Страница:
Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению со своими предшественниками.
Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность.
Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры.
Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС.
В обычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор).
В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта или условий для проведения съемки.
В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел -один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости от модели 300...600 телевизионных линий (твл).
Устройства синхронизации
Устройство синхронизации обеспечивает временное согласование работы всех систем и блоков камеры.
Синхронизация видеокамер может осуществляться от внутреннего или внешнего генератора. Внешняя синхронизация используется в многокамерных системах для получения немигающего переключения.
При совместном использовании камер с внутренней синхронизацией, они коммутируются устройствами, содержащими память на кадр.
Первые формирователи изображения на ПЗС использовали принцип покадрового переноса зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее удобным при производстве и эксплуатации матриц. Этот принцип был заложен в первую в мире вещательную ТВ камеру CCD-l производства фирмы RCA.
Чтобы не использовать механический затвор, был разработан принцип построчного переноса зарядов в ПЗС, в котором роль светочувствительных и накопительных датчиков играют (одинаковые) отдельные чередующиеся элементы.
Для повышения качества формируемого изображения в приборах с зарядовой связью был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом строчно-кадрового или гибридного -- переноса. Такие приборы впервые были использованы в передающей ТВ камере фирмы Sony. Указанный принцип, как явствует из его названия, объединил в себе особенности двух предыдущих методов -- построчного и покадрового переноса зарядов.
При работе с матрицами ПЗС с построчным переносом зарядов могут возникать искажения в виде тянущихся продолжений за объектами. Иначе их называют смазом или просто "тянучками". Они выглядят на изображении в виде вертикальных линий, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами.
Однако, следует отметить, что возникают эти искажения при величине экспозиции, много превышающей нормальное значение.
В этих условиях камера с ЭЛТ уже испытывала бы мощное воздействие искажений в виде "хвоста кометы" и тянучек, типичных для передающих камер на ЭЛТ и крайне нежелательных в ряде критических ситуаций, например, при перемещении камеры поворотным устройством.
В передающих ТВ камерах на ПЗС со строчно-кадровым переносом зарядов практически полностью отсутствует вертикальный смаз изображения.
Поэтому на сегодняшний день матрицы ПЗС с этим принципом переноса зарядов обеспечивают наилучшие качественные показатели формируемых изображений.
Третье поколение матриц ПЗС (Hyper HAD) включило в себя целый ряд новых электронных приемов, что значительно улучшило качественные показатели формируемого изображения.
Матрица Hyper HAD использует оригинальный и простой метод, заключающийся в установке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный элемент, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания. В результате резко (примерно вдвое) возрастает чувствительность матрицы.
В табл. t4_02 приводится сравнительная характеристика чувствительности различных типов преобразователей свет-сигнал, используемых в ТВ камерах.
Указанные значения относительного отверстия соответствуют величине чувствительности в 2000 лк при коэффициенте отражения в 89,9%.
Эти улучшенные показатели позволяют работать не только в условиях низкой освещенности, при которых прежде видеосигнал имел бы неприемлемое качество, но и в процессе использования источников инфракрасного излучения.
Отметим, что вертикальный смаз при работе с ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов.
Объективы видеокамер
Объективы к камерам отличаются величиной фокусного расстояния, светосилой, характером создаваемого оптического изображения. При съемке с одной и той же точки объективами с различными фокусными расстояниями масштаб изображения изменяется прямо пропорционально величине фокусного расстояния (см. табл. t4_15).
Если один и тот же объект наблюдать в одном масштабе с разных расстояний камерами с различными объективами, то будет заметна разница на изображении.
Изображения близко расположенных объектов при использовании короткофокусных объективов будут более контрастными и резкими, в сравнении с изображением удаленных объектов при использовании длиннофокусных объективов.
Короткофокусный объектив даже при небольшом диафрагмировании обладает большой глубиной резкости. Длиннофокусный объектив даже при съемке удаленных объектов имеет ограниченную глубину резкости.
При съемке геометрически строгих объектов даже незначительный наклон оптической оси объектива от горизонтального положения приводит к появлению в изображении нежелательных перспективных искажений. Это явление особенно заметно при использовании короткофокусных объективов.
Объектив камеры выбирается в соответствии с назначением камеры. Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка 3,5 мм. При этом угол зрения камеры будет около 90°.
Длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием 12 мм и углом зрения 30° используют при наблюдении периметра объекта. Для использования в условиях искусственного освещения необходима возможность отключения электронного затвора и автоматической регулировки усиления камеры (Приложение 1).
Объектив с переменным фокусным расстоянием
Для обеспечения эффекта увеличения изображения используются объективы с трансфокатором, специальные телекамеры с электронным трансфокатором, или цифровую аппаратуру увеличения/уменьшения изображения (видеопроцессоры).
Объективы видеокамер, имеющие переменное фокусное расстояние, называются "вари-объективы". Они позволяют осуществить плавное изменение масштаба изображения (совершать "наезд"). Масштаб изменяется вручную либо посредством электропривода. При этом сохраняется фокусировка изображения (см. табл. t4_17).
Применение трансфокаторов позволяет "приблизить" изображение от 5 до 20 раз, что позволяет рассмотреть даже сильно удаленные объекты. Использование трансфокатора наиболее удобно совместно с поворотным устройством. Это позволяет не только следить за перемещением объекта наблюдения в широком секторе обзора, но и рассмотреть подробно детали (лицо человека, номер автомобиля).
