затвора, что, вообще говоря, нежелательно.

Отметим, что, несмотря на рекомендации использовать в уличных условиях, а также в помещениях с изменяющейся освещенностью исключительно видеокамеры с объективами с автодиафрагмой, для этих целей все же иногда используют видеокамеры с обычным объективом (с фиксированной или вручную устанавливаемой диафрагмой). Такие решения обычно диктуются желанием снизить затраты на видеосистему. В подземном переходе оно, конечно, работать будет. Или в темном дворе. Пока снег не выпадет, и на экране видеомонитора все станет несколько ярче, чем хотелось бы.

Отношение сигнал/шум (S/N Ratio, Signal/Noise).

Указывает на степень проявления "снега" на изображении (например, при отношении сигнал/шум 60 дБ шум практически отсутствует, 50 дБ - шум едва заметен или незаметен, 40 дБ - шум заметен, 30 дБ - сильные шумы, 20 дБ - изображение теряется в шумах. Реальные измерения японских, корейских и тайваньских видеокамер показали значения этого параметра от 32 дБ до 42 дБ (против заявленных в паспортах 46…48 дБ).

Система автоматической регулировки усиления (Gain Control).

Служит для стабилизации выходного видеосигнала на уровне около 1 В. Тем не менее, как уже говорилось, реально на выходе видеокамер размах видеосигнала 1 В бывает крайне редко (он может быть равен 500 мВ и даже меньше). В некоторых видеокамерах система АРУ отключаемая, что в ряде случаев оказывается весьма ценным (чтобы не ухудшалось соотношение сигнал/шум). Глубина АРУ у различных видеокамер может быть от 12 дБ до 30 дБ.

Гамма коррекция (Gamma Correction) - параметр (обычно, равный 0,45), который указывает на то, что в видеокамере заведомо вводится нелинейная зависимость выходного видеосигнала от освещенности объекта (то есть, если освещенность объекта изменять ступенчато, через равные приращения, то ступеньки выходного сигнала будут неодинаковы по размаху). Это делается для компенсации нелинейной зависимости яркости свечения кинескопа в видеомониторе от модулирующего напряжения (иначе темные места имели бы меньше градаций, чем светлые). В некоторых видеокамерах имеется переключатель гаммы 0,45 или 1,0. Изменения на экране от такого переключения не столь заметны; чаще этот переключатель установщик начинает судорожно переключать, когда видеосигнал вообще пропадает.

Компенсация встречной засветки (BLC - Back Light Compensation) - обеспечивает, как бы сказал фотограф, более глубокую проработку в контровом свете. То есть обычная видеокамера, у которой нет такой функции, отрабатывает на усредненную освещенность в поле зрения. Если при этом на объекте имеются очень ярко освещенные участки, то за счет электронного затвора они, конечно, будут не столь яркими, но при этом яркость и темных участков уменьшится, может быть, до полной неразличимости. Классический пример: человек лицом к Вам, а солнце светит ему в спину - лица не рассмотреть, один силуэт. В сравнительно простых видеокамерах BLC отрабатывает по центральной части поля зрения видеокамеры, в видеокамерах с цифровой обработкой (DSP) имеется возможность программно устанавливать область, в которой отрабатывает BLC.

Синхронизация видеокамер (Synchronization) нужна, когда количество видеокамер в видеосистеме больше одной и в основном в тех случаях, когда используются видеокоммутаторы. Дело в том, что при переключении не синхронизированных между собой видеокамер может происходить временный срыв кадровой синхронизации видеомонитора ("кадры ползут" несколько секунд после переключения видеокамер), что не может не утомлять оператора.

В России и в некоторых зарубежных странах действует стандарт (CCIR):

частота полей (полукадров): 50 Гц,

частота кадров: 25 Гц,

период следования строчных синхроимпульсов: 64 мкс,

развертка чересстрочная, 625 строк.

Отсутствие влияния синхронизации видеокамер на качество изображения при использовании цифровых систем обработки видеосигналов нередко преподносится как одно из преимуществ цифровых устройств. Но не вся, так как умалчивается, что, так как несинхронизированные видеосигналы приходят на входы не одновременно, то в конечном итоге это приводит к замедлению обновления изображения и более заметному проявлению так называемого "строб-эффекта". То есть и здесь использование синхронизации является благом.

Отметим, что все производители в числе "дежурных" параметров (таких, как гамма коррекция, выходной сигнал 1 В, чересстрочная развертка) указывают и внутреннюю синхронизацию (Internal), притом, что она есть у всех без исключения видеокамер (с использованием кварцевого резонатора).

Внешняя синхронизация (External) - V-lock (кадровой развертки) или Gen lock (кадровой и строчной разверток) актуальна для видеокамер, питаемых от источника постоянного тока, причем для этой цели может использоваться либо видеосигнал от одной из видеокамер, либо синхросмесь, вырабатываемая специальным прибором - синхронизатором. Ясно, что для этого на видеокамере должен быть дополнительный разъем.

