От соглядатаев до IP-технологий. История видеонаблюдения

Современные видеокамеры поражают своими возможностями. Они могут давать обзор в 360 град., находить, зуммировать и вести объект, работать в полной темноте и распознавать лица людей. С чего началась история видеонаблюдения, что изменилось за последние 20 лет?

На протяжении всего времени своего существования человеку было важно знать, что происходит за пределами его жилища. Неандерталец, прежде чем выйти наружу, потихоньку выглядывал из пещеры, проверяя, нет ли поблизости опасных зверей. Правителю (вождю, князю, фараону, царю) более развитого общества необходимо было знать, что происходит на подвластных ему землях. Подобная информация собиралась в двух целях:

• открытый сбор сведений велся для контроля происходящего в стране, слежения за ходом работ при строительстве пирамид, дворцов, плотин и т.д.;
• тайное получение информации было направленно на нейтрализацию внешних и внутренних угроз государству.

Прообразы средств видеонаблюдения

До создания электронных средств видеонаблюдения их роль выполняли люди. В городах это были соглядатаи, агенты, работающие на службы правопорядка, – полицейские, стражники, центурионы. При сооружении крупных объектов – надсмотрщики и мастера. Они докладывали руководителю, а тот правителю, что хочет подвластный ему народ и что необходимо властелину, чтобы удержаться на троне. Правители, которые были глухи к народным нуждам, часто заканчивали свою жизнь на эшафоте. Большую опасность для монархов представляло и их окружение. Правящая элита часто вступала в заговор с целью посадить на трон своего кандидата. Свергнутого монарха редко оставляли в живых. Таким образом, если он хотел жить, то должен был знать и контролировать намерения своих близких подданных.

Чтобы раскрывать заговоры, пользовались услугами тайных агентов, а также средствами слежения тех времен: тайными глазками в стенах, особыми слуховыми коридорами для прослушивания разговоров в комнатах гостей. В различных источниках встречается также упоминание о приборе, через который король мог наблюдать, что происходит в тронном зале. Скорее всего, речь идет о системе зеркал, установленных под углом в 45 град., с помощью которых и передавалось изображение. Позже такой способ использовался в перископах подводных лодок.

Мечты видеть на расстоянии отражались в сказках. Хрустальный шар, волшебное зеркало, тарелочка с наливным яблочком – это не что иное, как сказочные прообразы современных средств видеонаблюдения.

Первые приборы для передачи изображений на расстояние

В XX веке сказки о ковре-самолете, хрустальном шаре, самодвижущейся повозке и других волшебных предметах стали превращаться в реальность.

Первое в мире устройство, способное передавать картинку на расстоянии, создал в 1931 г. в США русский инженер Зворыкин. Своему изобретению он дал название "иконоскоп" (от греческих слов eikn – изображение и skopo – смотрю).

В иконоскопе изображение с объектива поступает на мозаику, состоящую из множества конденсаторов, один вывод которых подключен к глобуле серебра, а другой к "земляному" выводу. В результате на конденсаторах накапливается заряд, пропорциональный падающему на мозаику свету.

Далее электронный луч, образованный системами развертки и фокусировки, пробегает по экрану, считывая видеосигнал.

Позже иконоскопы были заменены более чувствительными и совершенным передающими телевизионными трубками. Это суперортиконы, видиконы и некоторые другие.

28 ноября 1933 г. инженером Шмаковым был изобретен супер-иконоскоп. Он на порядок превосходил чувствительность иконоскопа Зворыкина.

Отечественная камера КТП-67 1975 г. выпуска была оборудована видиконом и объективом "Юпитер-М", имела моторизированный фокус и управляемый поворотный механизм. Размер камеры был обусловлен использованием видикона. Для его работы требовались блоки строчной и кадровой развертки, блок высокого напряжения, блок синхронизации, и все это на дискретных элементах.

Технические характеристики:

•  чувствительность 0,1 лк;
• разрешение от 380 до 420 телевизионных линий;
• угол обзора от 3,4 до 90 град;
• угол обзора при использования поворотного устройства до 360 град;
• питание 24 В;
• потребляемый ток 250 мА;
• длина 390 мм, ширина 220 мм, высота 140 мм;
• Вес 4 кг

Матрицы камер видеонаблюдения

Четкость изображения видеокамеры зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Размер камер сильно уменьшился после появления матриц CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью). Они были изобретены в 1969 г. Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Способность элемента памяти матрицы принять заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту дала возможность сделать использование ПЗС в видеонаблюдении основным. В 1970 г. у исследователей из Лабораторий получилось снимать картинку с помощью простых линейных устройств.