Съемка подвижных ярких объектов существенно упрощается благодаря использованию системы Multi-zoom Iris, которая отдает приоритет объектам в центральной и нижней областях сцены.
Когда камера перемещается к ярким сценам, включается система EEI (Extended Electronic Iris), которая обеспечивает непрерывное регулирование электронным затвором.
Объектив с автоматической диафрагмой
Объектив с автоматической диафрагмой устанавливает размер отверстия диафрагмы, обеспечивающий оптимальную интенсивность светового потока, проходящего через объектив и попадающего на мишень преобразователя "свет-сигнал".
Использование объективов с автоматической диафрагмой позволяет получать качественное изображение как при ярком солнце, так и при лунном свете.
Применение объективов без диафрагмы в камерах, имеющих электронный затвор, упростит и удешевит всю систему телевизионного наблюдения.
Камеры с автоматической диафрагмой плохо реагируют на внезапные резкие изменения яркости или контрастности изображения, например, при трансфокации или резком включении источника света. Такие изменения быстрее отрабатывает электронный затвор камеры. Поэтому рекомендуется использовать объектив с автоматической диафрагмой в камерах с электронным затвором.
Pin-hole объектив
Наблюдение может осуществляться внутри помещений и снаружи, скрытно и открыто.
Для визуального контроля ситуаций внутри помещения следует применять камеры со встроенным объективом. Для помещений минимальная чувствительность камер может составлять 0,5 лк.
Корпус камеры должен гармонировать с интерьером и не бросаться в глаза. Роль телевизионной камеры -- не отпугивать посетителей, а фиксировать ситуацию в контролируемом помещении.
В помещении следует использовать камеры с автоматической диафрагмой для автоматической компенсации изменения освещенности в разное время суток. В зависимости от плана помещения выбирается объектив с необходимым углом зрения.
При необходимости скрыть камеру используют миниатюрные камеры с Pin-hole объективами (см.табл. t4_16). У таких объективов диаметр выходного зрачка составляет от 0,9 до 2 мм. Такую камеру можно устанавливать, например, за обоями. Небольшое отверстие под объектив не привлекает внимания.
Для получения изображения повышенного качества следует использовать камеры с повышенной разрешающей способностью (более 500 линий).
Дополнительные возможности и сервисные устройства видеокамер
Автоматическая регулировка усиления
Режим автоматической регулировки усиления позволяет производить непрерывную съемку при всех уровнях освещенности без необходимости переключать усиление или применять соответствующие фильтры и обладает также таким замечательным свойством, как приоритетность апертуры.
Она заключается в том, что после того, как вручную установлена диафрагма, для получения желаемой глубины резкости, система АРУ автоматически устанавливает требуемый уровень видеосигнала. Например, когда снимаются темные объекты, после того как диафрагма полностью открылась, усиление будет увеличено автоматически, чтобы достичь требуемого уровня видеосигнала.
Автоматическая регулировка усиления позволяет повысить резкость изображения в случае большой освещенности сцен, причем в совокупности с функцией автоматической диафрагмы это дает возможность расширить динамический диапазон без ограничения сигнала.
Благодаря режиму АРУ имеется возможность осуществлять непрерывную автоматическую съемку от темных до ярких планов без прерывания изображений.
Электронный затвор
Структура матрицы типа HAD позволила применить электронный затвор с функцией переменного времени экспозиции. Это дает возможность снимать передающей ТВ камерой быстротечные динамические процессы и объекты за время второй части каждого поля, а это и есть период открывания электронного затвора. Изменяя величину периода открывания затвора, меняют время эффективной экспозиции при съемке. В телекамерах Sony время экспозиции изменяется вплоть до значения 1/100000 с.
Усовершенствование электронного затвора в матрице ПЗС типа HAD позволило создать так называемый не мелькающий растр. Не мелькающий растр означает снижение и даже полное устранение помех в виде перемещающихся в вертикальном направлении по экрану полос (т. н. черный шум) при съемке.
Автоматическая установка баланса белого
Эта функция полезна, когда у оператора нет времени для установки камеры в режим съемки. Автоматическая установка баланса белого заключается в подборе усиления в каналах красного и синего цвета (в цветных видеокамерах) по отношению к усилению зеленого. Эти регулировки осуществляются изначально при изготовлении видеокамеры.
Однако, в некоторых условиях может возникнуть необходимость их изменения, что, как правило, происходит автоматически. Для этого достаточно направить видеокамеру на белый объект, отрегулировать масштаб изображения так, чтобы этот объект занимал не менее 80% его площади, после чего нажатием кнопки включить схему регулировки. В некоторых моделях камер эту регулировку можно выполнить и вручную.
Гамма-коррекция
Гамма-коррекция -- растягивание видеосигнала в области черного.
В некоторых моделях видеокамер имеется схема, позволяющая увеличить число градаций в передаче полутонов черного и серого цветов. Действие ее фактически обратно действию схемы сжатия контрастности, которая повышает и углубляет контрастность полутонов в изображении.
При максимальном значении коэффициента гамма-коррекции (1,0) полутона получаются наиболее контрастными, "грубыми" и "глубокими", а при минимальном (0,4) -- обеспечивается воспроизведение наиболее "нежных" и "мягких" полутонов.