Для видеокамер с сетевым питанием удобна синхронизация от сети переменного тока (LL - Line-Lock). Отметим, что именно синхронизация от сети позволяет избавиться от следующего дефекта. Если там, где установлены видеокамеры, используются лампы дневного света, то на изображении может появляться яркостная модуляция (экран медленно заплывает светом, а затем также медленно изображение становится нормальным). Подобный дефект проявляется далеко не со всеми лампами дневного света и непосредственно глазом в помещении не ощущается. Видеокамеры с синхронизацией от сети допускают подстройку фазы - в качестве опорного сигнала проще всего взять видеосигнал от одной из видеокамер, а остальные видеокамеры следует подстроить по ней. Для этих целей можно использовать или двухлучевой осциллограф (контроль взаимного положения кадровых синхроимпульсов), или экран видеомонитора, на разъемы сквозного прохода которого подаются видеосигналы от двух видеокамер (регулировкой частоты кадров добиваются появления темных горизонтальных полос, соответствующих кадровым гасящим импульсам, а затем подстройкой добиваются их совпадения). Нередко параметры синхроимпульсов в реальных видеокамерах выходят за пределы, оговоренные стандартами - отсюда возможные проблемы по совместимости с видеомониторами и устройствами, использующими оцифровку видеосигнала (разделителями экрана, платами ввода видео в компьютер и т.п.).

Баланс белого является специфическим параметром цветных видеокамер; он служит для правильной цветопередачи изображения на объекте при различных типах источника освещения, к которым, надо сказать, цветные видеокамеры весьма чувствительны (в особенности, к лампам дневного света). Указываемый при этом диапазон калориметрических температур (например, 2700 К…10000 К) соответствует диапазону регулировок.

В качестве напряжение питания (Power Supply) видеокамер используется или низковольтное напряжение постоянного тока DC (чаще всего 12 В), или сетевое напряжение AC 220 В. При питании от 220 В, как уже указывалось, удобно использовать синхронизацию от сети. Кроме того, напряжение 220 В, как говорится, всегда под рукой, а если видеокамера должна быть установлена на улице в термокожухе, то это напряжение удобно использовать и для питания подогрева, и для питания видеокамеры. Во избежание искажений на экране видеомонитора рекомендуется запитывать всю систему охранного телевидения от одной фазы сети 220 В. Если же видеокамеры установлены на значительном расстоянии и подключаются к ближайшим щиткам или розеткам, но при этом возникают искажения, то можно использовать разделительные трансформаторы.

Для видеокамер с питанием от источника постоянного напряжения можно использовать общий блок питания, однако при этом следует помнить, что:

может потребоваться достаточно мощный блок питания и провода большого сечения (см. Расчеты on-line: Выбор проводов),

возможно появление связи между видеокамерами через общий источник питания (на экране видеомонитора появляются искажения за счет проникновения видеосигналов из канала в канал),

при выходе из строя блока питания или повреждения общих проводов выходит из строя вся видеосистема.

Поэтому в ряде случаев удобнее использовать сетевой адаптер для каждой видеокамеры. Отметим, что видеокамеры с широким диапазоном допустимых питающих напряжений (например, 8 В…15 В) имеют очевидное преимущество перед видеокамерами, критичными к этому параметру. На объектах, где вероятны отключения питающего напряжения, следует предусмотреть организацию бесперебойного питания (броски напряжения могут вызвать выход видеокамер из строя). Кроме того, если произошло отключение питания уличной видеокамеры, причем окружающая температура достаточно низкая, то после подачи напряжения она уже может не включиться.

Диапазон рабочих температур (Operating Temperature) - чаще всего нас интересует нижняя его граница, а она обычно составляет -10°С, не более. Поэтому, если встречается обозначение Weather Proof Camera (всепогодная видеокамера), то надо понимать, что это ТАМ, у них, она Weather Proof, а у нас, в России, она в лучшем случае Water Proof (водозащищенная).

Конструктивное исполнение видеокамер предполагает следующие возможные варианты конструкции:

· видеокамеры в стандартном корпусе,

· видеокамеры миниатюрные ("квадраты", цилиндрические, купольные, шары),

· видеокамеры уличные (как правило, вмонтированные в термокожухи, с кронштейном),

· видеокамеры бескорпусные,

· дверные видеоглазки (видеокамеры со сверхширокоугольным объективом без регулировки диафрагмы, устанавливаемые во входные двери),

· взрывобезопасные видеокамеры (конструкция которых исключает образование электрической искры, что позволяет использовать их в специальных помещениях),

· видеокамеры специального дизайна,

· WEB-видеокамеры,

· скоростные поворотные видеокамеры,

· видеокамеры от мини-видеосистем (с инфракрасной подсветкой, микрофоном и громкоговорителем).

Особенность купольных (потолочных видеокамер) - возможность использования темного светофильтра (при этом посетитель не сможет определить, куда направлена видеокамера). Бескорпусные и миниатюрные видеокамеры, как правило, поставляются со встроенным микрообъективом (но существуют варианты поставки и без объектива, с CS-креплением под стандартный объектив).

Вид крепления объектива (Lens Mount): "C" или "CS" - определяет конструктивную совместимость видеокамеры и объектива.

Дело в том, что существует два варианта исполнения видеокамер по расстоянию от места расположения ПЗС-матрицы до устанавливаемого объектива. Варианты С и CS отличаются по этому расстоянию на 5 мм. В соответствии с этим выпускаются и объективы С и CS крепления.



Рис.4.

Рис.5.

Чтобы изображение было четко сфокусировано на ПЗС-матрице, необходимо, чтобы с видеокамерой С эксплуатировался объектив С, а с видеокамерой CS - объектив CS. Возможен единственный вариант смешанного соединения: с видеокамерой CS может использоваться объектив C, но при условии, что между объективом и видеокамерой установлено специальное переходное кольцо С/CS (C/CS adapter).

Смысл последнего условия заключается в следующем. При установке объектива с CS-креплением на видеокамеру, рассчитанную на C-крепление, изображение оказывается сфокусированным перед плоскостью ПЗС-матрицы, а на самой ПЗС-матрице будет расфокусировано, что, естественно, недопустимо.



Рис.6.

