3.5. Устройства обработки изображения
Простая концепция камера – монитор используется только в небольших системах охранного телевидения. В более крупных системах сигнал до воспроизведения на видеомониторе проходит через видеокоммутатор или другое оборудование, осуществляющее обработку видеосигнала.
Термин «устроиство обработки видеосигналов» относится к любому электронному устройству, выполняющему ту или иную обработку видеосигнала, переключение между несколькими входами, сжатие на один квадрант экрана, подъем высоких частот и др.
Самое простое и наиболее широко распространенное устройство, используемое в небольших и средних видеосистемах, – это последовательный видеокоммутатор
Последовательные видеокоммутаторы. Поскольку в большинстве систем охранного телевидения видеокамер больше, чем видеомониторов, то требуется устройство, последовательно
Рис.3.20. Подключение нескольких мониторов к
Одному источнику сигнала
Рис. 3.21. Видеокоммутатор
одной видеокамеры на сигнал другой. Такое устройство называется последовательным видеокоммутатором (или свитчером). Его нешний вид представлен на рис.3.21.
Последовательные видеокоммутаторы бывают разные. Самый простой – это 4-входовый видеокоммутатор, есть 6-, 8-, 12-, 16- и даже 20-входовые видеокоммутаторы. Не исключено и другое количество входов, хотя встречается реже.
На передней панели видеокоммутатора расположен ряд кнопок для каждого входа и, кроме переключателя для ручного выбора видеокамер, есть переключатель для включения видеокамер в последовательность или для их обхода. При помощи переменного резистора может быть изменено время наблюдения. Наиболее распространенная и целесообразная установка времени наблюдения составляет 2 – 3 секунды. Более короткое время слишком непрактично и будет утомлять глаза оператора, а более длительное время сканирования может привести к потере информации с тех видеокамер, которые не отображались в это время на экране. Так что в некотором смысле последовательные видеокоммутаторы – это всегда компромисс.
Кроме классификации по количеству видеовходов, последовательные коммутаторы можно классифицировать по наличию или отсутствию входов тревоги.
Если последовательный видеокоммутатор имеет входы тревоги, это означает, что срабатывание внешних нормально разомкнутых (N/0) или нормально замкнутых (N/C) «сухих» контактов может остановить последовательное переключение и отобразить на экране видеосигнал из зоны тревоги. В качестве источников сигнала тревоги могут служить различные устройства тревожной сигнализации.
Довольно часто, хотя нельзя назвать это правилом, простые последовательные видеокоммутаторы (без входов тревоги) имеют только один выход видеосигнала. Последовательные коммутаторы с входами тревоги довольно часто имеют два выхода, один – для вывода изображений в режиме последовательного переключения, другой – для вывода изображения по тревоге (второй выход часто называется «тревожный» или «spot»).
Последовательный видеокоммутатор (или, для краткости, коммутатор) – это самое экономичное устройство в цепи между совокупностью видеокамер и видеомонитором. Это не значит, что не существует более сложных и усовершенствованных последовательных коммутаторов. Существуют модели с функцией генератора текста (идентификация видеокамер, время, дата), множественными опциями конфигурации интерфейса RS-485 или RS-422 и ряд других.
Некоторые подобные модели имеют функцию подачи по коаксиальному кабелю или напряжения питания для видеокамеры, или синхронизирующих импульсов для синхронизации видеокамер.
Матричные видеокоммутаторы. Матричный видеокоммутатор (VideoMatrixSwitcher– VMS) – микропроцессорное устройство, позволяющее независимо распределять видеосигналы от большого числа источников между большим количеством потребителей. Матричный видеокоммутатор (VMS) является мозгом системы и входит в состав больших систем охранного телевидения.
Если мы расположим на схеме видеовходы против видеовыходов, то получим матрицу – отсюда и название «матричный». Довольно часто матричные видеокоммутаторы называют узловыми (cross – point). Узлы (или точки пересечения) – это электронные переключатели, которые в любой момент могут подключить любой вход к любому выходу, сохраняя при этом режим согласования нагрузки. Так, один видеосигнал может быть выбран одновременно более чем на одном выходе. А несколько входов могут быть выбраны для переключения по одному выходу, только в этом случае мы получим последовательное переключение между несколькими входами, так как иметь более одного видеосигнала на одном выходе в один момент времени невозможно.
