Телевизионные камеры и объективы

 

Телевизионная камера (ТВК) - это устройство, преобразующее оптическое изображение охраняемой зоны в электрический видеосигнал. Телевизионная камера является "глазами" системы охранного телевидения. От выбора телеви­зионной камеры зависит, что будет видеть на экране видеомонитора оператор в заданных условиях. Если необходимо не только следить за общей обстанов­кой в охраняемой зоне, но и идентифицировать людей, определять номер ав­томобиля и т.д., проектировщик должен выбрать ТВК с действительно необхо­димыми характеристиками и функциями. Причем, на первое место при выборе ТВК (да и всего остального оборудования СОТ) должно ставиться требование обеспечения необходимой безопасности объекта, а не стоимость камеры, что в некоторых случаях и происходит. Для правильного выбора ТВК для СОТ проек­тировщику необходимо четко знать и понимать технические характеристики ТВК, влияющие, в конечном итоге, на качество изображения.

Телевизионная камера состоит из:

- фотоэлектрического преобразователя;

- устройства формирования видеосигнала (предварительное усиление видеосиг­нала);

- видеоусилителя (усиление видеосигнала до необходимого уровня - 1В и его обработка);

- системы автоматической регулировки уровня сигнала (поддер­живает видеосигнал на постоянном уровне)

- источника питания (источник питания может быть как встроенный, так и отдельный).

Фотоэлектрический преобразователь - устройство, преобразующее оп­тическое изображение зоны наблюдения ТВК в электрический сигнал, который затем усиливается, обрабатывается и поступает на выход.

В подавляющем большинстве случаев в настоящее время в ТВК приме­няют фотоэлектрические преобразователи, выполненные на приборах с заря­довой связью (ПЗС), представляющие из себя матрицу из миниатюрных фото­приемников (МОП-конденсаторов). Когда свет попа­дает на фотоприемник, происходит накопление заряда, причем величина заря­да зависит от интенсивности светового потока. Затем заряд считывается и пре­образуется в электрический видеосигнал определенного телевизионного стан­дарта.

Стандарт видеосигнала - принцип кодирования информации в электри­ческом сигнале.

Существует два наиболее распространенных стандарта видео­сигнала черно-белого изображения стандарт американской ассоциации произ­водителей электроники (Electronic Industry Association) EIA и стандарт междуна­родного консультативного комитета по радиосвязи (Comite Consultatif Interna­tional des Radiocommunication) CCIR.

В цветном телевидении наиболее распространены три стандарта видеосигнала:

- разработанный и принятый в США стандарт NTSC {National Television Sys­tem Colour);

- разработанный во Франции стандарт SECAM (Sequentiel couleur a mem-oire), принятый, кстати, в России как стандарт вещательного телевидения;

- разработанный в Германии стандарт PAL (Phase alternation line).

Чувствительность - минимальная освещенность охраняемой зоны, при которой на выходе камеры присутствует полный видеосигнал определенной амплитуды (1 В) и глубины модуляции при определенном отношении сиг­нал/шум.

Отношение сигнал/шум - измеряется в децибелах (дБ) и характеризует качество изображения. При отношении с/ш более 45 дБ на экране наблюдается чистое без помех изображение. При отношении с/ш менее 30 дБ из-за шума почти вообще ничего нельзя разобрать.

Конечно, сигнал с фотоэлектрического преобразователя можно усилить, однако, следует помнить, что вместе с сигналом усиливается и шум. Следова­тельно, чем меньше уровень сигнала, тем меньше отношение сигнал/шум, т.е. хуже качество изображения.

Разрешение ТВК - максимальное воспроизводимое телевизионной каме­рой количество переходов от черного к белому. Разрешение измеряется в те­левизионных линиях (ТВЛ). Различают разрешение по вертикали и по горизон­тали. Разрешение по вертикали жестко привязано к стандарту изображения и равно 625 или 525 ТВЛ, а разрешение по горизонтали определяется количест­вом чувствительных элементов в фотоэлектрическом преобразователе (обычно считается, что разрешение ТВК равно 3/4 от количества чувствительных элементов.-приведенных в паспорте на ТВК).