При использовании объектива с С-креплением и видеокамеры с CS-креплением изображение оказывается сфокусированным за плоскостью ПЗС-матрицы, что также недопустимо.

Однако при установке C/CS-кольца между объективом и видеокамерой, изображение оказывается сфокусированным в плоскости ПЗС-матрицы.

Некоторые видеокамеры имеют встроенное резьбовое кольцо с большим ходом, что позволяет отказаться от использования CS-кольца и гарантирует хорошую фокусировку (функция Back Focus). В заключение отметим разнообразие функций существующих видеокамер:

· для работы в уличных условиях,

· для установки под водой (на глубине до нескольких метров),

· цветные видеокамеры с композитным видеосигналом и S-VHS,

· цветные видеокамеры Day/Night с переключением в черно-белый режим при пониженной освещенности,

· видеокамеры с питанием по коаксиальному кабелю,

· видеокамеры с возможностью зеркального отображения (для использования в качестве зеркала заднего вида автомобиля),

· видеокамеры с возможностью передачи видеосигналов по компьютерной сети, по телефонной линии, с записью на встроенный жесткий диск.

2.3 Основные параметры объективов

Формат объектива (format of the lens, image size) - это, по сути, обозначение того размера ПЗС-матрицы видеокамеры, с которой данный объектив предназначен работать. Другими словами, формат - это приблизительная длина в дюймах диаметра сфокусированного на плоскости изображения (он же является диагональю вписанного в эту окружность прямоугольника с соотношением сторон 3 : 4). Естественно, что этот прямоугольник не что иное, как поверхность ПЗС-матрицы.

Одним из требований конструктивной совместимости объектива и видеокамеры является соответствие их форматов. Отметим, что возможен вариант использования объектива большего формата, установленного на видеокамеру меньшего формата (но не наоборот, иначе на экране видеомонитора могут появиться затемнения по краям экрана). Достоинства такой установки в том, что в этом случае используется центральная часть объектива, где качество обработки поверхности лучше, чем на периферии, благодаря чему разрешающая способность оказывается выше. Недостаток - уменьшается светосила объектива, так как сужается эффективно используемый диаметр объектива.

Рассмотрим ситуацию, когда на видеокамеру формата 1/3 был установлен объектив формата 1/3, например, L8 1.3/CS. В каталоге указывается, что угол обзора системы "видеокамера-объектив" по горизонтали в этом случае будет 33,40°. Если теперь вывернуть данный объектив и вместо него ввернуть объектив формата 2/3 S8 1.3C, то угол обзора системы "видеокамера-объектив" окажется тем же самым, то есть 33,40°. И это понятно - фиксировано фокусное расстояние (8 мм) и фиксированы размеры матрицы. Уменьшилась только рабочая область объектива, так как он был рассчитан на ход лучей, формирующих большее изображение (формата 2/3).

Возможна ситуация, когда имеется видеокамера с соответствующим ПЗС-матрице объективом (например, формата 1/3, фокусное расстояние 8 мм) и нужно эту видеокамеру заменить видеокамерой другого формата (например, 2/3) с объективом формата 2/3, но таким образом, чтобы угол обзора при этом не изменился. Ориентировочный расчет требуемого фокусного расстояния в этом случае может быть с использованием отношения форматов:

8 мм х (2/3 : 1/3) = 16 мм

Для точного расчета, следует брать отношения не форматов, а одноименных сторон матриц.

Фокусное расстояние в мм (focal lenght) определяет угол обзора видеокамеры в целом (чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора и тем крупнее отображается объект наблюдения). Отметим, что угол обзора видеокамеры по горизонтали существенно шире угла обзора по вертикали, что следует учитывать при анализе "мертвой зоны" под видеокамерой.

Выбор объектива по фокусному расстоянию производится на основании требований необходимого угла обзора (angle of view) или, что практически то же самое, расстояния до объекта наблюдения (object distance) и горизонтального (horizontal) или вертикального (vertical) поля зрения (field of view). Очевидно, что этому должно предшествовать определение необходимого числа и типа видеокамер, обеспечивающих минимум так называемых "мертвых зон" при наименьшем взаимном перекрытии рабочих зон.

Замечания:

для одинаковых форматов большему фокусному расстоянию соответствует меньший угол обзора, для видеокамер с объективами соответствующего формата и одинаковыми фокусными расстояниями большему формату соответствует больший угол обзора,

при установке объектива большего формата на видеокамеру с матрицей меньшего формата угол обзора определяется фокусным расстоянием объектива и размером матрицы, то есть, равен углу обзора штатного объектива для данной матрицы.

Искомое фокусное расстояние может быть получено теоретически или практически.

Теоретическими методами являются:

· аналитический (например, из пропорции: отношение фокусного расстояния f к расстоянию до объекта l равно отношению длины ПЗС-матрицы h к горизонтальному полю зрения H):

f/l = h/H;

· графический - графики или номограммы, построенные на основании этого соотношения (рис.9.)

· табличный (с использованием испытательных таблиц).

· использование специального кругового калькулятора:

В некоторых случаях учитывается 10%-ое уменьшение изображения на экране за счет обратного хода развертки видеомонитора.

Практическими методами являются:

· использование специального оптического видоискателя (искомое фокусное расстояние считывыается с нониусной шкалы),

· использование переносного видеомонитора, видеокамеры и набора объективов.

Рис.9. Рассчет фокусного расстояния графическим методом.

Объективы выпускаются как с постоянным фокусным расстоянием (fixed focal length), так и с переменным, причем их регулировка может быть как ручной (vary-focal lenses), так и дистанционно управляемой (zoom lenses).