4.1.2. МОНИТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
В традиционных системах телевизионного наблюдения, в основном, используются телевизионные мониторы с диагональю 9, 12, 14 и 15 дюймов и разрешением 500...800 твл.
Размер экрана мониторов:
для черно-белых -- 9" (23 см), 12 (31 см), 17 43 см), 19 (47 см);
для цветных -- 14 (36 см) и 21 (51 см).
Горизонтальное разрешение для мониторов может составлять:
для черно-белых -- 750, 800, 900 и 1000 линий,
для цветных -- 240, 300, 320 и 450 линий.
В системах телевизионного наблюдения наиболее широко применяются черно-белые мониторы с размером экрана 9 и 12". При использовании квадраторов и видеопроцессора предпочтительнее использование мониторов с размером экрана 12 и 17".
Видеомонитор должен обеспечивать строгое соответствие изображения подаваемому на него видеосигналу. Параметры, определяющие качество изображения монитора:
четкость;
фокусировка;
воспроизведение цвета;
сведение;
геометрические искажения.
Видеомонитор должен обеспечивать высокую долговременную стабильность и не требовать регулярной калибровки.
Надежность также зависит от того, насколько оптимальны решения для электроники, насколько прочна и удобна механическая конструкция. Иногда сильным механическим воздействиям подвергаются даже студийные модели.
Телемониторы могут быть оснащены звуковым каналом для передачи аудиоинформации. В ряде моделей совмещены функции монитора и видеосвитчера.
В табл. t4_06 представлены технические характеристики мониторов ведущих фирм.
4.1.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Специализированные видеомагнитофоны
Для записи изображения в системах телевизионного контроля служат специализированные видеомагнитофоны (табл. t4_07). Они ведут непрерывную запись в течение 3...960 часов на стандартную видеокассету. Одним из важных параметров видеомагнитофона является его разрешающая способность при записи изображения и надежность его работы.
Высокое разрешение записи позволяет фиксировать мелкие детали, а надежность важна в связи с тем, что такой видеомагнитофон предназначен для непрерывной работы в течение нескольких лет.
На передней панели под крышкой находятся органы управления, с помощью которых можно установить различные режимы работы: запись, воспроизведение, обратное воспроизведение, стоп-кадр, быструю перемотку ленты в двух направлениях, размещение информации по времени и дате в любом месте на экране, коррекция показаний времени и даты. Видеомагнитофон запоминает время и дату момента подачи внешних сигналов и позволяет индексировать записи по сигналу тревоги с последующим выборочным воспроизведением по номеру индекса.
Специализированные видеомагнитофоны работают в "старт-стопном" режиме. В зависимости от установленного времени записи на видеопленке фиксируется, например, один из пяти кадров. Таким образом, увеличивается фактическое время записи.
Видеомагнитофон включается в общую систему охраны и может программироваться на изменение скорости записи в случае тревоги. Для этого он содержит программируемый таймер. Просмотр записи на мониторе позволяет восстановить события как с целью выявления нарушителя, так и анализа действий охраны в случае тревоги.
Функциональные возможности специализированных видеомагнитофонов:
запись и воспроизведение черно-белого или цветного изображения;
программирование режимов записи (3 ч, 12 ч, 24 ч, ... 960 ч);
вывод на экран времени и даты;
осуществление записи по таймеру или по внешнему сигналу;
программирование таймера с установкой ежедневного начала и окончания записи, а также установка режима записи на неделю;
специальные режимы воспроизведения (покадровое воспроизведение, пауза, скоростной поиск вперед и назад);
стоп-кадр;
выдача сигналов синхронизации на внешние устройства;
врограммирование режимов работы при срабатывании сигнализации;
регистрация времени аварийного отключения питания;
хранение информации в энергонезависимой памяти.
В многокамерных системах видеонаблюдения видеомагнитофоны используются совместно с видеокомпрессорами и мультиплексорами.
Видеокомпрессоры
Видеокомпрессор (квадратор) -- устройство, позволяющее на экране монитора одновременно наблюдать в режиме реального времени изображение от нескольких видеокамер и записывать его на видеомагнитофон (табл. t4_09).
Наличие входа тревоги (ALARM-вход) позволяет подключить к видеокомпрессору систему сигнализации, чтобы при ее срабатывании автоматически подключить необходимую камеру для наблюдения за объектом тревоги.
Видеокомпрессор позволяет выводить на экран изображение от 1 до 8 видеокамер (больше используется редко). Они просты в управлении и позволяют наблюдать на экране одного монитора изображения в комбинациях, выбранных оператором. Комбинации могут быть произвольными.
Они могут оснащаться пультом дистанционного управления и режимом "экран в экране". В таком режиме можно выводить выбранные изображения крупным планом, а в малых окнах располагать оставшиеся.
Мультиплексоры
Мультиплексор позволяет последовательно выводить на монитор и записывать на один видеомагнитофон информацию от нескольких телевизионных камер (табл. t4_10). При этом запись осуществляется без потери качества изображения. Это достигается последовательной записью кадров со всех видеокамер на видеокассету. При этом мультиплексор может выводить изображение как от всех камер сразу, так и последовательно одну за другой.
