C.B. Быков, Е.А. Теличко

СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ.

Учебное пособие к

лабораторному практикуму

АБ-820, АЗ-823

Новосибирск – 2012

1. Цель работы

1. Знакомство с оборудованием, которое используется при создании систем видеонаблюдения.

2. Знакомство с возможностями компьютерного комплекса на основе оборудования AceCop.

3. Построение системы видеонаблюдения в соответствии с поставленной задачей.

4. Исследование характеристик видеосигнала.

2. Краткие сведения из теории

Телевизионная система наблюдения – это совокупность устройств, образующих замкнутую систему, предназначенную для передачи, хранения и воспроизведения визуальной информации о состоянии охраняемых зон, помещений и территории объекта. ТСН может быть как самостоятельным средством безопасности объекта, так и входить в состав интегрированным звеном системы безопасности.

Широкое распространение систем наблюдения началось относительно недавно, примерно 20-25 лет назад. Это связано с развитием электронной элементной базы. Только появление микросхем большой степени интеграции позволило создать устройства с достаточной надежностью и приемлемой ценой. Говоря о системах наблюдения необходимо отметить, что они разделяются на две группы. Это системы тепловидения и системы видеонаблюдения. Различие этих систем объясняется прежде всего использованием двух типов

Основные компоненты ТСН:

1. Устройства получения изображений (видеокамеры, тепловизоры).

2. Каналы передачи информации (проводные и беспроводные).

3. Устройства передачи телевизионного сигнала.

4. Устройства обработки и коммутации (свитчеры, квадраторы, мультиплексоры, матричные коммутаторы, детекторы движения).

5. Устройства отображения (мониторы).

6. Устройства регистрации (видеомагнитофоны, видеорегистраторы, видеопринтеры).

7. Дополнительные устройства: блоки питания, бесперебойники, устройства крепления, позиционирования и обеспечения рабочих условий (кронштейны, поворотники, климатические и защитные кожухи), прожектора и подсветки.

2.1. Устройства получения изображений

Принцип действия тепловизионных приборов основан на преобразовании естественного теплового излучения от объектов и местности в видимое изображение. Рабочая область спектра большинства тепловизионных приемников 8 … 12 мкм. Обязательным условием его формирования является наличие температурного контраста между объектом и местностью (фоном), а в пределах контура объекта – между его отдельными элементами. Современные тепловизионные приборы способны воспринимать температурные контрасты до 0,05 – 0,1 К (Кельвина).

Тепловизионные приборы имеют целый ряд достоинств: обеспечение больших дальностей видения независимо от уровня естественной освещенности, что позволяет им работать круглосуточно, возможность работы в условиях интенсивных световых помех и до определенной степени – при пониженной прозрачности атмосферы (туман, дождь, снегопад, пыль, дым и пр.).

Эти приборы способны воспринимать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого или ближнего инфракрасного (ИК) излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр. Это дает возможность наблюдать замаскированные или скрытые объекты.

Недостатком тепловизионных систем наблюдения является меньшая разрешающая способность, несовпадение получаемого изображения с реальным внешним видом объекта, необходимость принудительного охлаждения приемников, как следствие сложность конструкции и высокая цена.

Камеры систем видеонаблюдения работают в видимой области спектра и в близком инфракрасном диапазоне: 1мкм (инфракрасный диапазон) … 0.4 мкм (видимый свет синего цвета). Изображение, получаемое с камер, соответствует тому, что человек воспринимает невооруженным взглядом. Но для обеспечения круглосуточной работы необходимо принимать специальные меры (дополнительное освещение). Дождь, туман, снег, пыль очень сильно уменьшают дальность наблюдения и качество получаемого изображения.

Тепловизоры и видеокамеры имеют практически одинаковую структуру и различаются только матрицей, с помощью которой производится преобразование теплового или оптического сигнала в электрический, и конструкцией фокусирующей системы. На рис.1 показана блок-схема тепловизора или видеокамеры. Элементы характерные только для тепловизоров показаны пунктирной линией.

Опишем функции, выполняемые отдельными элементами, и физические принципы их работы.

Рис.1.

1. Фокусирующая система (объектив)

2. Преобразователь теплового или оптического сигнала в электрический (матрица)

3. Охладитель (только для тепловизоров)

4. Система регенерации охладителя (только для тепловизоров)

5. Модуль опроса матрицы

6. Усилитель (часто с автоматически регулируемым коэффициентом усиления)

7. Модуль формирования выходного сигнала.