Вариообъективы с ручным управлением обычно позволяют изменять фокусное расстояние примерно в 2 раза, что обеспечивает подстройку угла обзора видеокамеры на оптимальное изображение. Вариообъективы с сервоуправлением, иначе трансфокаторы (motorized zoom), позволяют изменять фокусное расстояние в пределах от 6 раз до 34 раз. Они могут применяться на объектах, где при видеонаблюдении требуется время от времени дистанционно изменять масштаб контролируемого изображения. Некоторые из таких объективов имеют функцию предустановки (presets) - по сигналу тревоги автоматически происходит быстрая установка заранее заданного фокусного расстояния.

Относительное отверстие определяет световой поток, достигающий ПЗС-матрицы. Строго говоря, обозначение F1.2 называют aperture (отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру объектива), а относительным отверстием называют обратную величину (1 : 1.2), однако нередко пишут упрощенно: относительное отверстие F1.2. Чем меньше это значение, тем лучше (тем чувствительнее система видеокамера-объектив), то есть, например, объектив с F1.4 лучше по сравнению с объективом с F2.0, потому что позволит получить лучшее изображение в условиях малой освещенности. Использование так называемых асферических объективов (aspheric lens) c F0.8 позволяет повысить результирующую чувствительность примерно в 3 раза по сравнению с использованием объективов F1.4.

По типу диафрагмы (iris), то есть механизма регулировки проходящего светового потока, объективы подразделяются на:

· объективы без регулировки диафрагмы (without iris) - для помещений с постоянным уровнем освещенности,

· с ручной регулировкой диафрагмы (manual iris) - в помещениях с постоянным уровнем освещенности (обеспечивают возможность оптимальной подстройки),

· с автоматической регулировкой диафрагмы (auto-iris) - для установки вне помещений и в помещениях с изменяемой освещенностью, причем регулировка может осуществляться либо видеосигналом (video) - задействованы три контакта разъема из четырех, либо сигналом постоянного тока (DC или DD) - используются все четыре контакта.

Расширение динамического диапазона регулировок диафрагмы может быть достигнуто обеспечением максимально плотного закрытия объектива. С этой целью используют встроенный нейтрально серый фильтр-пятно (ND spot filter), размещенный в центральной части объектива (при открытом объективе он практически не влияет на прохождение светового потока, но заметно уменьшает его при малом раскрытии зрачка объектива).

Объективы с диафрагмой, управляемой сигналом постоянного тока, более экономичные, а по техническим характеристикам идентичны аналогичным объективам, управляемым видеосигналом.

Если необходимо проверить работоспособность механизма автодиафрагмы, то это можно выполнить следующим образом. Нужно кабелем подключить объектив к заведомо исправной видеокамере, но не наворачивать объектив на видеокамеру, а смотреть сквозь него на просвет - объектив будет закрыт. Затем следует закрыть отверстие видеокамеры - если объектив исправен, то на просвет будет видно, как откроется зрачок (видеокамера "подумала", что вокруг стало темно).

Отметим, что у вариобъективов с сервоуправлением может быть либо автодиафрагма (оператору не нужно в течение суток подстраивать яркость изображения), либо дистанционно управляемая диафрагма (при этом в ряде случаев можно получить качество изображения лучшее, чем с автодиафрагмой).

Глубина резкости (depth of field) - зона перед и за фокусируемой областью, в пределах которой все предметы остаются сфокусированными. Глубина резкости тем больше, чем больше значение относительного отверстия. Короткофокусные объективы имеют большую глубину резкости. С увеличением расстояния до объекта увеличивается глубина резкости. Протяженность зоны резкости за сфокусированным объектом больше, чем перед ним.

Надо сказать, что диафрагма весьма существенно влияет на глубину резкости (мы прищуриваемся, когда хотим что-то рассмотреть) - чем больше значение относительного отверстия, тем больше глубина резкости. Это, в частности, является причиной типичной ошибки установщика - настраивать объектив с автодиафрагмой в солнечную погоду - диафрагма автоматически прикрывает объектив, глубина резкости большая (почти, как ни крути кольцо фокусировки, все резко). Зато вечером, когда солнышко сядет, зрачок объектива откроется, и вот тогда станет ясно, хорошо настроен объектив или нет. Реальную помощь в этой операции может оказать специальный нейтрально-серый фильтр (neutral density filter) - им при настройке прикрывают объектив с автодиафрагмой, имитируя сумерки.

Следует отметить, что фокус при обычном освещении и при инфракрасной подсветке отличаются, поэтому при использовании ИК-прожекторов следует устанавливать компромиссную фокусировку или использовать специальные объективы. К слову сказать, в последнее время появились объективы с встроенными по периметру диодами ИК-подсветки, что в ряде случаев может оказаться весьма удобным при эксплуатации.

MOD (Minimum object distance) - минимальное расстояние до объекта, при котором воспроизводимое объективом изображение оказывается сфокусированным. Широкоугольные объективы, как правило, имеют меньшее значение этого параметра, чем длиннофокусные объективы. Данный параметр едва ли можно считать актуальным для систем охранного телевидения.

Вид крепления объектива может быть C-mount или CS-mount.

Допустимы следующие варианты:

видеокамера С-крепления - объектив С-крепления,

видеокамера СS-крепления - объектив СS-крепления,

видеокамера СS-крепления - объектив С-крепления с использованием специального переходного кольца C/CS.

Кроме стандартных объективов все популярнее становятся микрообъективы для бескорпусных и миниатюрных видеокамер. При их выборе следует помнить, что они могут быть выполнены из стекла, либо из пластмассы (с соответствующим качеством). Отметим, что существуют микрообъективы и с автодиафрагмой.