Под воздействием света в любом пикселе матрицы возникают электроны. В течение заданного промежутка времени все пиксели постепенно заполняются электронами, пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные определенным пикселем, по очереди подаются на "выход" прибора и измеряются.

Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и определить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Вначале использовались монохромные матрицы. Позже их заменили цветные. Так как ночью невозможно получить качественное цветное изображение, применялся специальный фильтр, переводивший камеру в черно-белый режим в условиях плохой освещенности.

Используя специальные фильтры матрицы, разделяют цветное изображения на составляющие.

Камеры на основе ПЗС матриц использовались в течении многих лет, но возросла скорость процессоров видеокамеры, и связанное с этим появление мегапиксельных камер привело к тому, что скорость последовательного сканирования стала недостаточной. Поэтому производители были вынуждены перейти на КМОП-матрицы (КМОП – комплементарная структура "металл – оксид – полупроводник", англ. CMOS).

CMOS-технология предусматривает размещение электронных компонентов непосредственно в любом пикселе светочувствительной матрицы. Главное преимущество технологии – малое энергопотребление в статическом состоянии. Это дает возможность использовать такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме сна или ожидания события.

Важным преимуществом матрицы КМОП является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части, что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем. Возможность считывания нужных групп пикселей резко убыстрила обработку изображения.

Дополнительные усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет улучшить работу камеры в условиях недостаточного освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает балансировку белого.

Производство КМОП-матриц намного дешевле в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

К 2008 г. КМОП практически заменили ПЗС.

Видеонаблюдение началось с дорог

С момента изобретения передающей трубки Зворыкина до ее реального применения прошло четверть века. Только в 1956 г. в Гамбурге были применены видеокамеры для управления движением на перекрестках. Полицейский видел дорожную ситуацию на мониторе и по мере надобности переключал светофор.

В 1959 г. в Ганновере и Мюнхене видеонаблюдение стало применяться для контроля, ставшего более интенсивным уличного движения. В 1965 г. система видеофиксации на улицах Мюнхена была расширена до 14 камер, каждая из них имела возможность дистанционного управления поворотом и трансфокатором.

В 1968 г. в США, в городе Олен, была впервые применена система видеонаблюдения для охраны территории складов. Правда, для создания 8-камерной системы потребовалось два года и 1,5 млн долларов. Но, несмотря на высокую стоимость, идея стала популярной.

Посты видеонаблюдения оснащались десятками мониторов: каждой камере был нужен свой. Операторам было трудно контролировать такое количество экранов, их внимание рассеивалось. Поэтому появились первые устройства мультиплексирования – квадраторы. Они объединяли четыре исходных видеосигнала в один общий. На мониторе выводилась картинка, состоящая из четырех изображений, каждое из которых представляла собой уменьшенное отображение с одной из видеокамер. Это дало возможность резко уменьшить количество экранов в центре видеонаблюдения.

С появлением мониторов с большими экранами появилась возможность применять в видеосистемах мультиплексоры, работающие с 8, 9, 16 камерами. По своим возможностям они подразделялись на три вида:

• симплексные мультиплексоры позволяли только просматривать изображения;
• дуплексные мультиплексоры обеспечивали просмотр изображения и запись его на видеомагнитофон;
• триплексные мультиплексоры – просмотр изображения, запись на видеомагнитофон и просмотр сохраненного контента.

Устройства  видеозаписи

С появлением первых видеосистем возникла потребность в сохранении полученной информации. Оператор должен был, не отрываясь, следить за изображением на мониторах, чтобы не пропустить ничего важного.

В 1951 г. появились первые VTR-устройства (Video Tape Recorder), записывающие изображение на магнитную ленту. Размером они были со шкаф и стоили немало. Первый видеомагнитофон, созданный в 1956 г., был способен полноценно записывать звук и изображение на магнитную ленту при помощи магнитных видеоголовок, но стоил при этом 50 тыс. долларов. Однако это не помешало стремительному росту популярности устройства: уже через полгода видеомагнитофон стал применяться во всех ведущих телевизионных студиях США. Но до охранных видеомагнитофонов было еще далеко.

"Интеллектуальные здания: возвращение к истокам" читать >>>

Охранные видеорегистраторы предназначены для записи событий, контролируемых системой видеонаблюдения. Основное отличие охранных видеомагнитофонов от бытовых – возможность записи на стандартную (обычно трехчасовую) видеокассету в течение длительного времени (до 960 часов), а в случае тревоги переход на более качественную видеозапись.