Фокусирующие системы называют объективами. Для видеокамер и тепловизоров объективы различаются материалами, из которых делают их детали (линзы). Объективы тепловизоров могут изготавливаться из оптически непрозрачных материалов, тем не менее, хорошо пропускающих и преломляющих тепловые лучи. Объективы видеокамер изготавливают из высококачественных сортов стекла со сложными многослойными покрытиями. Основная задача объектива, формирование изображения, которое подвергается обработке на чувствительном элементе. На рис.2 изображена примерная конструкция простейшего объектива. Пунктирными линиями обозначены элементы, которые улучшают конструкцию простейшего объектива, обладающего низкими характеристиками.

Рис.2.

1. Корпус

2. Линзы

3. Диафрагма.

4. Световой поток

5. Фокусное расстояние объектива.

Корпус служит для конструктивного объединения элементов объектива, придает ему необходимую прочность и защищает от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды. Линзы служат для согласования размеров изображения с размерами чувствительного элемента, то есть формированию правильного изображения на светочувствительном элементе. Это возможно благодаря явлению преломления. Суть этого явления в том, что проходя через границу двух сред (воздух, стекло) оптический луч изменяет направление своего движения. Пример этого показан на рис.3.

Рис.3.

Преломление светового потока на линзах позволяет формировать необходимую траекторию его прохождения через объектив и попадание на матрицу.

Использование объективов с одной линзой имеет один главный недостаток: сильную аберрацию. Явление аберрации выражается в том, что в центре изображение более четкое, чем по краям. Кроме того, на краях изображения происходит искажение цветопередачи. Обусловлены подобные явления различным углом преломления для различных длин волн и разными путями, проходимыми лучами в материале линз. В связи с этим объективы делают из двух и более линз, что сильно уменьшает проявление эффекта аберрации и значительно улучшает другие оптические характеристики (дисторсия, светопропускание и т.п.). Диафрагма служит для регулирования интенсивности оптического потока, падающего на чувствительный элемент.

Объективы для видеокамер классифицируются по следующим признакам:

1. Фокусное расстояние

2. Относительное отверстие

3. Тип крепления

4. Наличие АРД

5. Размер формируемого поля изображения

1. Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах для конкретного формата матрицы и при прочих равных условиях определяет угол зрения. Более широкий угол обеспечивается меньшим фокусным расстоянием. И, наоборот — чем фокусное расстояние больше, тем меньше угол зрения объектива. Нормальный же угол зрения ТВ камеры эквивалентен, углу зрения человека, при этом объектив имеет фокусное расстояние, пропорциональное размеру диагонали матрицы ПЗС. Не стоит забывать, что для разных диагональных размеров матриц один и тот же объектив будет иметь различный угол обзора, различное разрешение и распределение яркости по полю изображения.

2. Относительное отверстие объектива - отношение диаметра светового отверстия объектива к величине главного фокусного расстояния. Простые объективы имеют постоянное относительное отверстие. Обычно объектив с АРД имеет два значения относительного отверстия (1:F) или апертуры. Полностью открытая диафрагма - F минимально, максимальное F - диафрагма закрыта. Значение F влияет на оптические характеристики выходного изображения. Малое F означает, что объектив пропускает больше света, соответственно, камера лучше работает в темное время суток. Объектив с большим F необходим, при высоком уровне освещенности. Такой объектив будет препятствовать “ослеплению” камеры, обеспечивая нормальный уровень сигнала даже в солнечный день на отражающих поверхностях. Высокие значения минимального относительного отверстия обеспечивают больший динамический диапазон рабочих освещенностей, при применении высокочувствительных камер. Многие объективы с автодиафрагмой используют фильтр нейтральной плотности для увеличения максимального F. Он представляет собой механически вводимое в оптическую систему объектива серое стекло, уменьшающее яркость изображения в 8, 16, 32 и т.д. раз. Апертура (F) влияет так же и на глубину резкости.

Глубина резкости показывает, какая часть пространства находится в фокусе. Большая глубина резкости означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе (при закрытой диафрагме возможно достижение бесконечной глубины резкости). Малая же глубина резкости позволяет наблюдать в фокусе лишь небольшой фрагмент поля зрения. На глубину резкости влияют определенные факторы. Так, объективы с широким углом зрения обеспечивают, как правило, большую глубину резкости. Высокое значение F свидетельствует также о большей глубине резкости. Наименьшая глубина резкости возможна ночью, когда диафрагма полностью открыта (поэтому объектив, сфокусированный в дневное время, ночью может оказаться расфокусированным).

3. Наибольшее распространение получили три типа крепления объективов. М12*0,5 – резьбовое соединение, используемое чаще всего в модульных и малогабаритных камерах. C-mount (C-резьба) - резьба 2,54x0,8 и расстояние до опорной плоскости ПЗС-матрицы 17,5 мм и CS-mount (C-резьба) - резьба 2,54x0,8 и расстояние до опорной плоскости матрицы 12,5 мм. Этот тип крепления находит большее распространение в камерах стандартного дизайна. Для установки объектива с “C” – резьбой на камеры с “CS” резьбой создано специальное переходное кольцо “C/CS”.