Используемые для видеокамер со скрытой установкой объективы типа "игольное ушко" (pin-hole), как правило, имеют существенно худшее значение относительного отверстия по сравнению с обычными микрообъективами. Однако при использовании специальных объективов (из 5 линз) производители обещают достаточно высокую светосилу и у объективов pin-hole.

Внешне аналогично объективам pin-hole выглядят объективы с вынесенным зрачком. Их преимущество в том, что при юстировке таких объективов, например в стене, не требуется точное "попадание" в отверстие. Более того, само отверстие является частью оптической системы такого объектива, играя роль диафрагмы. Таким образом, исключаются затемнения по краям экрана видеомонитора, которые сопровождают неточную юстировку объективов pin-hole.

Глава 3. Обработка и передача видеоинформации

3.1 Устройства обработки видеосигналов: видеокоммутаторы и разделители экрана

Простейшая видеосистема состоит из одной видеокамеры и одного видеомонитора. При наличии в видеосистеме нескольких видеокамер возникает вопрос о варианте обработки потока визуальной информации и представления его оператору. От того, насколько оптимальным для конкретной задачи является данное решение, зависит скорость и эффективность работы оператора, а значит, и всей видеосистемы.

Идеальным является случай, когда сигналы от неограниченного числа видеокамер поступают к оператору без потери информации в том виде, как они снимаются с видеокамер. Однако в случае неоцифрованных выходных сигналов с видеокамер это невозможно, поэтому простейшим решением является параллельный способ представления визуальной информации (рис.10.). В этом случае используется несколько видеомониторов, к каждому из которых подключена "своя" видеокамера - при этом образуются независимые параллельные каналы. По сути, это не что иное, как несколько параллельно работающих простейших видеосистем.

Рис.10. Параллельный способ представления видеоинформации.

Несмотря на кажущуюся примитивность решения, оно, тем не менее, имеет ряд достоинств:

· простота,

· стоимость ниже, чем с использованием разделителя экрана или видеомультиплексора,

· информация не теряется (нет оцифровки и переключения видеокамер),

· высокая живучесть системы - при выходе из строя одного из каналов видеосистема в целом не теряет работоспособности, упрощается диагностика ее неисправности (методом замены).

Недостатки следующие:

количество видеомониторов (а значит, и каналов) не должно существенно превышать 6…8 (для одного оператора),

невозможно осуществлять видеозапись по всем каналам одновременно с помощью одного видеомагнитофона,

при наличии тревоги внимание оператора не привлекается,

при увеличении числа каналов возрастает занимаемая видеомониторами площадь.

Таким образом, в общем случае в видеосистеме должна решаться задача представления информации от нескольких видеокамер на видеомониторы, число которых, как правило, существенно меньше числа видеокамер (чаще всего, это один видеомонитор). Данную задачу в видеосистеме решает устройство обработки видеосигналов. Естественно, что в описанной ситуации к видеомонитору в каждый момент времени может быть подключена только одна из видеокамер, поэтому все системы с центральным устройством обработки видеосигналов осуществляют коммутацию видеокамер. Скорость коммутации каналов определяет принцип построения и выходные параметры видеосистемы; описанные ниже устройства используют последовательный способ представления информации оператору.

Видеокоммутаторы

Видеокоммутаторы (switchers) осуществляют коммутацию видеокамер с достаточно низкой частотой (несколько секунд и даже десятков секунд на канал). Они являются простейшими и самыми экономичными устройствами обработки видеосигналов.

Рис.11. Система видеонаблюдения с видеокоммутатором.

Характерной чертой видеокоммутаторов является так называемое неконтролируемое время: пока осуществляется видеонаблюдение по одной видеокамере, сигналы с других видеокамер на видеомонитор не поступают.

Это неконтролируемое время может быть весьма существенным. Например, если время наблюдения по каждой из видеокамер установлено 5 секунд (а за меньшее время оператору вообще невозможно успеть что-либо рассмотреть), то при циклическом автоматическом переключении, например 12 входов видеокоммутатора, неконтролируемое время составляет 55 секунд. То есть видеокоммутатор будет снова возвращаться к рассмотрению ситуации в контролируемой зоне через каждые 55 секунд - за это время на объекте может произойти многое

Надо сказать, что человек едва ли способен просидеть рабочий день перед видеомонитором, на экране которого постоянно переключаются изображения (а для уменьшения неконтролируемого времени они должны переключаться как можно чаще!). Едва ли здесь может помочь такая опция некоторых видеокоммутаторов, как индивидуальная установка времени наблюдения по каждому входу (для установки приоритетов наблюдения контролируемых зон, а также для создания "рваного ритма" переключений - чтобы оператор не уснул).

Для облегчения работы оператора некоторые видеокоммутаторы содержат входы тревоги (по числу видеовходов, а их может быть от 2 до 20). При срабатывании соответствующего охранного датчика на экране видеомонитора появляется изображение тревожной зоны, звучит зуммер, включается соответствующий светодиод. При одновременном срабатывании нескольких датчиков тревожные зоны отображаются поочередно в соответствии с выбранным временем наблюдения.

Некоторые видеокоммутаторы имеют возможность одновременно с видеосигналами переключать и аудиосигналы. Кроме того, существуют видеокоммутаторы с дистанционным управлением (для организации многопостовой системы). Что касается видеокоммутаторов, программируемых по экранному меню (входное сопротивление, время наблюдения, отображаемые по тревоге зоны и пр.), то, представляется, что этот класс приборов едва ли сможет быть популярным в силу того, что в этом случае пропадает основное преимущество видеокоммутаторов - их экономичность.