Охранный видеомагнитофон обеспечивает работу в различных режимах, с его помощью можно искать запись, сделанную в определенное время или день, а также записи событий с тревогой. По принципу работы в режиме длительной записи охранные видеомагнитофоны различались на Time Lapse (прерывистая запись) и Real Time (видеомагнитофоны реального времени), отличающиеся записью меньшего количества кадров в секунду, чем в поступающем видеосигнале.

Сейчас такие видеомагнитофоны уже не применяются, они вытеснены устройствами цифровой записи. Мультиплексор с записью на жесткий диск – это то, что мы называем видеорегистратором. С развитием технологий емкость и скорость считывания винчестеров все время увеличивались. Сейчас их емкость достигает 2 Тбайт, при скорости 100 Мбит/с. Это дает возможность записывать большие объемы информации.

Из личного опыта

Когда в 2000 г. я начал заниматься видеонаблюдением, еще доживали свой век советские камеры, подобные описанным выше КТП-67. Качество картинки было очень низким. Если днем еще можно было что-нибудь рассмотреть, то ночью мы видели только светлые пятна от фонарей. В других подразделениях нашей организации были черно-белые камеры оборудованные ПЗС-матрицами импортного производства. Использовались также квадраторы и дуплексные мультиплексоры. Особо важные участки записывались на видеомагнитофон. Единой системы видеонаблюдения у нас не было.

Централизованное оборудование Московской области системами видеонаблюдения началось с 2005 г. Система безопасности представляла собой модульное программное обеспечение, связанное по схеме трехуровневой клиент-серверной модели. В комплект поставки входили две платы на четыре канала видео и звука каждая. По тем временам система обладала хорошими характеристиками:

• аппаратное сжатие;
• аппаратный детектор движения (до 100 зон детекции на канал);
• формат видео изображения и записей – mpeg-4 (стандарт H.264);
• поддерживаемые разрешения: 352/288 (CIF), 704/288 (HD1), 704/576 (D1);
• до 25 кадр/с по каналу независимо от разрешения;
• переменный/постоянный (с возможностью выбора) битрейт;
• синхронный звук по всем каналам.

К 2007 г. вся область была оборудована подобными системами. Однообразие оборудования позволило облегчить обслуживание и ремонт.

IP-системы

В 2007 г. появилась первая ласточка IP-систем. Она представляла собой переходное устройство между аналогом и IP. Основу четырехкамерной системы составляла большая камера, которая имела три входа для аналоговых камер и выход на UTP-линию. Внутри устройства сигнал от четырех камер оцифровывался и подавался на разъем для передачи на компьютер. К камере можно было подключить аналоговый монитор. Скорости передачи по витой паре не хватало, поэтому сигнал на изображении то и дело зависал. Но все-таки пара десятков этих устройств были установлены.

В 2009 г. у нас появилась полноценная система IP-видеонаблюдения. В комплект входили системный блок, свич, блок питания и четыре камеры. В комплект ПО входила утилита, с помощью которой обнаруживались IP-адреса камер. После их надо было прописывать в программе, с указанием параметров настройки.

Поскольку видеокамеры имели сравнительно небольшой битрейт, проблем с нагрузкой сети не возникало. Камеры подключали к свичу, находящемуся рядом с системном блоком.

В 2011 г. на вооружение поступила система, которая могла работать уже с 32 камерами, причем как с IP, так и с аналогом (при использовании дополнительных плат видео захвата). К ней можно было подключать до 10 клиентских рабочих мест.

В 2015 г. один сервер уже мог работать с 80 камерами, причем можно было использовать несколько серверов в одной системе. Система отличалась удобным интерфейсом и автоматической настройкой. Подключались также модули видеоаналитики.

В сравнительной таблице видно, как менялись характеристики устройств в последние 10 лет.

Редакция советует

Современные системы видеонаблюдения предлагают: ведущий мировой производитель и разработчик решений в области видеонаблюдения компания Dahua Technology, компания, специализирующаяся на разработке, производстве технических средств видеонаблюдения, мониторинга и автоматизации производственных процессов, – "БИК-Информ", производитель и поставщик оборудования для систем безопасности, автоматизации и диспетчеризации научно-внедренческое предприятие (НВП) "Болид".

Больше статей по видеонаблюдению >>>