Лекция 3. Основные компоненты систем видеонаблюдения
Цель лекции: изучение основных устройств, входящих в систему видеонаблюдения и их характеристик Содержание лекции: телевизионные камеры, объективы, видеомониторы, устройства коммутации, устройства регистрации, системы питания, каналы передачи информации
Телевизионная камера (видеокамера) - 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. Видеокамера является наиболее важным элементом охранного телевидения, поэтому в настоящее время разработано и выпускается большое количество их типов и моделей. В качестве светочувствительного элемента используется специальный малогабаритный полупроводниковый сенсор (английское название CCD - Charge Coupled Device – прибор с зарядовой связью (ПЗС - матрица). Это относительно новый вид камер, которые имеют меньшие, чем видиконовые камеры, габариты, более высокую разрешающую способность и долговечность. Кроме того, CCD камеры могут работать при освещенности до 0,1 люкс и ниже. Однако стоимость таких камер в настоящее время еще достаточно высока, но имеет тенденцию к снижению. Качество телевизионной камеры определяется целым рядом показателей, однако, в большинстве случаев при выборе камеры для конкретной системы достаточно ориентироваться на следующие характеристики.ГОСТ Р 51558-2000 предусматривает обязательную проверку трёх технических характеристик телекамер: разрешение; рабочий диапазон освещённостей и отношение сигнал/шум. В то же время в спецификациях на передающее телевизионное оборудование приводится гораздо большее число параметров. 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 камеры с повышенным разрешением (500…600 линий для черно-белых и 375…450 линий для цветных камер). Матрицу ПЗС можно характеризовать либо полным, либо эффективным количеством пикселей. В полное число входят и те пиксели на концах строк, на которые не попадает свет или которые используются для стабилизации цифрового изображения, а эффективное учитывает только те, что действительно участвуют в формировании изображения. При прочих равных условиях, чем выше разрешение, тем лучше. Число пикселей в строке развертки определяет верхний предел разрешения; матрица, имеющая в строке развертки 700 пикселей по высоте кадра, обеспечивает разрешение не более 700 ТВ-линий/h. 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. ПЗС сенсор, преимущественно используемый в качестве фотоэлектрического преобразователя телевизионных камер (ТК) систем телевизионного наблюдения, имеет линейную световую характеристику чувствительности до освещенности насыщения. Значение величины освещенности насыщения, при стандартном времени накопления, зависит от размера светочувствительного элемента и потенциала подложки, то есть фактически от размеров ПЗС сенсора. Типичное значение для сенсоров 1/3", 1/4" составляет 0,7…1,0 люкс. Рабочую точку на световой характеристике выбирают таким образом, чтобы максимальная освещенность в кадре была бы на 20…30 % ниже освещенности насыщения для конкретного экземпляра ПЗС сенсора, а усиление в видеотракте ТК при этом обеспечивало получение полного видеосигнала 1 В (0,7 В собственно видеосигнал) на нагрузке 75 Ом. На рисунке 3.1 представлена типичная сквозная характеристика чувствительности ТВ камеры без работы средств адаптации видеокамеры к изменениям освещенности.