К достоинствам видеокоммутаторов можно отнести:

· простота обслуживания,

· отсутствие потери качества изображения, вызванного оцифровкой, что присуще разделителям экрана и видеомультиплексорам,

· возможность использования видеомониторов небольшого размера.

Недостатки:

· наличие неконтролируемого времени,

· при непрерывном переключении каналов оператор утомляется,

· невозможно осуществлять видеозапись по всем каналам одновременно с помощью одного видеомагнитофона.

Для использования в больших видеосистемах применяются так называемые матричные видеокоммутаторы - они могут состоять из наращиваемых модулей, образуя систему, например, из 512 видеовходов и 64 выходов, коммутируемых произвольным образом от нескольких клавиатур на разных постах. Основное преимущество подобных устройств - исключительная гибкость конфигурации (например, информация от видеокамер для поэтажного просмотра обстановки в гостинице или при наблюдении дорожной обстановки на участках трассы и т.п. может одновременно выводится на экраны нескольких видеомониторов). Еще одно применение матричного видеокоммутатора - размещение его на удаленном объекте и дистанционное управление коммутацией (при этом видеосигналы с удаленного видеокоммутатора на основной видеокоммутатор передаются по одному коаксиальному кабелю). Матричные видеокоммутаторы имеют входы тревоги, встроенный генератор экранных надписей, возможность работы с компьютером.

Разделители экрана

Разделители экрана (иногда почему-то называемые квадраторами) предназначены для одновременного (с точки зрения оператора) отображения на экране видеомонитора изображений от четырех видеокамер (черно-белых или цветных)(рис.12.). Достоинство разделителей экрана заключается в том, что при их использовании практически нет потери информации на время переключения видеокамер, присущей видеокоммутаторам.



Рис.12. Система видеонаблюдения с разделителем экрана.

Для отображения на экране одного видеомонитора изображений от нескольких видеокамер применяется преобразование аналоговых видеосигналов в цифровые коды с промежуточным запоминанием их в буферной памяти и последующей выборкой этих кодов в заданной последовательности для цифро-аналогового преобразования. Таким образом, в каждом поле сформированного таким образом видеосигнала содержится информация о четырех входных видеосигналах. Следует отметить, что коммутация видеокамер в цифровых устройствах обработки видеосигналов (разделителях экрана, видеомультиплексорах) может осуществляться не чаще, чем с периодом частоты полей (20 миллисекунд).

Четырем сегментам на экране видеомонитора соответствует четыре области памяти разделителя экрана, обновление которых может осуществляться либо последовательно (что проще и дешевле), либо параллельно.

В недорогих моделях разделителей экрана осуществляется циклический опрос четырех видеовходов с частотой кадровой развертки (25 Гц для стандарта CCIR), последующим оцифровыванием входных видеосигналов и запоминанием их до следующего цикла обновления информации в памяти. Таким образом, по каждому входу частота обновления оказывается равна 6,25 Гц, что проявляется на изображении в виде "строб-эффекта" движущихся объектов. В случае использования не синхронизированных видеокамер период обновления информации увеличивается на время ожидания прихода кадрового импульса от следующей переключаемой видеокамеры. Заметная прерывистость в движении объектов на экране создает дискомфорт оператору, приводит к потере информации.

В разделителях экрана "реального времени" производится параллельная оцифровка четырех входных видеосигналов, благодаря чему изображение получается более качественным, оператор меньше утомляется.

Разделители экрана могут быть цветными или черно-белыми.

Качество изображения, получаемого с помощью разделителя экрана тем выше, чем больше объем памяти прибора, предназначенного для хранения необходимого количество элементов изображения (пиксел) и количества градаций яркости. Например, прибор с памятью 1024 х 512 пиксел лучше, чем прибор с памятью 625 х 512 пиксел, 256 градаций яркости позволяют передать более естественно изображение, чем 64 градации яркости. Важным параметром разделителей экрана является наличие входов тревоги - при срабатывании соответствующего датчика во весь экран выводится зона с тревогой, звучит зуммер. Разделители экрана, которые имеют раздельную регулировку уровня видеосигнала по каждому входу, позволяют при монтаже и настройке охранной видеосистемы добиться одинаковой контрастности свечения каждого из сегментов на экране видеомонитора, что более комфортно для оператора (сигналы от разных видеокамер, пройдя по кабелям различные расстояния, существенно отличаются своими размахами). Кроме одновременного отображения четырех изображений, разделители экрана позволяют последовательно отображать на видеомониторе полноэкранные изображения (вручную или автоматически последовательно) - вариант использования прибора в режиме видеокоммутатора. При необходимости наблюдать с помощью одного прибора изображения более чем от 4 видеокамер, может использоваться так называемый двухстраничный разделитель экрана (8 видеовходов, коммутируемые группами по 4) (рис.13.). Однако в этом случае появляется так называемое неконтролируемое время для видеокамер, которые в данный момент не включены для наблюдения.

Рис.13. Система видеонаблюдения с двухстраничным разделителем экрана.

Лучшие результаты может дать использование двух параллельных видеосистем (в каждой свой разделитель экрана и свой видеомонитор)(рис.14.).

Рис.14. Параллельные видеосистемы с двумя разделителями экрана.