4. Объективы с ручной диафрагмой в основном используются для помещений, где уровень освещенности постоянный. Объектив с автодиафрагмой служит для достижения требуемого качества изображения. Видеоуправление (VD) представляет собой электронную схему видеодетектора, преобразующего видеосигнал в сигнал управления двигателем диафрагмы. Объективы с непосредственным управлением (DD) содержат усилитель постоянного тока и электродвигатель диафрагмы, сигнал управления поступает с камеры. Решающим фактором в выборе типа объектива является тип выхода управления на камере. Современные камеры имеют в большинстве случаев оба типа выхода.

5. Размер формируемого поля изображения влияет на совместимость объективов и камер по диагонали светочувствительного элемента. При этом оптимально использовать объектив с камерой, которая имеет соответствующий размер диагонали. Если же размер поля изображения объектива меньше диагонали матрицы, то произойдёт затемнение видеокартинки от камеры по краям. При большем размере поля изображения объектива, чем диагональ матрицы мы фактически не полностью используем разрешающую способность оптической системы объектива. Этот случай менее страшен, чем предыдущий, но при использовании камер высокого разрешения может внести свою лепту в ухудшение характеристик изображения.

Исходя из всех вышеперечисленных признаков и особенностей функционального применения, принято делить все объективы на пять больших групп:

1. Объективы с постоянной диафрагмой и постоянным фокусным расстоянием. Самые распространенные объективы для камер, используемых внутри помещений. Объективы это типа выпускаются с разными значениями фокусных расстояний, то есть имеют разные значения углов обзора. Это позволяет подобрать объектив таким образом, чтобы получить требуемый масштаб контролируемого камерой пространства.

2. Объективы с ручной диафрагмой и постоянным фокусным расстоянием. Это объективы подобные тем, которые использовались в старых фотоаппаратах. В современных системах наблюдения практически не применяются, но встречаются в системах, введенных в эксплуатацию ранее.

3. Объективы с АРД и постоянным фокусным расстоянием. Объективы этого типа чаще всего используются в системах наблюдения эксплуатирующихся в уличных условиях. Для регулировки диафрагмы используется видеосигнал с камеры, на которую устанавливается объектив. При уменьшении амплитуды видеосигнала диаметр диафрагмы увеличивается, и количество света поступающего на чувствительный элемент увеличивается. При увеличении амплитуды видеосигнала происходит обратный эффект, диаметр диафрагмы уменьшается. Объективы это типа выпускаются с разными значениями фокусных расстояний, то есть имеют разные значения углов обзора.

4. Объективы с АРД и переменным фокусным расстоянием. Данные объективы отличаются от описанных в предыдущем пункте тем, что имеют органы регулировки, позволяющие при монтаже камер изменять фокусное расстояние в широких пределах. Это позволяет использовать в системе наблюдения объективы одного типа, устанавливая фокусное расстояние в зависимости от условий наблюдения в каждой точке установки камеры. По сравнению с объективами с подстраиваемым фокусным расстоянием имеют большее значение оптических искажений. Система регулировки диафрагмы подобна описанной в предыдущем пункте.

5. Трансфокаторы - это моторизованные объективы с переменным фокусным расстоянием и АРД. Плавное изменение фокусного расстояния трансфокатора в заданном диапазоне достигается механическим перемещением оптических компонентов. В этих объективах органы регулировки соединены с исполнительными элементами, как правило, электромоторами. Это позволяет изменять фокусное расстояние и соответственно угол обзора в процессе эксплуатации системы наблюдения. Таким образом, есть возможность уточнять особенности окружающей обстановки, например, рассмотреть номер подъехавшего автомобиля. Трансфокатор позволяет многократно приближать область сильно удаленного объекта видеонаблюдения для получения его детального изображения. Фокусировка также реализуется моторным приводом соответствующего оптического блока. Для трансфокаторов особенно важна светосила при максимальных значениях фокусного расстояния, и лучшие модели имеют значение 1:2,8. Как правило, трансфокаторы устанавливаются на видеокамеры, размещенные на поворотном устройстве. Такая комбинация видеокамеры и трансфокатора позволяет эффективно наблюдать за движущимися объектами. При этом трансфокатор обеспечивает изображение объекта видеонаблюдения как общим планом, так и всех его деталей. Одной из основных характеристик трансфокатора является кратность увеличения, определяемая отношением максимального фокусного расстояния к минимальному. Наиболее совершенные оптические трансфокаторы имеют кратность изменения фокусного расстояния 30 и более раз. Для эффективного использования возможностей сильных увеличений требуется устанавливать трансфокатор на массивное и прочное основание, исключающее вибрацию.