Рисунок 3.1 - Световая характеристика чувствительности ПЗС сенсора 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. Важным атрибутом камеры является объектив. Характеристики объективов во многом совпадают с фотографическими: - длиннофокусные объективы используются для наблюдения за удаленными объектами или небольшого размера предметами; - широкоугольные объективы устанавливаются там, где необходимо панорамное наблюдение за объектом; - объективы с изменяемым фокусным расстоянием (имеющие ZOOM) используются для приближения объекта наблюдения. Изменение фокусного расстояния осуществляется с помощью дистанционного управления. 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. 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 требуемый масштаб и детали картины. Расчет фокусного расстояния объектива находится по формуле: f = h·L/V, (3.1) где: f - необходимое фокусное расстояние (мм); h - размер ПЗС-матрицы по вертикали (мм); L - максимальная дальность наблюдения (м); Видеомониторы - это устройства, преобразующие видеосигналы в двухмерное изображение. Видеомониторы являются изделиями, специально предназначенными для использования в системах видеонаблюдения (высокая надежность при круглосуточной работе, частом переключении кадров и т.п.), поэтому замена их обычными приемниками телевизионного изображения или компьютерными мониторами нежелательна, а иногда недопустима. Кроме этого, многие видеомониторы снабжены встроенными устройствами для приема сигналов от нескольких камер – видеокоммутаторами. Мониторы делятся на два класса - мониторы черно-белого и мониторы цветного изображения. Основными характеристиками мониторов являются размер экрана по диагонали и разрешающая способность по горизонтали. Наиболее часто применяются мониторы с размером экрана 9" и 12". При использовании устройств совмещения изображения (квадраторов) применяются мониторы с большим размером экрана: 15", 17" или 20". Устройства коммутации можно разделить на следующие типы: Видеокоммутаторы последовательного действия - это устройства, обеспечивающие последовательное переключение видеосигналов от нескольких телекамер на один или несколько выходов (мониторов). Видеокоммутаторы последовательного действия имеют автоматический («листающий») и ручной режимы переключения камер, позволяющие просматривать сигналы от всех камер либо выборочно от некоторых из них. Число входных видеоканалов может быть от 4 до 16, а при использовании нескольких блоков коммутации - до 64. Видеокоммутаторы последовательного действия являются сравнительно простыми устройствами и применяются, как правило, в небольших и недорогих системах. Видеоквадраторы - это цифровые устройства, обеспечивающие размещение изображений от 4-х видеоисточников на одном экране, который в этом случае делится на 4 части (квадранты), и позволяющие уменьшить количество мониторов в системе. Квадраторы высокого разрешения позволяют работать на одном мониторе с 8 камерами: они формируют две группы по 4 камеры и дают возможность по очереди выводить их на экран. В некоторых видеоквадраторах могут быть встроены видеодетекторы движения. Видеодетектор движения представляет собой электронный блок, встроенный или автономный, который хранит в памяти текущее изображение с телекамеры и подает сигнал тревоги при возникновении изменений в охраняемой зоне. Видеодетекторы движения применяются, главным образом, в системах охраны крупных объектов, где оператору приходится контролировать большое количество камер. Цифровые видеодетекторы движения применяются в сложных системах высокого класса. Видеомультиплексоры представляют собой высокотехнологичные системы видеозаписи и управления, обладающие широкими функциональными возможностями, и предназначены для записи видеосигналов от нескольких (до 16) камер на одну видеокассету с использованием кодирования, воспроизведение кодированных кассет и обработку сигналов тревоги. Мультиплексоры позволяют осуществлять переключение между различными методами записи, что дает возможность либо записывать то, что появляется на экране, либо просматривать на экране изображения от одних камер, записывая в это же время изображения от других камер. Благодаря наличию нескольких режимов вывода изображений на экран, записанные изображения могут просматриваться на одном мониторе в полноэкранном режиме, режимах квадрированного экрана и «картинка в картинке» либо в мультиэкранном режиме (8+2, 9, 4+3, 12+1 или 16 сегментов на одном экране Матричные коммутаторы имеют встроенный процессор и обеспечивают независимую коммутацию видеосигналов с большого количества входов на любой из мониторов. При наличии детектора движения коммутатор самостоятельно отслеживает ситуацию и в случае тревоги выводит изображение именно того помещения, где сработала сигнализация, а также выдает звуковой сигнал для привлечения внимания оператора. Матричные коммутаторы позволяют формировать несколько последовательностей изображений от камер в любом порядке с управлением их поворотными устройствами и вариообъективами, а также выводить номера камер и названия помещений, в которых они установлены, сообщения о сигналах тревоги, текущее время, дату, инструкции оператору и т.п. Применение компьютерной техники в системах видеонаблюдения выводит последние на совершенно новый качественный и технический уровень. Компьютерные устройства управления, так называемые видеоменеджеры, включающие в себя компьютерные карты с аппаратным или программным сжатием, позволяют удовлетворить практически любые требования заказчика. Перечислить все возможные функции видеоменеджеров достаточно трудно, поэтому в качестве примера приводятся лишь некоторые из них. Система обеспечивает несколько режимов работы. В режиме «подготовка» оператор заносит в память машины необходимую служебную информацию: номера телефонов, по которым производится автоматическое дозванивание в случае тревоги и передача информации на удаленный пост через модем, шифры кодовых замков, данные об операторе, заступившем на дежурство, временные окна нахождения объекта под охраной либо свободного доступа на него, номера охраняемых автомобилей и т.