Таким образом, матричный видеокоммутатор, по существу, представляет собой большой последовательный коммутатор с рядом усовершенствований:
VMS может контролироваться несколькими операторами. Вспомните: последовательный коммутатор имеет кнопки на передней панели, так что только один оператор может управлять системой в данный момент времени. Матричным видеокоммутатором может одновременно управлять несколько операторов и даже более. В этом случае каждый оператор обычно контролирует один видеоканал. В зависимости от модели VMS может быть достигнут определенный уровень интеллектуального управления. Операторы могут иметь равные или различные приоритеты, зависящие от их положения в структуре безопасности;
VMS обрабатывают сигналы со многих видеовходов и подают их на большое число выходов, но, что наиболее важно, их число может быть легко расширено просто добавлением модулей;
в состав VMS входят цифровые контроллеры для управления поворотными устройствами и объективами. Клавиатура обычно имеет встроенный джойстик или кнопки, служащие управляющими элементами, а в месте установки видеокамеры имеется так называемый PTZ – блок (приемник сигналов телеуправления), который по сути входит в систему VMS. PTZ – блок обменивается с матричным видеокоммутатором цифровой информацией и управляет поворотным устройством и вариообъективом и, возможно, другими дополнительными устройствами (такими как омыватель/очиститель стекла термокожуха видеокамеры);
VMS генерирует код идентификации видеокамеры, время, дату, имя оператора системы, сообщения тревоги в блоке выводимой на экран информации, накладываемой на видеосигнал;
VMS имеет множество входов и выходов тревоги и может быть расширен до практически любого их количества. Возможна любая комбинация тревог, вроде N/O (нормально разомкнутые контакты), N/C (нормально замкнутые контакты) и их логические комбинации OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ – НЕ), AND (И), NAND (И – НЕ);
мозгом устройства является микропроцессор, его использование позволяет матричным видеокоммутаторам выполнять сложные задачи по управлению видеосигналом и сигналами тревоги. Вечно растущие требования к мощности и производительности обработки приводят к тому, что микропроцессоры становятся все дешевле и мощнее. Сегодня эти сложные операции выполняет современный персональный компьютер. Вследствие этого установка VMS превращается в задачу программирования, сложную, но вместе с тем предоставляющую огромную мощность и гибкость: парольную защиту для обеспечения безопасности, регистрацию данных, тестирование системы, переконфигурирование по модему и пр. Последнее веяние – это использование графического интерфейса пользователя, сенсорных экранов, графического представления зоны наблюдения, модифицируемого при изменении зоны, и многое другое;
разработчику системы или руководителю VMS может показаться сложным устройством, но он прост и дружественен по отношению к оператору и, что еще более важно, быстр в отклике на чрезвычайные ситуации.
VMS стали достаточно интеллектуальными и мощными, так что стало возможным управление другими сложными устройствами. Это освещение в здании, кондиционирование воздуха, контроль открывания дверей и шлагбаумов на автомобильных стоянках, управление электроснабжением и другими ежедневными операциями, производимыми в определенное время суток или при конкретных обнаруживаемых обстоятельствах.
К сожалению, не существует стандарта или единого языка конфигурирования и программирования матричных коммутаторов, поэтому производители используют различные концепции и идеи.
Видеоквадратор – это прибор с аналоговыми входом и выходом, выполняющий цифровую обработку изображения и позволяющий выводить на экран видеомонитора изображение от четырех и более источников видеосигнала. Структурная схема представлена на рис.3.22.
Рис.3.22. Структурная схема видеоквадратора
158
Как и в случае любого цифрового устройства обработки изображений, важным аспектом работы является размер кадровой памяти, который определяет качество разрешения и скорость обработки изображений.
