В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
М.Ю. Арсентьев
Генеральный директор НТЦ "Подсвет"
Телекамера - главный и обязательный компонент любой системы видеонаблюдения. Современные системы вполне могут обойтись без штатных мониторов (просмотр можно осуществлять с любого ПК в Сети), без видеорегистраторов, даже без отдельных источников питания (в малых системах часто используется блок питания, встроенный в монитор или регистратор, а многие сетевые камеры поддерживают стандарт "питание через Ethernet", PoE). Однако ни одна система не может обойтись без камер, будь то традиционные аналоговые или сетевые IP-модели
Телекамера, по сути, представляет собой прибор для преобразования энергии фотонов (света) в телевизионный электрический сигнал. Фотон передает энергию свободному электрону, и если этой энергии достаточно для того, чтобы вырвать электрон с поверхности материала, и если этот электрон проживет достаточно долго, то существует возможность захватить его в некую "ловушку" и использовать в дальнейшем для формирования телевизионного сигнала. Преодоление всех этих "если" и "возможно" -довольно трудная задача, и ее решение стало реальным с развитием вакуумной технологии - ведь на воздухе пробег свободного фотоэлектрона ничтожен.
История практического применения телевизионных камер началась в 1920-х, когда американский школьник Фило Фарнсворт задумался над конструкцией "рассекателя изображения" (Image Dissector), в 1927 г. он первым создал передающую вакуумную телевизионную трубку, не имеющую механических сканирующих систем. Электроны, вырванные с поверхности фотоэмиттера, закручивались вдоль магнитных линий специальной "магнитной линзы" и, проходя через фотоэлектронный умножитель, попадали на фоточувствительную мишень-ловушку. Наш бывший соотечественник, Владимир Козьмич Зворыкин, предложил вниманию специалистов идею подобного устройства в 1923 г., но воплотил ее в жизнь несколько позднее, правда, внес в его конструкцию важные усовершенствования. В мишени его "иконоскопа", представленного широкой публике на Всемирной торгово-промышленной выставке в 1933 г., каждая ячейка содержала слюдяной конденсатор, сохранявший и накапливающий заряд до тех пор, пока он не будет опрошен сканирующим лучом. Это значительно увеличило чувствительность системы.
В дальнейшем передающие трубки непрерывно совершенствовались. Альберт Роз и Харлей Ямс создали в 1939 г. ортикон. Он отличался, в частности, низкоскоростным сканированием, что позволило снизить количество вторично выбиваемых из мишени электронов, заметно искажавших изображение иконоскопа. Таким образом, увеличилось разрешение камеры, однако динамический диапазон ортикона был крайне мал. Причем при появлении в поле зрения яркого предмета сигнал полностью пропадал и появлялся вновь только после нового включения телекамеры.
Разнообразие передающих трубок, разработанных в прошлом веке, велико: видиконы, эмитроны, плюмбиконы, са-тиконы, ньювиконы, изоконы, чалниконы и т.д. Телекамеры на основе этих трубок сначала стали использоваться в вещательном телевидении, а вскоре - в промышленности и в системах безопасности. Применение камер для теленаблюдения сдерживалось высокой ценой, малым сроком службы и "капризностью" электронно-вакуумных приборов, а также их относительно большими габаритами и энергопотреблением.
Революцией, открывшей дорогу массовому применению видеонаблюдения, стало появление приборов с зарядовой связью (ПЗС). Было установлено, что фотоны могут генерировать в слое кремния носители заряда, которые могут быть собраны и сохранены в отдельных областях (пикселях), а затем переданы через материал в виде дискретных пакетов заряда. Технологические возможности 1970-х гг. не позволяли наладить массовое производство ПЗС с относительно небольшой площадью пикселя, поэтому разрешение первых телекамер на основе ПЗС-матриц было довольно низким. Кроме того, качество матриц оставляло желать лучшего, а количество дефектных пикселей было весьма велико. Первоначально эта проблема решалась отбраковкой значительной части готовой продукции, что, разумеется, сказывалось на конечной цене телекамеры. На рубеже 1980-1990-х гг. технология производства настолько улучшилась, что процент бракованных матриц сократился до приемлемого уровня, размер пикселей уменьшился, телекамеры стали дешевле, и в охранном телевидении наступила "эпоха" ПЗС. Сейчас подавляющее большинство телекамер видеонаблюдения созданы на основе ПЗС-или более дешевых CMOS-матриц.