К мультиплексорам можно подключить систему сигнализации к ALARM-входу. В некоторых моделях это даст возможность автоматически включить ту камеру, где произошло нарушение. Большинство мультиплексоров имеют режим "динамического распределения времени записи" для каждой камеры, а модели MV-209 и MV-216 -- встроенный детектор движения.
Детекторы движения
При числе камер больше четырех внимание оператора рассеивается и эффективность наблюдения снижается. При охране крупных объектов, таких как банк или завод, требуется установка большого числа камер. Решить эту проблему можно установкой детекторов движения, которые привлекут внимание оператора при возникновении какого-либо движения в поле зрения камеры (табл. t4_11).
Детекторы движения обрабатывают видеоизображение от телекамер и при необходимости могут включать видеомагнитофон для записи изображения или подавать сигнал тревоги. Детектор реагирует на изменение изображения объекта (контраст или движение) и подает сигнал тревоги. При этом изображение от камеры разбивается на зоны и задается чувствительность реакции датчика движения. Например, он настраивается таким образом, чтобы не реагировал на мелких птиц и животных при наружной установке. В детектор встроен индикатор тревоги на светодиодах и громкоговоритель. Имеется также звуковой "тревожный" выход для подключения внешнего звукового усилителя и видеомонитора.
Матричные коммутаторы
При большом числе камер эффективность работы оператора может быть повышена путем применения матричных коммутаторов (табл. t4_12). Матричный коммутатор позволяет создать гибкую и наращиваемую систему безопасности, в которую могут входить не только системы телевизионного наблюдения, но и системы охраны и контроля доступа.
При наличии детектора движения, коммутатор самостоятельно отслеживает ситуацию и, в случае тревоги, выводит изображение от камер на мониторы. Предустановки позволяют задавать коммутатору "маршрут" обзора объекта. При этом на монитор будут выводиться изображения выбранных камер, изменяться увеличение трансфокатора и т.д. Такой режим называется режимом "часового".
Появление нарушителя могут отслеживать системы охраны и контроля доступа, подключенные к коммутатору. Они подают сигнал тревоги, выводят на монитор изображения "тревожного" объекта и выполняют другие необходимые действия.
Матричный коммутатор позволяет освободить стол оператора от большого количества пультов управления. Управление выбранной камерой и ее поворотным устройством оператор осуществляет джойстиком.
Схема работы с матричным коммутатором проста и доступна. Один коммутатор может взять на себя функции управления 128 поворотными устройствами, трансфокаторами и камерами.
Поворотные и защитные устройства видеокамер
При контроле периметра прямоугольного здания используют от двух до четырех камер. Выбор определяется требованиями наглядности представления видеоинформации об оперативной обстановке.
При установке четырех камер оператор на экране монитора может одновременно наблюдать весь периметр здания. При установке двух камер на поворотных устройствах одновременно можно наблюдать только половину периметра здания. При этом поворотные устройства позволяют контролировать прилегающую к зданию площадь.
В случае контроля периметра или перед зданием, камеры устанавливаются в защитных кожухах. Они предохраняют камеру от воздействия внешней среды. Кожуха для средней климатической полосы должны иметь автоматический подогрев для работы в холодное время года.
Защитные кожуха предназначены для работы в широком диапазоне климатических условий и позволяют использовать различные комбинации телевизионных камер и объективов. Кожух снабжается солнцезащитным козырьком, платой для установки камеры, нагревателем, термостатом и коммуникационной панелью. Ряд кожухов снабжается дополнительным оборудованием -вентилятором, дворником и омывателем стекла.
Поворотные устройства для видеокамер предназначены для расширения угла обзора камер. Камера, будучи установленной на поворотное устройство, перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях (табл. t4_13). Поворотные устройства для наружной установки могут работать в сложных погодных условиях, при температуре до -50°.
Для управления поворотными устройствами используются специальные клавиатуры и телеметрические устройства. Системные клавиатуры позволяют управлять камерами и их переключением на мониторы. Телеметрические устройства обеспечивают управление поворотными устройствами, трансфокаторами и т.д.
Видеопринтеры
Для регистрации видеоизображения, наряду с спецвидеомагнитофонами, в системах охраны используются и видеопринтеры (табл. t4_08). Видеопринтеры позволяют распечатать:
фотографии клиентов;
фотографии нежелательных посетителей;
кадры чрезвычайных ситуаций;
кадры с любой Вашей видеокассеты.
Передача изображения через телефонную сеть
Система Fast-Scantronic позволяет передавать оцифрованное изображение через существующую телефонную и другие виды информационных сетей. Вы можете не только запрашивать изображение, но и выдавать сигналы управления на исполнительные устройства, такие как поворотные устройства, ворота, сирены и т.д.
Fast-Scantronic осуществляет цифровую обработку и сжатие видеоинформации. Для выдачи информации в телефонную сеть подключается соответствующий модем. Передаваемая информация принимается и декодируется в приемном устройстве Fast-Scantronic. Цифровой метод передачи видеоинформации позволяет использовать одну и ту же линию для передачи видео, графических, информационных, тревожных, управляющих и программных сигналов.
Информация передается блоками в соответствии со специальным протоколом обмена, позволяющим избежать потерю информации. При передаче серии кадров, выдается информация только об изменениях в изображении. Средняя скорость - 4800 бод. Это означает, что на передачу первой картинки будет затрачено 3 сек. При передаче последующих картинок скорость возрастает в 5 раз за счет передачи только изменений в изображении.
Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность.
Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры.
Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС.
В обычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор).
В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта или условий для проведения съемки.
В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел -один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости от модели 300...600 телевизионных линий (твл).
Устройства синхронизации
Устройство синхронизации обеспечивает временное согласование работы всех систем и блоков камеры.
Синхронизация видеокамер может осуществляться от внутреннего или внешнего генератора. Внешняя синхронизация используется в многокамерных системах для получения немигающего переключения.
При совместном использовании камер с внутренней синхронизацией, они коммутируются устройствами, содержащими память на кадр.
Первые формирователи изображения на ПЗС использовали принцип покадрового переноса зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее удобным при производстве и эксплуатации матриц. Этот принцип был заложен в первую в мире вещательную ТВ камеру CCD-l производства фирмы RCA.
Чтобы не использовать механический затвор, был разработан принцип построчного переноса зарядов в ПЗС, в котором роль светочувствительных и накопительных датчиков играют (одинаковые) отдельные чередующиеся элементы.
Для повышения качества формируемого изображения в приборах с зарядовой связью был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом строчно-кадрового или гибридного -- переноса. Такие приборы впервые были использованы в передающей ТВ камере фирмы Sony. Указанный принцип, как явствует из его названия, объединил в себе особенности двух предыдущих методов -- построчного и покадрового переноса зарядов.
При работе с матрицами ПЗС с построчным переносом зарядов могут возникать искажения в виде тянущихся продолжений за объектами. Иначе их называют смазом или просто "тянучками". Они выглядят на изображении в виде вертикальных линий, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами.
Однако, следует отметить, что возникают эти искажения при величине экспозиции, много превышающей нормальное значение.
В этих условиях камера с ЭЛТ уже испытывала бы мощное воздействие искажений в виде "хвоста кометы" и тянучек, типичных для передающих камер на ЭЛТ и крайне нежелательных в ряде критических ситуаций, например, при перемещении камеры поворотным устройством.
В передающих ТВ камерах на ПЗС со строчно-кадровым переносом зарядов практически полностью отсутствует вертикальный смаз изображения.
Поэтому на сегодняшний день матрицы ПЗС с этим принципом переноса зарядов обеспечивают наилучшие качественные показатели формируемых изображений.
Третье поколение матриц ПЗС (Hyper HAD) включило в себя целый ряд новых электронных приемов, что значительно улучшило качественные показатели формируемого изображения.
Матрица Hyper HAD использует оригинальный и простой метод, заключающийся в установке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный элемент, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания. В результате резко (примерно вдвое) возрастает чувствительность матрицы.
В табл. t4_02 приводится сравнительная характеристика чувствительности различных типов преобразователей свет-сигнал, используемых в ТВ камерах.
Указанные значения относительного отверстия соответствуют величине чувствительности в 2000 лк при коэффициенте отражения в 89,9%.
Эти улучшенные показатели позволяют работать не только в условиях низкой освещенности, при которых прежде видеосигнал имел бы неприемлемое качество, но и в процессе использования источников инфракрасного излучения.
Отметим, что вертикальный смаз при работе с ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов.
Объективы видеокамер
Объективы к камерам отличаются величиной фокусного расстояния, светосилой, характером создаваемого оптического изображения. При съемке с одной и той же точки объективами с различными фокусными расстояниями масштаб изображения изменяется прямо пропорционально величине фокусного расстояния (см. табл. t4_15).
Если один и тот же объект наблюдать в одном масштабе с разных расстояний камерами с различными объективами, то будет заметна разница на изображении.
Изображения близко расположенных объектов при использовании короткофокусных объективов будут более контрастными и резкими, в сравнении с изображением удаленных объектов при использовании длиннофокусных объективов.
Короткофокусный объектив даже при небольшом диафрагмировании обладает большой глубиной резкости. Длиннофокусный объектив даже при съемке удаленных объектов имеет ограниченную глубину резкости.
При съемке геометрически строгих объектов даже незначительный наклон оптической оси объектива от горизонтального положения приводит к появлению в изображении нежелательных перспективных искажений. Это явление особенно заметно при использовании короткофокусных объективов.
Объектив камеры выбирается в соответствии с назначением камеры. Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка 3,5 мм. При этом угол зрения камеры будет около 90°.
Длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием 12 мм и углом зрения 30° используют при наблюдении периметра объекта. Для использования в условиях искусственного освещения необходима возможность отключения электронного затвора и автоматической регулировки усиления камеры (Приложение 1).
Объектив с переменным фокусным расстоянием
Для обеспечения эффекта увеличения изображения используются объективы с трансфокатором, специальные телекамеры с электронным трансфокатором, или цифровую аппаратуру увеличения/уменьшения изображения (видеопроцессоры).
Объективы видеокамер, имеющие переменное фокусное расстояние, называются "вари-объективы". Они позволяют осуществить плавное изменение масштаба изображения (совершать "наезд"). Масштаб изменяется вручную либо посредством электропривода. При этом сохраняется фокусировка изображения (см. табл. t4_17).
Применение трансфокаторов позволяет "приблизить" изображение от 5 до 20 раз, что позволяет рассмотреть даже сильно удаленные объекты. Использование трансфокатора наиболее удобно совместно с поворотным устройством. Это позволяет не только следить за перемещением объекта наблюдения в широком секторе обзора, но и рассмотреть подробно детали (лицо человека, номер автомобиля).