Типичная для современных видеоквадраторов емкость кадровой памяти составляет 512х512 или 1024х1024 пикселов. Первое сравнимо с разрешающей способностью видеокамеры, но эти 512х512 пикселов разбиваются на четыре изображения, икаждый квадрант будет иметь разрешение 256х256 пикселов, что приемлемо лишь для системы среднего уровня. Кроме того, каждый пиксел хранит информацию об уровне яркости (в черно-белых видеоквадраторах) и цветовую информацию (в цветных видеоквадраторах). Обычный черно-белый видеоквадратор хорошего качества дает 256 уровней серого, хотя для некоторых приложений достаточно 64 уровней. Цветные видеоквадраторы высокого качества дают более 16 млн цветов, то есть 256 уровней по каждому из трех первичных цветов (всего 2563).
Еще один важный аспект видеоквадратора – это время обработки изображения. Чтобы движение на экране было плавным, электроника должна обрабатывать каждое изображение на полевой частоте ТВ – системы (1/50 с или 1/60 с), только тогда на отображении не будет задержек и эффект оцифровки будет менее заметен. Такие «быстрые» приборы называются видеоквадраторами реального времени.
Если в системе больше четырех видеокамер, то решением может быть использование двухстраничных видеоквадраторов, в этом случае до 8 видеокамер могут переключаться последовательно в виде двух изображений с квадровым представлением. Большинство таких видеоквадраторов позволяет настраивать время отображения между переключениями
Другая очень удобная характеристика, свойственная большинству видеоквадраторов, – это входы тревоги. При получении сигнала тревоги соответствующая видеокамера переключается с квадрового режима на полноэкранный. Обычно это режим реального времени, то есть аналоговый сигнал отображается без цифровой обработки и хранения в кадровой памяти. Переключение по тревоге в полноэкранный режим особенно важно в режиме видеозаписи. Независимо от того, насколько хорошим кажется выходной сигнал с видеоквадратора, при записи на VHS – магнитофон разрешающая способность ограничивается возможностями видеомагнитофона. Это составляет 240 ТВЛ (мы обсудим это позже в разделе, посвященном видеомагнитофонам) для цветного сигнала и около 300 ТВЛдля черно-белого. При воспроизведении в квадровом режиме с видеомагнитофона очень трудно сравнивать детали в таком изображении с тем, что было в исходном изображении в режиме реального времени. По этой причине система может быть спроектирована таким образом, чтобы при срабатывании датчика тревоги происходил переход с квадрового отображения на полноэкранное.
Однако если требуется запись полноэкранного изображения, то следует осторожно относиться к выбору видеоквадратора с функцией увеличения при воспроизведении. Они могут выглядеть так же, как и устройства с входами тревоги, но на самом деле они не поддерживают запись полноэкранного изображения, как этого можно было бы ожидать; вместо этого они электронным образом «раздувают» записываемые квадранты на полный экран. Разрешение таких увеличенных изображений составляет лишь четверть (1/2 по вертикали и 1/2 по горизонтали) того, что должно быть.
Видеомультиплексоры. Эволюция устройств цифровой обработки изображений сделала видеомультиплексоры лучшей альтернативой видеоквадраторам, особенно для записи. Видеомультиплексоры – это устройства, выполняющие временное мультиплексирование входных видеосигналов и дающие два типа выходных видеосигналов – один для просмотра и один для записи.
Наличие видеомультиплексора позволяет показывать изображения со всех видеокамер на одном экране одновременно. То есть, если у нас есть 9-канальный видеомультиплексор с 9 видеокамерами, то все они будут представлены на экране в виде мозаики 3x3 (мультиэкранное отображение). Та же концепция применима к 4- и 16-канальным видеомультиплексорам. В большинстве видеомультиплексоров любая видеокамера может быть выбрана для полноэкранного отображения. Пока на видеовыходе воспроизводятся эти изображения, на магнитофонный выход видеомультиплексора посылаются разделенные по времени мультиплексированные изображения со всех видеокамер, выбранных для записи. Это разделенное по времени мультиплексирование похоже на быстрый последовательный видеокоммутатор с той лишь разницей, что все видеосигналы синхронизированы для последовательной записи на видеомагнитофон. Структурная схема видеомультиплексора представлена на рис.3.23.
