Телевизионные камеры для использования в целях безопастности
НИЦ "Охрана" ВНИИПО МВД России в настоящее время разрабатывает ГОСТ Р "Системы видеоконтроля. Общие технические требования и методы испытаний." Данный документ позволит создать нормативную базу для проведения сертификационных испытаний этого вида аппаратуры. По мнению редакции, предлагаемые в статье рекомендации по выбору систем замкнутого телевидения имеют несомненную практическую ценность.
"Глаза" любой телевизионной системы видеоконтроля (ТСВ) - ее телекамера (ТК). Именно от выбора ТК зависит, что будет видеть оператор на экране видеомонитора (и будет ли видеть что-нибудь вообще). Если вы хотите обозревать не только общую обстановку в комнате, но и узнавать знакомого или незнакомого человека, читать номер автомобиля и т.д., то дешевизна не должна стать основным критерием при выборе камеры.
Хотя в последнее время телевизионные системы перестали быть редкостью (скорее стали необходимостью при формировании системы безопасности объекта), в большинстве случаев Заказчик не настолько подготовлен, чтобы самому разобраться в многообразии ТК, представленных на Российском рынке, и выбрать именно те камеры, которые будут наиболее оптимально подходить для выполнения поставленной задачи.
В этой статье сделана попытка наиболее полно описать технические характеристики камер, необходимые для выбора ТК, а также принципы их выбора и применения.
Технические характеристики телевизионных камер
Телевизионная камера (ТК) - устройство, преобразующее световой поток, отраженный от объекта, в электрические сигналы, используя физические и химические свойства фоточувствительных материалов. Цель камеры- обеспечить быстрое получение надежной видеоинформации.
Камера содержит следующие основные компоненты (рис. 1):
- датчик изображения (в настоящее время датчиком изображения в подавляющем большинстве ТК является ПЗС-матрица, поэтому ниже речь идеттолько о таких датчиках):
- устройство синхронизации:
- видеоусилитель;
- устройство управления (схема АРУ),
а также в некоторых камерах - встроенный блок электропитания.
Оборудованной телевизионной камерой называется устройство, содержащее собственно телевизионную камеру, соответствующий объектив и необходимое вспомогательное оборудование (кронштейны, специальные кожухи, поворотные устройства, блоки питания и др.).
Полный видеосигнал (ЛВС) - состоит из сигнала изображения (видео), сигнала гашения и синхрокомпонент (сигнал синхронизации). Амплитуда полного видеосигнала на выходе камеры (не имеются ввиду дешевые камеры неизвестного происхождения) должна составлять 1 Вр-р на согласованной нагрузке 75 0м.
Сигнал изображения - часть полного видеосигнала, содержащая информацию об изображении.
Сигнал синхронизации - сигнал, поданный на камеры и заставляющий их генерировать изображения синхронно. Все оборудование в телевизионной системе должно переключаться от кадра к кадру одновременно, для исключения срывов изображения. Это особенно важно при большом количестве ТК в системе. Синхронизация может быть как внутренняя (от встроенного в камеру кварцевого генератора), так и внешняя. В свою очередь, камеру с внешней синхронизацией можно синхронизировать несколькими способами:
-от сети питания:
- от специального устройства - синхрогенератора;
- от другой, выбранной ведущей, телевизионной камеры.
Пиксель - элемент разложения (светочувствительный элемент), который является самой маленькой деталью изображения. ПЗС-матрица состоит из определенного количества пикселей по вертикали и горизонтали, которое должно указываться производителем камеры в паспорте. Количество пикселей (обычно от 270 000 до 440 000) определяет такую важнейшую характеристику ТК, как разрешающая способность. Чем больше количество пикселей размещается на ПЗС-матрице, тем выше четкость и качество получаемого от камеры изображения.
Разрешающая способность ТК определяет максимальное количество переходов от черного к белому и обратно, которые могут быть получены от камеры в центральной области величиной в 3/4 экрана, и характеризует, насколько близко друг к другу могут подойти два точечных объекта наблюдения, чтобы их изображение не слилось. Измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ).