Оптический формат - размер светочувствительной области фотоэлек­трического преобразователя. Основные форматы фотоэлектрических преобра­зователей на ПЗС и их размеры приведены в табл. 2.1. При определении оптического формата для ТВК необходимо следить за тем, чтобы оптический формат объектива был равен или больше оптическо­го формата ТВК. Если оптический формат объектива окажется меньше, то на экране видеомонитора вокруг изображения будет черная рамка.

  Таблица 2.1

Оптические форматы и размеры фотоэлектрических преобразователей на ПЗС

Оптический формат, дюйм	Ширина (v), мм	Высота (п), мм
1	12,8	9,6
2/3	8,8	6,6
1/2	6,4	4,8
1/3	4,9	3,7
1/4	3,6	2,4

Фокусное расстояние объектива - вместе с оптическим форматом опре­деляет угол зрения объектива телевизионной камеры.

Чем меньше фокусное расстояние объектива, тем больше его угол зрения (больше видно), но детали изображения мельче, и наоборот, чем больше фо­кусное расстояние объектива, тем меньше угол зрения (меньше видно), но де­тали изображения крупнее. Простыми словами, с увеличением фокусного рас­стояния объектива изображение "приближается".

Цифровое выражение предыдущей мысли - в табл. 2.2, а строго матема­тически зависимость угла зрения от фокусного расстояния и оптического фор­мата объектива определяется формулой:

α_v=2*arctg(2f/v)                                         (2.1)

где: α_v - угол зрения ТВК по горизонтали;

v - ширина фотоэлектрического преобразователя на ПЗС;

f - фокусное расстояние объектива.

Примечание. Величину угла зрения ТВК по вертикали (α_v) можно вычислить по аналогичной формуле, подставив вместо ширины (v) - высоту (h) фотоэлектрического преобразователя.

Зависимость угла зрения от фокусного расстояния

 Таблица 2.2

Фокусное расстояние, мм	Оптический формат
	1/3"	1/2"	2/3"	1"
2.8	98°	—	—	—
4	64°	86°	—	—
6	42°	58°	—	—
8	33°	42°	55°	—
12	22°	30°	—	—
16	17°	23°	30°	43°
25	11°	14°	19°	28°
50	5.5°	7°	10°	15°
75	3.6°	5°	6.6°	10°
100	—	—	5°	—
150	—	—	—	4,9°
235	—	—	—	3,1°
350	—	—	—	2,1°

Примечание. У разных фирм показатели угла зрения объектива одного и того же формата и фокусного расстояния могут незначительно отличаться.

Рис. Взаимосвязь между фокусным расстоянием, углом обзора и размером изображения.

Тип узла присоединения объектива - тип резьбы и расстояние до плос­кости фотоэлектрического преобразователя для установки сменного объектива (для ТВК, не имеющих встроенного объектива). Применяются ТВК с двумя ти­пами узлов присоединения объективов:

- тип "С" - резьба 2,54x0,8 мм расстояние до плоскости фотоэлектрического преобразователя 17,5 мм;

- тип "CS" резьба 2,54x0,8 мм расстояние до плоскости фотоэлектрического преобразователя 12,5 мм.

Камеры с узлом "С"-типа могут работать только с объективами "С"-типа, а ТВК с узлом "CS''-типа работают с объективами "CS"-типa, а также допускают установку объектива "С"-типа с адаптером (кольцо, шириной 5 мм).

Напряжение питания - показывает тип и напряжение подключаемого к ТВК источника питания. Большинство ТВК питаются либо от сети переменного тока напряжением 220 В/50 Гц, либо от источника постоянного тока, напряже­нием 12 В. Существуют также ТВК, питающиеся другим напряжением, напри­мер, 24 В/50 Гц, 9 В и др., которые могут применяться для различных специ­альных объектов.

В телевизионные камеры обычно встраиваются устройства, помогающие ТВК адаптироваться к различным условиям освещенности, обрабатывающие видеосигнал для улучшения качества изображения и т.д.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) - способность ТВК изме­нять коэффициент передачи усилителя видеосигнала в зависимости от уровня видеосигнала, т.е. от уровня освещенности.