Рис.3.23. Структурная схема мультиплексора
Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, выполняющие лишь быстрое переключение каналов (для записи) и вывод полноэкранных изображений, без функции мозаичного воспроизведения. Такие устройства называются frameswitcher (коммутатор кадров), причем при записи они ведут себя подобно видеомультиплексорам (более распространенное название – симплексный видеомультиплексор).
Вместо того чтобы записывать одну видеокамеру несколько секунд, затем другую и т.д. (что делает последовательный видеокоммутатор), видеомультиплексор обрабатывает видеосигнал таким образом, что каждое следующее поле, посылаемое на видеомагнитофон, исходит от другой видеокамеры (обычно следующего по порядку входа).
Итак, в действительности мы имеем на выходе очень быстро переключаемый сигнал, который переключается со скоростью, соответствующей скорости записывающих головок. Эта скорость зависит от типа видеомагнитофона и от режима записи. Вот почему так важно настроить видеомультиплексор на выходную скорость, соответствующую конкретному видеомагнитофону. Это можно сделать в меню установок любого видеомультиплексора. Кроме синхронизации выхода (MUX – VCR), теоретически нужна еще и синхронизация входов (камеры – MUX), но поскольку видеомультиплексоры являются цифровыми устройствами обработки изображения, то приведение всех синхроимпульсов от видеокамер к единой временной базе происходит в самом видеомультиплексоре. То есть сигналы различных видеокамер могут быть «смешаны» в одном видеомультиплексоре, и нет никакой необходимости их синхронизировать.
Однако на рынке встречаются и другие модели видеомультиплексоров, которые осуществляют внешнюю синхронизацию видеокамер посредством синхроимпульсов, передаваемых по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Эти модели видеомультиплексоров не теряют времени на временную коррекцию синхроимпульсов и поэтому должны работать быстрее (другое решение проблемы – использование в видеомультиплексорах двух параллельно работающих процессоров, осуществляющих поочередную оцифровку входных видеосигналов, в результате отсутствует время на ожидание прихода начала поля следующей несинхронизированной видеокамеры).
Рис.3.24. Результат обработки сигнала мультиплексором
Если необходимо воспроизведение, то выход видеомагнитофона вначале обращается к видеомультиплексору, затем видеомультиплексор извлекает сигнал выбранной видеокамеры и посылает изображение на видеомонитор. Видеомультиплексор может отобразить любую видеокамеру на полном экране или воспроизвести все записанные видеокамеры в мозаичном режиме несколько изображений одновременно).
Симплексные и дуплексные видеомультиплексоры.Многие видеомультиплексоры позволят вам просматривать изображения с любой выбранной видеокамеры в мозаичном режиме. Если нужно просмотреть записанную ленту, то вначале сигнал с выхода видеомагнитофона поступает не на видеомонитор, а на видеомультиплексор, где происходит декодирование сигналов. В этот момент видеомультиплексор не может быть использован для записи. Итак, если необходимо одновременно сделать запись и просмотреть изображение, то потребуется еще один видеомультиплексор и видеомагнитофон. Видеомультиплексоры, которые в конкретный момент времени могут выполнять только одну задачу, называются симплексными.
Но бывают и дуплексные видеомультиплексоры, фактически представляющие собой «два в одном» – два видеомультиплексора в одном корпусе – один для записи, другой для воспроизведения. Если требуется одновременное воспроизведение и запись, то потребуется два видеомагнитофона.
Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, называемые триплексными. Эти устройства обладают той же функциональностью, что и дуплексные, но вдобавок могут воспроизводить на одном экране комбинацию из наблюдаемых в данный момент и воспроизводимых с видеомагнитофона изображений на одном видеомониторе.
Видеомультиплексоры, как и видеоквадраторы, могут быть черно-белыми или цветными. Кадровая память тоже имеет ограничения. Наиболее узким местом в смысле разрешающей способности является сам видеомагнитофон.