Как уже говорилось выше, разрешающая способность ТК зависит от количества пикселей в ПЗС-матрице по вертикали и горизонтали и составляет уж никак не больше 3/4 от их количества. На самом деле разрешение камеры по вертикали не указывается, а определяется стандартом выходного видеосигнала. Например, для CCIR-камеры разрешение по вертикали равно 625 ТВЛ, а для EIA-камеры - 525 ТВЛ.
При определении разрешающей способности должны указываться отношение сигнал/шум, коэффициент модуляции и освещенность, при которых получено данное значение.
Чувствительность ТК - минимальная освещенность на датчике изображения, необходимая для производства камерой определенной амплитуды (обычно 1 В) полного (цветного) видеосигнала с определенным отношением сигнал/шум. Производители телевизионных камер могут по разному измерять и указывать ее чувствительность:
— как минимальную освещенность на объективе ТК (при этом обязательно должна указываться светосила объектива);
- определять чувствительность для -6 дБ видеосигнала (то есть при этой чувствительности на выходе ТК вы получите всего половину амплитуды видеосигнала);
- при других, как правило, известных только производителям, условиях.
Размер датчика изображения - размер светочувствительной поверхности датчика. Его значение выражается в дюймах. В настоящее время в большинстве представленных на российском рынке камерах используются датчики изображения размером:
1 дюйм 12,8 х 9,6 мм (16 мм диагональ);
2/3 дюйма 8,6 х 6.6 мм (11 мм диагональ);
1/2 дюйма 6,4х4,8 мм (8 мм диагональ);
1/3 дюйма 4,8 х 3,6 мм (6 мм диагональ).
Датчики изображения размером 1/4", как правило, применяются для сверхминиатюрных камер, используемых, например, для скрытого наблюдения.
Уровень черного - уровень электрического сигнала в полном видеосигнале, представляющий из себя оптический черный. В телевизионной камере может применяться специальное устройство автоматической привязки к черному, которое определяет самую темную часть изображения как оптический черный, повышая в некоторых случаях контрастность изображения.
При использовании камеры в условиях сильно изменяющейся освещенности для поддержания выходного видеосигнала в определенных пределах в камерах предусмотрены специальные устройства и схемы:
Электронный затвор - устройство, встроенное в ПЗС-матрицу камеры, которое изменяет чувствительность камеры путем управления временем накопления электронного заряда. Обозначается обычно 1/50, 1/100000 и т.д.
Электронная диафрагма - автоматический электронный затвор, который изменяет чувствительность камеры относительно изменяющихся условий освещенности так, чтобы поддержать выходной видеосигнал в определенных пределах.
Гамма - коррекция - нелинейная обработка сигнала, которая корректирует шкалу градаций серого на изображении. Обычно этот коэффициент имеет значение от 0.45 до 0.7. Использование данной коррекции улучшает визуальное восприятие изображения, как бы подчеркивая его контур.
Ограничитель белого - схема внутри камеры, ограничивающая максимальное напряжение белого в выходном видеосигнале на определенном уровне.
Компенсация заднего света (КЗС) - способность камеры автоматически устанавливать выдержку, диафрагму и параметры усиления по некоторому фрагменту изображения (обычно по центру).
Представьте ситуацию: вам необходимо наблюдать за входной дверью, например, в банк. На улице яркий солнечный день, посетитель открывает входную дверь, и вместо ожидаемого изображения посетителя оператор видит лишь его темный силуэт. Вот для того, чтобы видеть нетемный силуэт, а четкое изображение посетителя, и необходимо иметь в камере схему компенсации заднего света.
Канал звука - обеспечивает акустический контроль контролируемого помещения с помощью встроенного в камеру микрофона. Для организации двунаправленного аудиоканала в камеру, кроме микрофона, встраивается динамик.
Узел крепления объектива - если камера не имеет встроенного объектива, в ее конструкции предусмотрен узел присоединения для установки сменных объективов. Применяются два типа стандартных конструкций узлов присоединения:
тип "С" - резьба 2.54х0.8 и расстояние до опорной плоскости ПЗС-матрицы 17,5 мм;
тип "CS" - резьба 2.54х0.8 и расстояние до опорной плоскости матрицы 12,5 мм.