Преобразователи оптического сигнала в электрический для видеокамер называют ПЗС-матрицами. Это расшифровывается как прибор с зарядовой связью. ПЗС матрицу можно рассматривать как двумерный массив из светочувствительных ячеек. Не вдаваясь в тонкости построения ПЗС отметим, что они могут работать в трех режимах: накопления, хранения, считывания. Увеличение длительности периода накопления способствует регистрации слабых оптических сигналов, но при наличии в поле зрения ярких источников света может произойти засветка изображения. Кроме того, при большом времени накопления видеокамера будет некорректно отображать движущиеся объекты. Для считывания информации о яркости отдельных участков зоны обзора камеры на управляющие выводы ПЗС подают определенную последовательность импульсов. При этом значение заряда перемещается между соседними ячейками ПЗС по направлению к внешнему выводу. Необходимую последовательность управляющих импульсов (с необходимыми длительностями и значениями амплитуд) формирует модуль опроса матрицы. Использование эффекта переноса заряда позволяет делать ПЗС матрицы с небольшим количеством внешних выводов при большом количестве светочувствительных ячеек. Характеристики ПЗС-матриц влияют на следующие параметры видеокамер: чувствительность, цветовая гамма формируемого изображения, разрешение. Как правило, более чувствительные ПЗС-матрицы устанавливаются в видеокамеры, предназначенные для работы с объективами с автоматической регулировкой диафрагмы. Это позволяет избежать засветок изображения в дневное время и обеспечивает формирование нормального изображения в ночное время. По цветовой гамме формируемого изображения камеры бывают черно-белые и цветные. Цветные камеры дают больше информации наблюдателю, но имеют в более высокую цену и меньшее разрешение по сравнению с черно-белыми. Это связано с тем, что для формирования цветного изображения за один пиксель изображение принимается три ячейки ПЗС-матрицы перед которыми на пути светового потока устанавливаются светофильтры: красный, синий, зеленый. В результате для формирования изображения с одинаковым, по сравнению с черно-белыми камерами разрешением необходимо создать матрицу с количеством ячеек в три раза больше.

Значения заряда при помощи усилителя преобразуются в напряжение, которое поступает на схему формирования выходного сигнала. Информация от камеры к устройствам отображения передается в последовательном виде. Каждый кадр, соответствующий изображению на ПЗС матрице передается в построчно. Затем производиться передача следующего кадра. Скорость передачи кадров, при которой изображение воспринимается наблюдателем как непрерывное равна 25 кадров/секунду. Подобный формат передачи данных называется «аналоговым» видеосигналом. Аналоговый видеосигнал содержит в своем составе помимо информации об интенсивности засветки каждого пикселя ПЗС матрицы служебные сигналы. Это кадровые и строчные импульсы. Они необходимы для синхронизации работы устройств отображения информации (мониторов, модулей оцифровки видеосигнала, видеомагнитофонов и т.д.).

Помимо видеокамер, передающих аналоговый видеосигнал, существуют видеокамеры, передающие информацию в цифровом виде. Необходимо отметить, что в данном случае идет речь о видеокамерах используемых для построения систем видеонаблюдения. Бытовые видеокамеры могут иметь как аналоговый выход, так и цифровой для быстрой передачи записанного на кассету изображения в устройство обработки. Из камер с передачей информации в цифровой форме в системах видеонаблюдения используются так называемые сетевые камеры. Камеры этого типа имеют в своем составе контроллер локальной сети Enternet10/100.

Легкость переоборудования и монтажа сети является одним из основных (но не единственных) привлекательных аспектов использования сетей для систем видеонаблюдения, не говоря уже о том, что современные сетевые системы видеонаблюдения достаточно часто используют уже существующую сетевую инфраструктуру. Впрочем, многие проектировщики систем создают отдельные параллельные сети, поскольку система видеонаблюдения становится более защищенной и, что важнее всего, не влияет на информационную нагрузку сети, предназначенной для обычного ежедневного обмена данными.

Использование подобных камер позволяет в некоторых случаях сократить монтажные затраты вследствие уменьшения длины соединительных проводов. При построении систем видеонаблюдения на основе таких камер расположенные территориально близко друг от друга камеры объединяются в группы по 4 – 8 камер. Камеры, входящие в одну группу подключаются к стандартным сетевым коммутаторам. Соединение коммутаторов с устройствами обработки информации производится только одним кабелем. На рис.4 показан пример построения системы видеонаблюдения на основе сетевых камер и сопутствующего оборудования.

Рис.4.

Недостаток подобных систем в том, что скорость передачи кадров от камер к пункту наблюдения может быть меньше 25 кадров/секунду, если не хватает пропускной способности канала. Причем чем больше камер входит в состав системы, тем ниже скорость.