Электронный затвор - устройство (элемент конструкции фотоэлектриче­ского преобразователя), позволяющее ТВК адаптироваться к изменяющимся условиям освещенности путем изменения времени накопления заряда. Изме­ряется в секундах и обычно регулируется в пределах от 1/50 до 1/100000 с, следовательно, чувствительность изменяется в 2000 раз.

Автодиафрагма - выход ТВК для управления объективом с автодиафрагмой.

Характеристики приведены в порядке увеличения глубины регулировки, т.е. при небольших изменениях уровня освещенности достаточно АРУ (напри­мер, в помещениях с неизменной освещенностью), при больших изменениях (лестница, коридор) - необходим электронный затвор, а при больших измене­ниях (наблюдение открытых площадок, периметра) - автодиафрагма.

Компенсация засветки фона - способность ТВК автоматически устанав­ливать диафрагму объектива и параметры АРУ не по всему полю изображения, а по его фрагменту.

Представим себе ситуацию: ТВК установлена в помещении так, что в ее зону наблюдения попадает окно (ярко освещенное днем). Освещенность за ок­ном около 30000 - 50000 лк, а в помещении - 300 - 500 лк. Теперь если человек будет входить в охраняемую зону от окна, то вместо его изображения на экране монитора будет темный силуэт на ярко освещенном фоне. Происходит это по­тому, что обычно сигнал управления автодиафрагмой объектива вырабатыва­ется путем усреднения освещенности по полю изображения. Вот и получается, что из-за высокой освещенности часть поля изображения, соответствующая ок­ну, имеет больший вес в формировании сигнала управления автодиафрагмой. Для устранения этого эффекта и используется функция компенсации засветки фона: в данном случае ТВК усредняет освещенность по какому-либо выбран­ному или заранее установленному фрагменту изображения, например, по цен­тру.

Рабочие климатические условия - показывают диапазон рабочих темпе­ратур (как правило, от минус 10 до плюс 50 °С), температур хранения (от минус 20 до плюс 70), максимальную относительную влажность (не более 95 % без конденсации), а также вибрационные (Зg) и ударные (50g, 10 мс) нагрузки.

Объектив - это устройство, проецирующее изображение охраняемой зоны на фотоэлектрический преобразователь.

Объектив определяет параметры зоны наблюдения ТВК, режим распо­знавания и, в конечном итоге, качество изображения охраняемой зоны. Поэтому к выбору объектива для ТВК необходимо относиться не менее ответственно, чем к выбору телевизионной камеры. Для правильного выбора объектива рас­смотрим его основные технические характеристики.

Фильтры являются составной частью объектива ТВК. Применение допол­нительных цветных фильтров позволяет изменить значение в шкале серого для разный цветов. Без применения фильтра красный цвет имеет разные оттенки в шкале серого при солнечном и искусственном освещении, в яркий солнечный день зеленый цвет в тени может приобрести голубоватый оттенок, что делает изображение слишком светлым. Поэтому очень важно правильно выбрать тот тип фильтра, который необходим в конкретной ситуации.

Желто-зеленый фильтр (480 - 750 нм). Делает красный цвет темнее, а зеленый светлее. Люди при естественном освещении отображаются более чет­ко. Повышается общая четкость изображения за счет подавления света в боль­шом диапазоне длин волн.

Инфракрасный фильтр (800 - 5000 нм). Это непрозрачный для видимого света фильтр применяется для отфильтровывания дневного света, например, для наблюдения с помощью ТВК, работающих в инфракрасной области. Про­пускает небольшое количество света в красной части спектра.

Поляризационный фильтр. По-разному пропускает свет, отраженный от различных неметаллических поверхностей (стекло, пластик, дерево и др.). Уве­личивает цветовую насыщенность, снижает дымку, улучшает тональное вос­произведение неба. Поляризационный фильтр блокирует инфракрасный свет и увеличивает контраст изображения.

Нейтральный фильтр. Одинаково пропускает свет во всем видимом спектральном диапазоне. Используется, например, для настройки ТВК с авто­диафрагмой на резкость (для полного открытия автодиафрагмы).