Камеры с "C''-креплением могут работать только с объективами типа "С" (при попытке поставить на С-камеру CS-объектив изображение получиться размазанным, так как объектив будет фокусировать изображение не на ПЗС-матрице. а до нее), а камеры с "CS"-креплением допускают подсоединение любого типа объективов (при этом объектив типа "С" необходимо применять с адаптером крепления).
Узел крепления камеры - предназначен для установки камеры в кожухе, на кронштейне и т. п. Большинство выпускаемых ТК имеют узел крепления 1/4" - 20 UNC или 3/8" -16 UNC.
Напряжение питания - большинство телекамер питаются либо от сети переменного тока 220 В/50 Гц или 24 В/50 Гц, либо от источников постоянного тока напряжением 12 В. Реже используется постоянное напряжение 9 В.
Мертвая зона - не просматриваемая часть зоны видеоконтроля под телевизионной камерой (рис. 2).
Размер мертвой зоны может быть определен по формуле: L=L1+h-tg(b-av/2), где L1 - расстояние от стены до объектива ТК, м:
h - высота установки ТК, м;
V - угол зрения объектива ТК по вертикали:
I - угол между вертикальной осью и осью ТК (угол наклона ТК).
Классификация телевизионных камер
Телевизионные камеры можно классифицировать по следующим признакам:
1. По виду получаемого видеоизображения:
- при черно-белом изображении выходного видеосигнала могут использоваться стандарты:
a)CCIR;
б) Е1А;
- при цветном изображении выходного видеосигнала используются стандарты:
a) PAL;
б) SECAM;
в) NTSC.
2. По чувствительности:
Класс I - телевизионные камеры, работающие при дневном освещении, то есть до заката (примерно 50 лк);
Класс II - телевизионные камеры, работающие при низком освещении, то есть до сумерек (приблизительно 4 лк);
Класс III - телевизионные камеры, работающие при лунном свете, то есть при освещенности, соответствующей свету четверти луны безоблачной ночью (0,1-0,4 лк);
Класс IV - телевизионные камеры, работающие при свете звезд, то есть при освещенности, соответствующей свету звезд безоблачной ночью (0,0007-0,002 лк);
Класс V - инфракрасные ТК, то есть телевизионные камеры, в которых используются инфракрасные источники для работы при полном отсутствии видимого освещения.
Примеры типичных уровней освещения:
- хорошо освещенная автомагистраль ночью: 10 лк;
- лестница или коридор: 60 лк;
- офис или магазин: 250-500 лк.
Не все телевизионные камеры могут работать при инфракрасном свете. Характеристики цветных камер отвечают характеристикам человеческого зрения, а большинство черно-белых камер используют часть красной и инфракрасную область. Поэтому при выборе ТК для конкретного объекта необходимо учитывать тип источника света и спектральную характеристику датчика изображения ТК.
3. По разрешающей способности:
а) обычного разрешения (до 380 ТВЛ);
6) повышенного разрешения (от 380 до 500 ТВЛ);
в) высокого разрешения (свыше 500 ТВЛ).
4. По виду защиты от условий окружающей среды:
Класс I - внутренний - жилое помещение или офис (отапливаемые);
Класс II - внутренний общий (склад и т.п.);
Класс III - наружный, защищенный от прямого дождя и солнечного света, или внутренний с экстремальными условиями;
Класс IV - наружный общий.
Выбор телевизионной камеры
Чтобы телевизионная система не стала просто дорогой игрушкой, перед покупкой надо заблаговременно решить ряд вопросов: о составе системы, ее задачах, местоположении, количестве ТК. Можно попробовать сделать это самостоятельно (если позволяет квалификация) или пригласить специалистов для выбора необходимого оборудования.
Количество камер
Первым делом необходимо определить зоны, которые потребитель хочет охранять с помощью телевизионной системы видеоконтроля, то есть зоны видеоконтроля. Как правило, этими зонами являются места наиболее вероятного проникновения преступника (двери, окна и др.) и места непосредственного сосредоточения материальных ценностей (склад, касса, торговый зал, кабинеты руководства и др.) Количество зон видеоконтроля зависит только от "аппетита" потребителя или тех средств, которые он хотел бы потратить на систему видеоконтроля. Зон видсоконтроля может быть сколько угодно: от одной-двух (например, входная дверь и торговый зал) до нескольких десятков или сотен, включающих большинство помещений объекта. Таким образом, определяется приблизительное количество камер в системе и, следовательно, другое необходимое оборудование для оснащения ТК, обработки сигнала, отображения видеоинформации и др.