Современные телекамеры можно распределить на группы по нескольким параметрам, таким как:
Формат матрицы - исторически сложившаяся величина, которую невозможно измерить на ПЗС-матрице, хотя она жестко привязана к размерам ее рабочей зоны. Это диагональный размер видико-на (передающей трубки, наиболее распространенной в 1970-1980-е гг. в CCTV), изображение с которого эквивалентно изображению, формируемому данной ПЗС-матрицей. Формат матрицы и фокусное расстояние объектива однозначно задают угол зрения телекамеры. Чем больше формат матрицы, тем больше площадь светочувствительной рабочей зоны, то есть на этой площади можно разместить большее количество пикселей и (или) увеличить размер каждого из них, что приведет к росту разрешения и чувствительности. Это объясняет тот факт, что "топовые" модели телекамер делают именно на крупноформатных матрицах.
По типу формируемого изображения телекамеры традиционно делились на черно-белые и цветные. Цветные камеры на основе ПЗС-матриц создаются двумя основными способами. Первый заключается в наличии трех ПЗС-матриц и специальной призмы, разделяющей световой поток для формирования изображения на каждой из них. Такие камеры характеризуются высокими значениями разрешения, чувствительности и цветопередачи. Более дешевый (и распространенный в CCTV) вариант - одна ПЗС-матрица с мозаичной (реже - полосовой) структурой фильтров (далее - мозаичные светофильтры), позволяющих раздельно формировать на светочувствительных ячейках ПЗС изображения в различных цветах. Другими словами, перед каждой ячейкой установлен светофильтр, пропускающий какой-то один цвет. После считывания информации с ячеек происходит вычитание одних цветов из других, и формируются три сигнала - яркостный Y и два цветораз-ностных - U и V; в дальнейшем для передачи по одному коаксиальному кабелю все эти сигналы могут быть суммированы, и получается единый композитный цветной сигнал CVBS. Именно этот сигнал в большинстве случаев и называется видеосигналом. Для правильной передачи цветов между поверхностью ПЗС-матрицы и объективом устанавливается также светофильтр, не пропускающий инфракрасное излучение (далее - ИК-фильтр). Он обычно имеет вид тонкой пластины или пленки.
За получение цветного изображения приходится "заплатить" немалую цену, которая выражается в снижении чувствительности (из-за уменьшения площади каждого пикселя и дополнительных светофильтров) и разрешения (из-за замены одного пикселя четырьмя). В настоящее время приобрела популярность промежуточная модель "день/ночь". Существует несколько вариантов таких камер.
Самый простой и дешевый способ увеличить чувствительность - усилить видеосигнал, отключив цветовой тракт. В этом случае чувствительность камеры увеличивается незначительно, поскольку все светофильтры, присущие цветной камере, остаются на месте и вносят свою лепту в уменьшение светового потока, падающего на поверхность ПЗС-матрицы. Себестоимость такой камеры практически не отличается от классической цветной модели, поэтому данный тип телекамер весьма популярен при создании "бюджетных" решений.
Второй, ставший классическим вариант исполнения камеры - механически удаляемый ИК-фильтр. В этом случае он делается в виде сдвигаемой (реже -откидываемой) плоскопараллельной пластины. Сигнал к сдвигу фильтра подается либо от внешнего датчика освещенности, либо при понижении видеосигнала ниже некоего порогового уровня. Телекамеры такой конструкции имеют довольно высокую чувствительность, в том числе и в инфракрасном диапазоне, поэтому часто с этими камерами применяется встроенный или отдельный ИК-прожектор, позволяющий вести наблюдение в условиях полной темноты. К недостаткам подобной схемы можно отнести потенциально ненадежный механизм удаления ИК-фильтра и неудаляе-мый мозаичный светофильтр, который в режиме "ночь" уменьшает световой поток ровно так же, как и в классических цветных камерах. Кроме того, при наблюдении с помощью инфракрасной подсветки происходит расфокусировка системы из-за изменения длины волны света. От этого может "спасти" механический сдвиг ПЗС-матрицы или применение специальных объективов с ИК-коррекцией, не требующих перефокусировки при изменении длины волны.