п. В режиме «тестирование» проверяется работоспособность средств охранной сигнализации. В режиме «охрана» при срабатывании охранного извещателя на экран монитора выводится план контролируемой зоны и сработавший извещатель, изображение от установленной в этой зоне телекамеры с необходимым увеличением. Система может выполнять функции цифрового видеодетектора движения с программированием данных нарушителя (направление движения, скорость, размеры и т.п.), управлять режимами записи, воспроизведения и вывода изображения на экран, программировать алгоритмы наблюдения, охраны и видеорегистрации в ежедневном и еженедельном циклах, производить обработку видеоинформации цифровыми методами, автоматически фиксировать повреждения камер, коммуникаций и другого периферийного оборудования, реализовать смешанный режим охраны-наблюдения, вести диалог с оператором речевым способом и т.п. Функциональные возможности и эффективность компьютерных систем наилучшим образом проявляются при организации с их помощью интегрированных систем охраны Лекция 4. Основные компоненты систем видеонаблюдения (продолжение)
Цель лекции: изучение основных устройств, входящих в систему видеонаблюдения и их характеристик Содержание лекции: устройства регистрации, системы питания, каналы передачи информации
Специализированные видеомагнитофоны (VCR - Video Cassette Recorder) предназначены для регистрации и документирования в течение длительного времени событий, происходящих в охраняемых зонах. Видеомагнитофоны могут работать в двух режимах: непрерывном (время записи на стандартную видеокассету (180 минут…3 часа) и прерывистом (время записи 24, 480 или 960 часов). В прерывистом режиме записываются не все кадры, а только определенные (таблица 4.1). Т а б л и ц а 4.1 – Режимы записи видеомагнитофонов
Наиболее популярным режимом записи является 24-х часовой режим с использованием 3-х часовой кассеты. При этом соответствующая скорость записи - 6,25 полей/сек и промежуток между соседними изображениями - 0,16 сек. Если в системе более одной камеры, то используются устройства обработки - видеоквадраторы и мультиплексоры. При использовании видеоквадратора на пленку видеомагнитофона посылаются одновременно изображения со всех 4-х или 8-ми камер (в зависимости от модели квадратора), в том же представлении, что наблюдается на экране монитора, то есть экран, «разрезанный» на 4 или 9 частей. При этом скорость записи не теряется: каждое из 4-х или 8-ми изображений обновляется со скоростью 6,25 полей/сек, но сильно теряется качество изображения. Разрешение записи обычного Time Lapse VCR – 330…350 ТВ - линий по горизонтали для черно-белого изображения, но так как на это качество накладывается сразу 4 или 9 изображений, то разрешение записи по горизонтали делится соответственно на 2 или на 3 и составляет для каждой камеры, записанной с использованием 4-х канального квадратора, - 165…175 ТВ-линий; а с использованием 9-ти канального – 110…117 ТВЛ. В результате получается достаточно подробная, но плохая по качеству запись. Цифровые видеорегистраторы (DVR). Цифровые системы конвертируют аналоговый видеосигнал в последовательность отдельных изображений или снимков. Каждый снимок содержит полное неподвижное видеоизображение в отдельный момент времени. Изображение определяется как регулярная матрица точек на изображении, содержание каждой точки может быть описана числом. Разрешение изображения определяется числом пикселей: чем выше цифровое разрешение, тем больше чисел требуется для описания изображения. Цифровой видеоснимок представляется в той же форме, что компьютерные данные, поэтому возможно использовать компьютерные технологии для хранения и обработки этих данных. Один из недостатков заключается в том, что каждое изображение состоит из относительно большого количества данных, что имеет значение при хранении и обработке. В настоящий момент существует два основных подхода к построению систем цифровой видеозаписи: - использования плат видеоввода, встраиваемых в универсальный персональный компьютер; - разработка комплексной системы на основе специализированных промышленных компьютеров. Несмотря на кажущуюся экономическую привлекательность первого подхода создания цифровой системы видеонаблюдения, он имеет существенные недостатки, по сравнению с «промышленной» системой цифровой видеозаписи: использование «экономичных» карт видеоввода требует максимального использования ресурсов компьютера, то есть на качество видеозаписи напрямую влияют следующие параметры: - частота процессора; - частота системной шины; - объем оперативной памяти и т д. Это не позволяет применять подобного рода карты видеозахвата на недорогих компьютерах. Для максимальной разгрузки системных ресурсов компьютера необходимо применять мощные карты видеоввода с аппаратной обработкой, что приводит к значительному увеличению стоимости. Второй (промышленный) подход к построению системы характеризуется разработкой оптимально сбалансированного комплекса аппаратно-программных средств. В последнее время на рынке технических средств и систем безопасности все более широкое применение получают системы охранного телевидения (СОТ), использующие цифровую обработку, передачу и хранение видеоинформации. Соответственно, у оцифрованного сигнала открывается весь спектр возможностей для всякого рода его обработки, анализа и моделирования мощными арсеналами программно-математических средств. Одно из неоспоримых преимуществ цифровых технологий - возможность применения к оцифрованному сигналу мощного математического аппарата упаковки и сжатия информации. На рисунке 4.1 показана блок-схема типового DVR.