Разделители экрана могут иметь следующие функции:

· возможность полноэкранного отображения,

· электронное увеличение,

· запоминание последнего (перед пропаданием) изображения,

· возможность последовательного автоматического переключения,

· наличие входов датчиков тревоги,

· тревога при пропадании видеосигнала,

· наличие встроенного детектора движения,

· выход контактов реле тревоги,

· возможность регулировки уровней входных видеосигналов,

· возможность дистанционного управления,

· встроенный текстовый генератор,

· блокировка доступа.

Главным недостатком разделителей экрана является то, что они не позволяют получить видеозапись приемлемого качества (выходной сигнал подвергается цифровой обработке, что снижает разрешающую способность) и, кроме того, на каждое из 4 изображений приходится в два раза меньше элементов разложения и по горизонтали, и по вертикали, чем при полноэкранном отображении. Следует отметить, что для четкого наблюдения одновременно четырех изображений на экране видеомонитора размер его должен быть среднего и даже большого размера.

3.2 Видеомультиплексоры

Мультиплексирование - наиболее эффективный способ непрерывной записи изображения от нескольких источников на один носитель.

Мультиплексная запись - это запись полных кадров последовательно (кадр за кадром) от каждой из подключенных камер.

Мультиплексная запись обеспечивается применением процессора цифровой обработки изображения с буферной кадровой памятью, в которую записывается изображение от видеокамер. Процессор с памятью служит в этом случае корректором временной базы (т.е. корректором несинхронности камер).

Вообще говоря, до появления мультиплексоров этой цели служили фреймсвитчеры - переключатели видеосигнала, в которых переключение осуществляется в момент кадрового синхроимпульса. При этом правда, требуется, чтобы все видеокамеры были синхронны и синфазны друг с другом.

Основное назначение видеомультиплексоров - организация видеозаписи с минимальными потерями сигналов от нескольких видеокамер на один охранный видеомагнитофон. Достигается это тем, что видеомультиплексор формирует на своем выходе мультиплексированный видеосигнал, получаемый переключением видеокамер с частотой полей (если подключить видеомонитор к этому выходу видеомультиплексора, на экране будут видны мелькающие изображения от подключенных видеокамер).

Рис.15. Система видеонаблюдения с мультиплексором.

Таким образом, на видеомагнитофон с видеомультиплексора поступают с частотой полей видеосигналы, соответствующие полноэкранному отображению - в этом основное преимущество видеомультиплексоров перед разделителями экрана (у которых видеосигнал соответствует квадовому отображению, то есть в 4 раза меньшему числу пиксел на канал). Понятно, что чем больше входов у видеомультиплексора, тем больше время между обращениями к каждой видеокамере, а значит, тем сильнее проявляется "строб-эффект". Например, если подключено 16 видеокамер, то время между обращениями к каждому каналу равно 0,3 сек, что близко к пределу, когда движущееся изображение воспринимается как слитное.

Процесс формирования выходного сигнала для записи называется кодированием. При этом в невидимые строки кадрового бланка записывается служебная информация (ID камеры, дата, время, метки тревоги и т.п.). Обратный процесс при воспроизведении называется декодированием. Основным недостатком последовательной мультиплексной записи является увеличение периода обновления изображения от каждой из записываемых камер (эффект мультипликации). При установке магнитофона в режим длительной записи этот эффект может привести к потере ценной информации. Для частичного устранения этого недостатка практически во всех моделях мультиплексоров применяется способ динамического распределения времени записи, в основе которого лежит анализ изменений в изображении. Алгоритмы обнаружения изменений могут быть разными, от простейших яркостных до сложных, с анализом изображение в фазовом пространстве. При обнаружении изменений в изображении от камеры, частота записи изображения от этой камеры увеличивается, что уменьшает вероятность пропуска важных событий. В последних моделях мультиплексоров выходы детекторов активности в каждом канале обработки выводятся на внешний разъем и могут быть использованы для прочих применений.

Рассмотрим некоторые основные характеристики мультиплексоров.

Основные режимы работы мультиплексора:

· Запись изображения от камеры (источника видеосигнала)

· Просмотр записей, сделанных ранее

· Мультиэкранное наблюдения в реальном времени

В зависимости от своих возможностей мультиплексоры бывают, соответственно, симплексные, дуплексные и триплексные.

Симплексные - могут работать только в одном из вышеперечисленных режимов.

Дуплексные - работают одновременно в двух из вышеперечисленных режимов.

Триплексные - работают одновременно в трех из вышеперечисленных режимов.

Применение триплексных мультиплексоров не всегда оправдано, так как при воспроизведении ранее записанных кассет, живое видео можно просматривать на дополнительном мониторе. Поэтому наиболее часто применяются дуплексные мультиплексоры, к тому же триплексные пока еще достаточно дороги.

Разрешающая способность.

В отличие от ТВ камер разрешающая способность мультиплексоров измеряется в пикселях (точках), а не в телевизионных линиях (ТВЛ), хотя в принципе это одно и то же. Объясняется это тем, что мультиплексор - цифровой прибор, а в цифровых приборах разрешение принято измерять количеством отображаемых на экране точек (или в количестве точек на дюйм). Разрешение мультиплексора определяется объемом (структурой) оперативной кадровой памяти и, в первую очередь, быстродействием (тактовой частотой) процессора цифровой обработки изображения (быстродействием АЦП, ЦАП и собственно самого процессора)

Формат мультиэкрана.

Формат мультиэкрана - это количество и размер одновременно отображаемых на экране окон, в которых выводится информация (изображение). Форматы мультиэкрана могут быть самыми разнообразными - от стандартных (2х2, 3х3, 4х4) форматов до самых экзотических с неравномерными размерами окон (8+2, 4+3, 12+1, PIP, и т.д.).

Freeze (Still).