Третьим вариантом телекамер "день/ночь" является совмещение в одном корпусе двух, по сути, совершенно автономных телекамер - цветной и черно-белой, а также (в большинстве случаев) ИК-прожектора. У каждой из камер имеется свой объектив, и интеграция происходит лишь на стадии коммутации выходных видеосигналов: при нормальной освещенности на выход подается сигнал от цветной телекамеры, а при снижении освещенности, контролируемой специальным датчиком, - от черно-белой. При этом одновременно с черно-белой камерой включается инфракрасный осветитель. Достоинства такой системы очевидны - в режиме "ночь" черно-белая телекамера, заранее сфокусированная для работы с И К-прожектором, дает наилучшее изображение, ведь световому потоку не "мешает" ни инфракрасный, ни мозаичный светофильтры. Для этой системы можно подобрать ПЗС-матрицу невысокого разрешения (оно все равно снизится в ИК-диапазо-не), но с максимальной площадью каждого пикселя, а значит, с наилучшей чувствительностью. Недостатки системы -высокая стоимость (две камеры, два объектива) и необходимость тщательной настройки для точного совпадения полей зрения цветной и черно-белой камеры, особенно при использовании вариофокальных объективов.
Четвертый вариант является комбинацией второго и третьего и предусматривает наличие двух ПЗС-матриц с одной оптической системой (объективом). При падении освещенности происходит механическая замена матриц с одновременным удалением ИК-фильтра. В результате достигается максимальная чувствительность третьего варианта одновременно с единой оптической системой, то есть с решением проблемы совмещения полей зрения. Единственным недостатком такой системы можно считать сложность изготовления (а значит -высокую стоимость) механизма смены ПЗС-матриц с исключительно высокой точностью позиционирования.
Разрешающая способность телекамеры характеризует ее способность создавать на подключенном к ней мониторе раздельные изображения двух близко расположенных точек или линий измерительной миры и определяется аналогично разрешению объектива. Для расчетов был сохранен эмпирический критерий Рэлея для дифракционного разрешения, из которого следует, что минимальный контраст (относительная разность освещенностей) изображения, при котором точки (или линии) считаются разрешаемыми, составляет около 25%. Разрешение телекамеры измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ) и соответствует числу ТВЛ, которое "покажет" монитор с контрастом не менее 25%.
В зависимости от взаимного положения линий измерительной миры и сетки пикселей ПЗС-матрицы количество линий на мониторе сильно различается: от максимального значения при расположении большинства штрихов в центрах пикселей до минимального - при попадании большинства штрихов между пикселями. Поэтому для упрощенного определения разрешающей способности был принят коэффициент 0,75, используемый для вычисления ее соотношения с количеством пикселей рабочей зоны ПЗС-матрицы. Иногда этот коэффициент называют kell-фактором. При этом подразумевается, что разрешающая способность объектива и монитора будет значительно выше, чем у телекамеры, а видеосигнал поступает на монитор по короткому кабелю с пренебрежимо малыми потерями сигнала. Нетрудно сосчитать, что для камеры высокого разрешения с рабочей зоной ПЗС-матрицы шириной 752 пикселя предельное разрешение по горизонтали составит: 752 х 0,75 = 564 ТВЛ.
В специальной литературе встречается значение kell-фактора, равное 0,7. В этом случае учитываются снижение ниже предельного значения (25%) глубины модуляции (контраста) при проецировании объективом мелких деталей изображения, а также потери при передаче сигнала по кабелю и воспроизведении на мониторе. К сожалению, некоторые производители в каталогах и рекламных проспектах часто используют "расширенный" (Extended) kell-фактор, значения которого могут достигать 0,8, что позволяет "повысить" разрешающую способность телекамеры с той же ПЗС-матрицей с 560 до 600 ТВЛ и даже более, что, разумеется, не соответствует действительности.
Минимальная освещенность - второй важнейший параметр телекамеры. Обычно под ним понимается минимально возможная освещенность на объекте наблюдения, при которой данный объект различается телекамерой. Измерить этот параметр, на первый взгляд, несложно - направляем телекамеру на некий объект, например на тестовую таблицу, и, снижаем освещенность на этом объекте до тех пор, пока он не перестанет различаться. Измеряем получившееся значение освещенности - и все, параметр определен. Однако имеется ряд параметров, влияющих на результат подобного измерения.
Во-первых, это F-число объектива, определяющее количество света, падающего на поверхность ПЗС-матрицы.