Черно-белая или цветная ТК
После определения количества камер потребитель должен решить, какие телевизионные камеры (черно-белые или цветные) ему необходимы. Цветные телекамеры позволяют получить более информативное изображение, чем черно-белые, однако они обладают худшей чувствительностью, разрешающей способностью (хотя есть и цветные телекамеры высокого разрешения, но они существенно дороже обычных) и более высокой стоимостью. Кроме того, выбор цветной камеры повлечет за собой соответствующий выбор всего остального оборудования обработки, записи и отображения видеоинформации, что ощутимо увеличит стоимость всей системы в целом. Цветные камеры устанавливаются на объектах, где необходимо знать цвет объекта контроля (например, цвет одежды или волос преступника, цвет автомобиля ит.п.)
Условия работы камеры
При работе телевизионной камеры в помещении потребителю необходимо подумать лишь о том, как установленные камеры впишутся в интерьер его помещения. Надо определить, где камеру необходимо установить скрыто, а где в специальных декоративных кожухах. В любом случае необходимо стремиться к тому, чтобы установленные телевизионные камеры не отвлекали сотрудников от их работы или посетителей музея от экспонатов.
Другое дело, если камера должна устанавливаться на улице. А улица в российских условиях это большие колебания температуры от -40 до +50 °С, (высокая влажность, большие колебания освещенности (рис. 3). Не стоит сбрасывать со счетов и возможность физического уничтожения камеры. Большие колебания освещенности приводят к недопустимым изменениям уровня выходного видеосигнала камеры (например, при недостаточной или чрезмерной освещенности мы ничего не увидим на экране монитора). Чтобы работать в широком диапазоне освещенности, необходимо выбирать камеру с устройствами стабилизации видеосигнала, такими, как электронный затвор. Если диапазона действия электронного затвора недостаточно для компенсации чрезмерной освещенности, используют объективы с автоматической диафрагмой. Однако не следует забывать о совместимости камеры и объектива по способу управления автодиафрагмой. Существует два способа управления автодиафрагмой:
- управление видеосигналом: вся автоматика управления находится в объективе, на который с камеры подается только видеосигнал:
- прямое управление: способ управления, при котором обработка видеосигнала происходит в камере, а на объектив поступает уже постоянное напряжение, управляющее двигателями автодиафрагмы.
Для компенсации жестких климатических условий на улице, находящихся за границей работоспособности ТК, применяются специальные климатические кожухи. Подходящие для камеры условия внутри кожуха создаются путем его герметизации, специальных нагревателей и вентиляторов.
Для защиты видеокамеры от вандализма применяются специальные кожухи, изготовленные из высокопрочных сплавов, с бронированным стеклом. Такие кожухи могут также содержать необходимые термоустройства.
Разрешающая способность ТК
При решении задач общего наблюдения достаточно использовать ТК обычного разрешения, а при необходимости идентификации объекта контроля или наблюдения на большом расстоянии рекомендуется выбирать ТК повышенного и высокого разрешения.
Чувствительность телевизионной камеры и освещенность зоны контроля
Требуемая чувствительность телевизионной камеры устанавливается при обследовании объекта, причем потребитель должен определить освещенность на объекте не только в дневное (рабочее) время, но и в ночное время и при необходимости решить вопрос о наличии дежурного освещения или инфракрасной подсветки.
Алгоритм определения чувствительности следующий:
а) с помощью люксметра (или каким-либо другим способом) измеряется освещенность в зоне контроля охраняемого объекта;
б) определяется значение коэффициента отражения реального объекта контроля ОК по табл. 1:
в) определяется коэффициент прохождения по указанной в описании светосиле выбранного для данной ТК объектива (по табл. 2);
г) рассчитывается минимальная освещенность на датчике изображения (Esensor), которая может быть получена в зоне контроля камеры по формуле:
Esensor = Escene*R*К
где Esensor - освещенность на датчике изображения:
Escene - освещенность в зоне контроля ТК;
R - коэффициент отражения объекта контроля;
К - коэффициент прохождения.