Рисунок 4.1 - Блок-схема цифрового регистратора (DVR)
Другим направлением использования цифровых технологий в ЦСОТ является перевод традиционных аппаратных устройств на работу с цифровыми сигналами. Прежде всего, это телекамеры и цифровые видеомагнитофоны или многофункциональные видеорегистраторы (Digital Video Recorder - DVR). На их базе строятся ЦСОТ без использования ПК. Прежде всего их отличает простота управления за счет меньшей гибкости в конфигурировании системы. Но в то же время за счет использования более стабильных операционных систем типа Linux цифровые видеорегистраторы по надежности намного выше систем на базе ПК с операционными системами общего пользования. На рисунке 4.2 показана типовая схема системы охранного телевидения на базе управляемых камер и цифрового регистратора (DVR).
Рисунок 4.2 - Типовая ЦСОТ на базе DVR
В целом ЦСОТ имеют следующие отличительные особенности от аналоговых систем: - неограниченные возможности конфигурирования и модернизации; - высокую функциональность и настраиваемость под конкретный объект; - высокие характеристики скорости ввода видеоинформации и качества ее записи; - неограниченное время хранения записи и глубина архива; - быстрый доступ к архиву по различным критериям и приоритетам; - возможность удаленного доступа к видеоизображениям и архивам; - интеллектуальный детектор движения. Другим фактором, влияющим на качество отображения и записи видеоинформации, является используемый в системе алгоритм компрессии или сжатия оцифрованного изображения. На рынке цифровых технологий, в основном, представлены системы, использующие следующие типы компрессии: JPEG, MIPEG, MPEG-2, MPEG-4 (или Н-264 как развитие MPEG-4), Wavelet. Основные принципы сжатия видеоинформации сводятся к следующему: - сжатие данных внутри отдельного кадра; - оптимизация в передаче изменений между кадрами. Каналы передачи телевизионного сигнала. Для передачи телевизионного сигнала могут использоваться как проводные каналы связи (коаксиальные кабели, телефонные линии (витая пара), волоконно-оптические линии), так и беспроводные каналы - радиоканал или ИК-канал. Стабильная и качественная работа системы возможна при использовании коаксиальных кабелей. Одним из основных параметров высокочастотного кабеля является волновое сопротивление. Волновое сопротивление линии с малыми потерями определяется по формуле:
где Z — волновое сопротивление (Ом); Lк — индуктивность закороченной линии (Гн); Ск — емкость разомкнутой линии (Ф). При необходимости передачи сигнала на большие расстояния применяют видеоусилители и модемы (передатчики-модуляторы и приемники-демодуляторы). Установка видеоусилителя сигнала около монитора приведет в усилению как полезного сигнала, так и шумов, которые "насасывает" длинный кабель связи. В этом случае эффект зашумления видеосигнала на мониторе будет очевиден, и данный усилитель не восстановит "потерянные" в кабеле связи строки в видеосигнале. Видеоизображение будет стабильным, т.к. уровень входного сигнала на входе монитора будет стандартным, но сам сигнал будет иметь меньшее количество строк и меньшее отношение уровня сигнала к уровню шума. Поэтому усилитель видеосигнала должен устанавливаться около видеокамеры перед длинной линией связи. Такой усилитель должен иметь высокую линейность и, в зависимости от длины линии связи и расчетного затухания в ней, иметь определенный коэффициент усиления сигнала. Видеораспределители используются при необходимости трансляции видеосигнала нескольким потребителям. Основными характеристиками видеораспределителей являются входное и выходное сопротивления, а также количество выходов (количество возможных потребителей). Кабель "Twisted Pair" - витая паpа состоит из паp пpоводов, закpученных вокpуг дpуг дpуга и одновpеменно закpученных вокpуг дpугих паp, в пpеделах одной оболочки. Каждая паpа состоит из пpовода, именуемого "Ring" и пpовода "Tip". Данные названия пpоизошли из телефонии. Каждая паpа в оболочке имеет свой номеp, таким образом, каждый провод можно идентифициpовать как Ring1, Tip1, Ring2, Tip2,.... Дополнительно к нумеpации пpоводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему. Например, синий/белый