Съемка подвижных ярких объектов существенно упрощается благодаря использованию системы Multi-zoom Iris, которая отдает приоритет объектам в центральной и нижней областях сцены.
Когда камера перемещается к ярким сценам, включается система EEI (Extended Electronic Iris), которая обеспечивает непрерывное регулирование электронным затвором.
Объектив с автоматической диафрагмой
Объектив с автоматической диафрагмой устанавливает размер отверстия диафрагмы, обеспечивающий оптимальную интенсивность светового потока, проходящего через объектив и попадающего на мишень преобразователя "свет-сигнал".
Использование объективов с автоматической диафрагмой позволяет получать качественное изображение как при ярком солнце, так и при лунном свете.
Применение объективов без диафрагмы в камерах, имеющих электронный затвор, упростит и удешевит всю систему телевизионного наблюдения.
Камеры с автоматической диафрагмой плохо реагируют на внезапные резкие изменения яркости или контрастности изображения, например, при трансфокации или резком включении источника света. Такие изменения быстрее отрабатывает электронный затвор камеры. Поэтому рекомендуется использовать объектив с автоматической диафрагмой в камерах с электронным затвором.
Pin-hole объектив
Наблюдение может осуществляться внутри помещений и снаружи, скрытно и открыто.
Для визуального контроля ситуаций внутри помещения следует применять камеры со встроенным объективом. Для помещений минимальная чувствительность камер может составлять 0,5 лк.
Корпус камеры должен гармонировать с интерьером и не бросаться в глаза. Роль телевизионной камеры -- не отпугивать посетителей, а фиксировать ситуацию в контролируемом помещении.
В помещении следует использовать камеры с автоматической диафрагмой для автоматической компенсации изменения освещенности в разное время суток. В зависимости от плана помещения выбирается объектив с необходимым углом зрения.
При необходимости скрыть камеру используют миниатюрные камеры с Pin-hole объективами (см.табл. t4_16). У таких объективов диаметр выходного зрачка составляет от 0,9 до 2 мм. Такую камеру можно устанавливать, например, за обоями. Небольшое отверстие под объектив не привлекает внимания.
Для получения изображения повышенного качества следует использовать камеры с повышенной разрешающей способностью (более 500 линий).
Дополнительные возможности и сервисные устройства видеокамер
Автоматическая регулировка усиления
Режим автоматической регулировки усиления позволяет производить непрерывную съемку при всех уровнях освещенности без необходимости переключать усиление или применять соответствующие фильтры и обладает также таким замечательным свойством, как приоритетность апертуры.
Она заключается в том, что после того, как вручную установлена диафрагма, для получения желаемой глубины резкости, система АРУ автоматически устанавливает требуемый уровень видеосигнала. Например, когда снимаются темные объекты, после того как диафрагма полностью открылась, усиление будет увеличено автоматически, чтобы достичь требуемого уровня видеосигнала.
Автоматическая регулировка усиления позволяет повысить резкость изображения в случае большой освещенности сцен, причем в совокупности с функцией автоматической диафрагмы это дает возможность расширить динамический диапазон без ограничения сигнала.
Благодаря режиму АРУ имеется возможность осуществлять непрерывную автоматическую съемку от темных до ярких планов без прерывания изображений.
Электронный затвор
Структура матрицы типа HAD позволила применить электронный затвор с функцией переменного времени экспозиции. Это дает возможность снимать передающей ТВ камерой быстротечные динамические процессы и объекты за время второй части каждого поля, а это и есть период открывания электронного затвора. Изменяя величину периода открывания затвора, меняют время эффективной экспозиции при съемке. В телекамерах Sony время экспозиции изменяется вплоть до значения 1/100000 с.
Усовершенствование электронного затвора в матрице ПЗС типа HAD позволило создать так называемый не мелькающий растр. Не мелькающий растр означает снижение и даже полное устранение помех в виде перемещающихся в вертикальном направлении по экрану полос (т. н. черный шум) при съемке.
Автоматическая установка баланса белого
Эта функция полезна, когда у оператора нет времени для установки камеры в режим съемки. Автоматическая установка баланса белого заключается в подборе усиления в каналах красного и синего цвета (в цветных видеокамерах) по отношению к усилению зеленого. Эти регулировки осуществляются изначально при изготовлении видеокамеры.
Однако, в некоторых условиях может возникнуть необходимость их изменения, что, как правило, происходит автоматически. Для этого достаточно направить видеокамеру на белый объект, отрегулировать масштаб изображения так, чтобы этот объект занимал не менее 80% его площади, после чего нажатием кнопки включить схему регулировки. В некоторых моделях камер эту регулировку можно выполнить и вручную.
Гамма-коррекция
Гамма-коррекция -- растягивание видеосигнала в области черного.
В некоторых моделях видеокамер имеется схема, позволяющая увеличить число градаций в передаче полутонов черного и серого цветов. Действие ее фактически обратно действию схемы сжатия контрастности, которая повышает и углубляет контрастность полутонов в изображении.
При максимальном значении коэффициента гамма-коррекции (1,0) полутона получаются наиболее контрастными, "грубыми" и "глубокими", а при минимальном (0,4) -- обеспечивается воспроизведение наиболее "нежных" и "мягких" полутонов.