Полученный результат (освещенность датчика изображения) должен быть выше чувствительности ТК. Если это не так, то потребитель либо принимает решение о наличии дежурного освещения в зоне видеоконтроля, либо выбирает более высокочувствительную (то есть более дорогую) камеру.
Напряжение питания телевизионной камеры
Если нет специальных требований (Заказчика. Госпожарнадзора и др.) по применению на объекте оборудования с низким напряжением питания или других ограничений, то рекомендуется применять ТК с напряжением питания 220 В. Такие ТК удобно синхронизировать по сети питания (нет необходимости в дополнительном оборудовании типа синхрогенераторов или дополнительного кабеля). При питании от источника постоянного напряжения нужно следить за тем, чтобы от источника на камеру подавалось строго указанное в паспорте напряжение питания (не больше и не меньше). так как при другом напряжении камера может и будет работать только какое-то время. Также надо следить за тем, чтобы источник питания обеспечивал требуемую ТК мощность (особенно при питании нескольких камер от одного источника). Необходимо также решить вопрос о возможности работы системы (или части системы) при отключении напряжения питания, то есть об организации резервного и бесперебойного питания.
Необходимость перемещения ТК
Поворотные устройства находят широкое применение в ТСВ для использования как на улицах, так и в помещении. Но при расположении ТК на поворотном устройстве необходимо подумать о соответствии скорости сканирования поворотного устройства скорости перемещения объекта контроля (может получиться так, что поворотное устройство не будет успевать отслеживать перемещение объекта контроля). В большинстве случаев более выгодно (и дешевле) поставить две-три телевизионные камеры с фиксированным положением и углом зрения, чем одну, расположенную на поворотном устройстве.
Маленькие дополнения
К ним можно отнести:
Стандарт выходного видеосигнала телевизионной камеры. При этом главное условие, чтобы все выбранное для ТСВ оборудование было одного стандарта.
Оптический формат телевизионной камеры.
Наличие гамма-коррекции.
Эти и многие другие вопросы потребитель может оставить на усмотрение фирмыпроектировщика или поставщика компонентов ТСВ.
Типы телевизионных камер
Рассмотрим, какие же типы телевизионных камер представлены на российском рынке. Большинство выпускаемых промышленностью ТК имеют стандартный дизайн и поставляются без объектива, источника питания и другого вспомогательного оборудования, которое потребитель должен выбирать отдельно в соответствии со своими потребностями. Однако в последнее время выпускается все больше оборудованных ТК, таких как:
- миниатюрные бескорпусные и корпусные телевизионные камеры с встроенным объективом (возможно, типа "игольное ушко"), предназначенные для скрытого наблюдения, а также для домофонных систем и видеоглазков;
- офисные телевизионные камеры, имеющие встроенный объектив, кронштейн и оригинальный декоративный кожух, а также, если необходимо, аудиоканал: микрофон (односторонний аудиоканал) или микрофон и динамик (двухсторонний аудиоканал). Такие камеры соответствуют стилю оформления помещения, легко устанавливаются, переносятся и предназначены в основном для наблюдения за общей обстановкой в помещении;
- герметизированные телевизионные камеры. Состоят собственно из телевизионной камеры, объектива и прочного герметичного кожуха, надутого сухим азотом, с встроенным нагревателем;
- высокоскоростные поворотные камеры типа AutoDome с предустановками. ТК включает в себя собственно телевизионную камеру с объективом оснащенным трансфокатором, высокоскоростное поворотное устройство и декоративный кожух с кронштейном. Способность запомнить большое количество (до 99) положений, включая все установки ТК и объектива, а затем воспроизвести любое из них с высокой точностью (до 0.5 град.) за время менее 1 с делает такую ТК эквивалентной системе из 99 камер с разными объективами, направленными в разные стороны;
- камеры с встроенными радиочастотными передатчиками видеосигнала или передатчиком по телефонной линии.
Статья опубликована на сайте: 11.08.2000