для 1-ой паpы, оpанжевый/белый - для 2-й, зеленый/белый - для 3-й, коpичневый/белый - для 4-й и так далее. Когда количество пар невелико (4 пары), часто не применяется окраска основного провода полосками цвета дополнительного. В этом случае провода имеют цвет в парах - синий и белый с синими полосками, оранжевый и белый с оранжевыми полосками, зеленый и белый с зелеными полосками, коричневый и белый с коричневыми полосками. Для обозначения диаметра провода часто применяется американская мера - AWG (American Wire Gauge) (Gauge - калибр, диаметр). Согласно стандартам, провод делится на несколько категорий по своей пропускной способности. Обычно на проводе написано, к какой категории он относится. Например, "CATEGORY 5 UTP". Кабели «витая паpа» обладают целым рядом преимуществ по сравнению с коаксиальными кабелями такого же сечения – высокая помехоустойчивость за счет симметрирования видеосигнала, большая дальность передачи, более низкая стоимость. Передатчик, предназначенный для передачи цветных и черно-белых видеосигналов по кабелю типа «витая пара», представляет собой очень компактное устройство с встроенным BNC-разъемом для непосредственного подключения к камере. Благодаря низкой потребляемой мощности, питание передатчика может осуществляться прямо от камеры. В специальных системах видеонаблюдения, когда требуется повышенная помехозащищенность, конфиденциальность информации и высокая разрешающая способность, применяются волоконно-оптические линии связи. Дальность действия таких систем (как и при передаче по телефонным линиям) практически неограниченна. Относительная дороговизна систем с волоконно-оптическими линиями связи обусловлена тем, что видеокамеры не имеют выхода для подключения оптоволоконного кабеля, поэтому требуется вводить в систему преобразователи электрического сигнала в оптический и обратно. При создании мобильных и переносных систем, а также, если прокладка кабельных линий невозможна или нецелесообразна, используется радио - или инфракрасный каналы связи. Дальность передачи при этом составляет от нескольких сотен метров до нескольких километров. В простейшем случае камера подключается к радиопередатчику дециметрового диапазона, а сигнал принимается на обычный телевизор. Однако такие системы имеют существенные недостатки - могут создавать помехи бытовому телевещанию, а сигнал в зоне действия передатчика может принимать преступник. Этих недостатков лишены радиосистемы, работающие в сантиметровом диапазоне, а также инфракрасные системы. Последние не требуют разрешения на применение, однако, они работают только в зоне прямой видимости, а их дальность действия в значительной мере зависит от оптической плотности среды (снег, дождь, туман, пыль и т. п.). Системы питания. Основными напряжениями питания компонентов систем телевизионного видеоконтроля являются 220В переменного тока частотой 50 Гц и 12 В постоянного тока. От сети переменного тока напряжением 220 В питаются практически все мониторы, коммутаторы, квадраторы, мультиплексоры, видеомагнитофоны, видеопринтеры, поворотные устройства, гермокожухи, а также некоторые камеры. Напряжением 12 В постоянного тока питаются практически все камеры, а также некоторые устройства обработки видеосигнала (квадраторы, коммутаторы и т.п.) и поворотные устройства. В редких случаях питание компонентов систем видеонаблюдения осуществляется напряжением 24 В постоянного и переменного тока, а также 9 В постоянного тока. Нормативным документом, в котором сконцентрированы технические требования к системам CCTV, в том числе и к электропитанию, является ГОСТ Р 51558 - 2000 «Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний», впервые введенный в действие с 1.01.2001г. Буферные ЭПУ (рисунок 4.3) получили широкое распространение для питания аппаратуры видеонаблюдения. Достоинством буферной системы электропитания является: обеспечение аппаратуры бесперебойным питанием; обеспечение АБ роли динамического фильтра; возможность повышения мощности системы за счет параллельного включения преобразовательных устройств.
Рисунок 4.3 - Буферная система электропитания
|
(4.1)