4.1.2. МОНИТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
В традиционных системах телевизионного наблюдения, в основном, используются телевизионные мониторы с диагональю 9, 12, 14 и 15 дюймов и разрешением 500...800 твл.
Размер экрана мониторов:
для черно-белых -- 9" (23 см), 12 (31 см), 17 43 см), 19 (47 см);
для цветных -- 14 (36 см) и 21 (51 см).
Горизонтальное разрешение для мониторов может составлять:
для черно-белых -- 750, 800, 900 и 1000 линий,
для цветных -- 240, 300, 320 и 450 линий.
В системах телевизионного наблюдения наиболее широко применяются черно-белые мониторы с размером экрана 9 и 12". При использовании квадраторов и видеопроцессора предпочтительнее использование мониторов с размером экрана 12 и 17".
Видеомонитор должен обеспечивать строгое соответствие изображения подаваемому на него видеосигналу. Параметры, определяющие качество изображения монитора:
четкость;
фокусировка;
воспроизведение цвета;
сведение;
геометрические искажения.
Видеомонитор должен обеспечивать высокую долговременную стабильность и не требовать регулярной калибровки.
Надежность также зависит от того, насколько оптимальны решения для электроники, насколько прочна и удобна механическая конструкция. Иногда сильным механическим воздействиям подвергаются даже студийные модели.
Телемониторы могут быть оснащены звуковым каналом для передачи аудиоинформации. В ряде моделей совмещены функции монитора и видеосвитчера.
В табл. t4_06 представлены технические характеристики мониторов ведущих фирм.
4.1.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Специализированные видеомагнитофоны
Для записи изображения в системах телевизионного контроля служат специализированные видеомагнитофоны (табл. t4_07). Они ведут непрерывную запись в течение 3...960 часов на стандартную видеокассету. Одним из важных параметров видеомагнитофона является его разрешающая способность при записи изображения и надежность его работы.
Высокое разрешение записи позволяет фиксировать мелкие детали, а надежность важна в связи с тем, что такой видеомагнитофон предназначен для непрерывной работы в течение нескольких лет.
На передней панели под крышкой находятся органы управления, с помощью которых можно установить различные режимы работы: запись, воспроизведение, обратное воспроизведение, стоп-кадр, быструю перемотку ленты в двух направлениях, размещение информации по времени и дате в любом месте на экране, коррекция показаний времени и даты. Видеомагнитофон запоминает время и дату момента подачи внешних сигналов и позволяет индексировать записи по сигналу тревоги с последующим выборочным воспроизведением по номеру индекса.
Специализированные видеомагнитофоны работают в "старт-стопном" режиме. В зависимости от установленного времени записи на видеопленке фиксируется, например, один из пяти кадров. Таким образом, увеличивается фактическое время записи.
Видеомагнитофон включается в общую систему охраны и может программироваться на изменение скорости записи в случае тревоги. Для этого он содержит программируемый таймер. Просмотр записи на мониторе позволяет восстановить события как с целью выявления нарушителя, так и анализа действий охраны в случае тревоги.
Функциональные возможности специализированных видеомагнитофонов:
запись и воспроизведение черно-белого или цветного изображения;
программирование режимов записи (3 ч, 12 ч, 24 ч, ... 960 ч);
вывод на экран времени и даты;
осуществление записи по таймеру или по внешнему сигналу;
программирование таймера с установкой ежедневного начала и окончания записи, а также установка режима записи на неделю;
специальные режимы воспроизведения (покадровое воспроизведение, пауза, скоростной поиск вперед и назад);
стоп-кадр;
выдача сигналов синхронизации на внешние устройства;
врограммирование режимов работы при срабатывании сигнализации;
регистрация времени аварийного отключения питания;
хранение информации в энергонезависимой памяти.
В многокамерных системах видеонаблюдения видеомагнитофоны используются совместно с видеокомпрессорами и мультиплексорами.
Видеокомпрессоры
Видеокомпрессор (квадратор) -- устройство, позволяющее на экране монитора одновременно наблюдать в режиме реального времени изображение от нескольких видеокамер и записывать его на видеомагнитофон (табл. t4_09).
Наличие входа тревоги (ALARM-вход) позволяет подключить к видеокомпрессору систему сигнализации, чтобы при ее срабатывании автоматически подключить необходимую камеру для наблюдения за объектом тревоги.
Видеокомпрессор позволяет выводить на экран изображение от 1 до 8 видеокамер (больше используется редко). Они просты в управлении и позволяют наблюдать на экране одного монитора изображения в комбинациях, выбранных оператором. Комбинации могут быть произвольными.
Они могут оснащаться пультом дистанционного управления и режимом "экран в экране". В таком режиме можно выводить выбранные изображения крупным планом, а в малых окнах располагать оставшиеся.
Мультиплексоры
Мультиплексор позволяет последовательно выводить на монитор и записывать на один видеомагнитофон информацию от нескольких телевизионных камер (табл. t4_10). При этом запись осуществляется без потери качества изображения. Это достигается последовательной записью кадров со всех видеокамер на видеокассету. При этом мультиплексор может выводить изображение как от всех камер сразу, так и последовательно одну за другой.