Электронный стоп - кадр, "заморозка", т.е. вывод на экран одного кадра от камеры (неподвижное изображение). В этом случае одно и то же изображение циклически считывается из кадровой памяти, что равносильно эффекту стоп-кадра на видеомагнитофоне.

Zoom (увеличение).

"Электронная лупа" позволяет увеличивать участок изображения относительно выбранной точки. Увеличение, как правило, двукратное, но бывают и исключения. При этом надо помнить, что электронное масштабирование приводит к ухудшению разрешающей способности (так как исходное изображение уже дискретное), поэтому особенно обольщаться данной возможностью не надо.

Последовательное переключение.

Возможность последовательного автоматического просмотра изображения от подключенных камер (или воспроизводимого изображения) в полноэкранном формате. Как правило, имеется возможность установки времени показа одного изображения, возможность исключения из просмотра каких-то камер.

Выбор камер для записи.

Возможность выбора пользователем тех камер, изображение от которых необходимо записывать на магнитофон либо какой-нибудь другой регистратор.

Маскирование изображения.

Возможность маскирования (запрещения показа) изображения от выбранных камер. Эта возможность используется для запрета наблюдения изображения от некоторых камер пользователем низшего ранга. При этом запись изображения от этих камер все равно производится.

Встроенные часы и календарь.

Встроенные часы и календарь используются для программирования различных режимов в зависимости от времени суток и дня недели. Это может быть автоматический переход на летнее время и обратно, запись различных камер днем и ночью и т.д. и т.п.

Детектор активности. Детектор движения.

Вообще эти понятия довольно часто путают, то есть детектор активности называют детектором движения, хотя это, вообще говоря, разные устройства. Дело в том, что детектор активности реагирует на любые изменения в поле зрения ТВ камеры - локальное изменение освещенности (лампочка зажглась), появление нового объекта, движение объекта в поле зрения и т.д. Алгоритмы обнаружения изменения могут, быть разными, но, как правило, все они строятся на анализе яркостных (амплитудных) изменений в изображении. Детектор же движения обязан реагировать только на появление движущегося объекта, и не реагировать на яркостные изменения в стационарном изображении, поэтому алгоритмы обнаружения движения гораздо более сложные. Поле для творчества здесь самое обширное. Как правило, действительно надежные детекторы движения - это интеллектуальные дорогостоящие цифровые устройства с большим количеством сервисных функций.

Телеметрия.

Абсолютно безграмотный с точки зрения телемеханики термин. Дело в том, что под телеметрическими функциями в мультиплексорах, матричных коммутаторах и прочих CCTV устройствах подразумевается возможность управления удаленными устройствами (позиционерами, объективами с MotorZOOM, и т.п.). На самом деле это - телеуправление, а телеметрия, наоборот, получение информации о состоянии удаленного объекта. Ну, да и ладно, термин то устоялся. Вообще говоря, наши восточные партнеры придумали массу замечательных в этом смысле терминов. Шедевром, естественно, является "электронный ирис" в ТВ камерах. Дело в том, что классический ирис регулирует величину светового потока. "Электронный ирис", а, если правильно говорить, автоматический электронный затвор, регулирует величину времени накопления заряда. И то, и то влияет на экспозицию, то есть на величину фотозаряда, но только физические принципы разные.

О некоторых дополнительных функциональных возможностях мультиплексоров.

Входы тревоги (ALARM).

При поступлении сигнала на вход тревоги мультиплексор переходит в особый режим, называемый "тревожной записью". Что собственно должен делать мультиплексор в этом режиме, определяется самим пользователем при помощи экранного меню.

Экранное меню.

Некоторый набор функциональных полей, в каждом из которых пользователь может установить определенный набор параметров мультиплексора, впрямую влияющих на режимы работы мультиплексора в различных условиях.

Синхровход (SW IN).

Вход внешней синхронизации мультиплексора. Очень полезная функциональная возможность, позволяющая мультиплексору переключаться от камеры к камере по внешнему синхросигналу. Как правило, внешний сигнал синхронизации поступает на мультиплексор от подключенного к нему видеомагнитофона. При этом у пользователя отпадает необходимость вручную устанавливать режим работы, соответствующий скорости записи магнитофона, это происходит автоматически. То есть при изменении скорости записи (воспроизведения) магнитофона, мультиплексор автоматически отслеживает это изменение.

Выход сигнала тревоги.

При поступлении внешнего сигнала тревоги (или при срабатывании внутреннего детектора активности) на этом выходе формируется некоторый обобщенный сигнал тревоги, который может быть использован (и используется) для переключения видеомагнитофона в режим записи по тревоге. Впрочем, этот сигнал может быть использован при построении конкретной системы видеонаблюдения для чего угодно.

Интерфейс RS-232C и RS-485.

Стандартный последовательный интерфейс, позволяющий с помощью специального протокола (системы команд) управлять мультиплексором либо при помощи персонального компьютера, либо с помощью специального контроллера управления. К сожалению, производители о стандартном протоколе обмена договориться не удосужились, поэтому у разных мультиплексоров система команд отличается друг от друга.

Пульт дистанционного управления.

ПДУ позволяет управлять мультиплексором на некотором расстоянии. В принципе, пульт дистанционного управления обычно полностью повторяет возможности кнопок на передней панели мультиплексора.

В последнее время появились модели мультиплексоров, совмещающие в себе еще и функции матричного коммутатора с возможностью вывода изображения от любой подключенной камеры на любой из подключенных (как правило, до 4-х) мониторов.

Некоторые производители добавляют "телеметрические" функции (управление внешними устройствами).