К мультиплексорам можно подключить систему сигнализации к ALARM-входу. В некоторых моделях это даст возможность автоматически включить ту камеру, где произошло нарушение. Большинство мультиплексоров имеют режим "динамического распределения времени записи" для каждой камеры, а модели MV-209 и MV-216 -- встроенный детектор движения.
Детекторы движения
При числе камер больше четырех внимание оператора рассеивается и эффективность наблюдения снижается. При охране крупных объектов, таких как банк или завод, требуется установка большого числа камер. Решить эту проблему можно установкой детекторов движения, которые привлекут внимание оператора при возникновении какого-либо движения в поле зрения камеры (табл. t4_11).
Детекторы движения обрабатывают видеоизображение от телекамер и при необходимости могут включать видеомагнитофон для записи изображения или подавать сигнал тревоги. Детектор реагирует на изменение изображения объекта (контраст или движение) и подает сигнал тревоги. При этом изображение от камеры разбивается на зоны и задается чувствительность реакции датчика движения. Например, он настраивается таким образом, чтобы не реагировал на мелких птиц и животных при наружной установке. В детектор встроен индикатор тревоги на светодиодах и громкоговоритель. Имеется также звуковой "тревожный" выход для подключения внешнего звукового усилителя и видеомонитора.
Матричные коммутаторы
При большом числе камер эффективность работы оператора может быть повышена путем применения матричных коммутаторов (табл. t4_12). Матричный коммутатор позволяет создать гибкую и наращиваемую систему безопасности, в которую могут входить не только системы телевизионного наблюдения, но и системы охраны и контроля доступа.
При наличии детектора движения, коммутатор самостоятельно отслеживает ситуацию и, в случае тревоги, выводит изображение от камер на мониторы. Предустановки позволяют задавать коммутатору "маршрут" обзора объекта. При этом на монитор будут выводиться изображения выбранных камер, изменяться увеличение трансфокатора и т.д. Такой режим называется режимом "часового".
Появление нарушителя могут отслеживать системы охраны и контроля доступа, подключенные к коммутатору. Они подают сигнал тревоги, выводят на монитор изображения "тревожного" объекта и выполняют другие необходимые действия.
Матричный коммутатор позволяет освободить стол оператора от большого количества пультов управления. Управление выбранной камерой и ее поворотным устройством оператор осуществляет джойстиком.
Схема работы с матричным коммутатором проста и доступна. Один коммутатор может взять на себя функции управления 128 поворотными устройствами, трансфокаторами и камерами.
Поворотные и защитные устройства видеокамер
При контроле периметра прямоугольного здания используют от двух до четырех камер. Выбор определяется требованиями наглядности представления видеоинформации об оперативной обстановке.
При установке четырех камер оператор на экране монитора может одновременно наблюдать весь периметр здания. При установке двух камер на поворотных устройствах одновременно можно наблюдать только половину периметра здания. При этом поворотные устройства позволяют контролировать прилегающую к зданию площадь.
В случае контроля периметра или перед зданием, камеры устанавливаются в защитных кожухах. Они предохраняют камеру от воздействия внешней среды. Кожуха для средней климатической полосы должны иметь автоматический подогрев для работы в холодное время года.
Защитные кожуха предназначены для работы в широком диапазоне климатических условий и позволяют использовать различные комбинации телевизионных камер и объективов. Кожух снабжается солнцезащитным козырьком, платой для установки камеры, нагревателем, термостатом и коммуникационной панелью. Ряд кожухов снабжается дополнительным оборудованием -вентилятором, дворником и омывателем стекла.
Поворотные устройства для видеокамер предназначены для расширения угла обзора камер. Камера, будучи установленной на поворотное устройство, перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях (табл. t4_13). Поворотные устройства для наружной установки могут работать в сложных погодных условиях, при температуре до -50°.
Для управления поворотными устройствами используются специальные клавиатуры и телеметрические устройства. Системные клавиатуры позволяют управлять камерами и их переключением на мониторы. Телеметрические устройства обеспечивают управление поворотными устройствами, трансфокаторами и т.д.
Видеопринтеры
Для регистрации видеоизображения, наряду с спецвидеомагнитофонами, в системах охраны используются и видеопринтеры (табл. t4_08). Видеопринтеры позволяют распечатать:
фотографии клиентов;
фотографии нежелательных посетителей;
кадры чрезвычайных ситуаций;
кадры с любой Вашей видеокассеты.
Передача изображения через телефонную сеть
Система Fast-Scantronic позволяет передавать оцифрованное изображение через существующую телефонную и другие виды информационных сетей. Вы можете не только запрашивать изображение, но и выдавать сигналы управления на исполнительные устройства, такие как поворотные устройства, ворота, сирены и т.д.
Fast-Scantronic осуществляет цифровую обработку и сжатие видеоинформации. Для выдачи информации в телефонную сеть подключается соответствующий модем. Передаваемая информация принимается и декодируется в приемном устройстве Fast-Scantronic. Цифровой метод передачи видеоинформации позволяет использовать одну и ту же линию для передачи видео, графических, информационных, тревожных, управляющих и программных сигналов.
Информация передается блоками в соответствии со специальным протоколом обмена, позволяющим избежать потерю информации. При передаче серии кадров, выдается информация только об изменениях в изображении. Средняя скорость - 4800 бод. Это означает, что на передачу первой картинки будет затрачено 3 сек. При передаче последующих картинок скорость возрастает в 5 раз за счет передачи только изменений в изображении.