Во-вторых, это уровень сигнала и отношение сигнал/шум, при котором будем считать объект различаемым.
Поэтому солидные производители, приводя значение минимальной освещенности, указывают и F объектива, на котором проводились измерения, и уровень видеосигнала (обычно в единицах IRE, каждая из которых равна 1% от величины активного видеосигнала), и отношение сигнал/шум (в децибелах). Ясно, что, изменяя (а впоследствии опуская) эти параметры, лукавому производителю можно добиться многократного "улучшения" параметра своей камеры и ее представления в рекламном каталоге в более выгодном свете.
Реально для увеличения чувствительности могут использоваться несколько методов. Например, увеличение глубины АРУ (автоматической регулировки усиления), но это ведет к росту шумов на изображении. Второй метод -увеличение времени накопления заряда свыше 1/50 с. Это приводит к уменьшению частоты обновления кадров, что недопустимо при быстром движении в кадре. Третий метод - суммирование сигналов с соседних пикселей, то есть своего рода укрупнение пикселей, а значит, уменьшение их количества и соответственно снижение разрешающей способности телекамеры. Очевидно, что рост чувствительности в любом случае чреват потерями - либо увеличением шумов, либо снижением количества кадров в секунду, либо уменьшением разрешающей способности телекамеры.
Наибольшей чувствительностью обладают камеры с ПЗС-матрицами, изготовленными по технологии ExView HAD. Увеличение чувствительности достигается за счет использования светофильтра с большим пропусканием в диапазоне ближней инфракрасной области, а также миниатюрных линз, размещенных перед каждой светочувствительной ячейкой (пикселем) и занимающих почти всю площадь рабочей зоны ПЗС. Это позволяет увеличить чувствительность в 2-5 раз по сравнению с обычной ПЗС-матрицей, особенно в инфракрасном диапазоне.
Стоит коснуться еще одной важнейшей для пользователя классификации телекамеры - по типу выходного видеосигнала. По этому критерию все телекамеры можно разделить на аналоговые (с видеовыходами CVBS, S-Video, и т. д.) и цифровые (с выходами типа TCP/IP, USB и т. д.).
Цифровые и, в частности, сетевые камеры имеют ряд безусловных преимуществ по сравнению с аналоговыми, в их числе:
Однако аналоговые телекамеры не спешат сдавать свои позиции, поскольку у цифровых моделей есть свои недостатки, часто вытекающие из их достоинств:
Тем не менее очевидно, что рано или поздно сетевые камеры излечатся от большинства своих "детских болезней" и займут достойное место на рынке CCTV.
Современные телекамеры видеонаблюдения имеют самые разные размеры и формы. По типу корпуса их можно разделить на несколько групп:
Бескорпусные камеры, по сути, представляют собой полуфабрикат, который должен быть установлен в тот или иной корпус или термокожух. Обычно бескорпусные модели наиболее дешевые из всего ассортимента телекамер, предлагаемых производителем, поэтому их схемотехника часто упрощена, а разрешение и светосила объективов, поставляющихся в комплекте с камерой, довольно низки. Исключение - модули без оптики, с держателями (holder) стандарта CS. Они фактически являются обычными телекамерами, лишенными корпусов, и, разумеется, не уступают по своим техническим характеристикам прототипам.
Традиционные корпусные C/CS-МО-дели по-прежнему популярны, и именно в этом конструктивном исполнении обычно продаются "топовые" модели любого производителя. Такие телекамеры, как правило, имеют максимум регулировок и настроек, что позволяет использовать их практически для любых задач. Единственное ограничение могут накладывать довольно большие габариты телекамер этой группы.
Особенным разнообразием форм отличаются корпусные телекамеры со встроенным объективом. Простейшая форма - квадратный корпус, в который, по сути, установлена модульная моноплатная камера. Такой корпус оснащен П-образным кронштейном и обычно имеет размеры сторон от 20 до 40 мм.
Более сложная форма - цилиндр, или, по терминологии юго-восточных производителей, "пуля". "Калибр" (диаметр) такой "пули" без встроенной инфракрасной подсветки обычно составляет от 18 до 24 мм. В комплект поставки входит кронштейн с шаровым шарниром, что позволяет удобно закрепить такую камеру как на стене, так и на потолке. Иногда цилиндрические телекамеры оснащаются ИК-осветителем, а корпус делается влагозащищенным. В этом случае возможно применение камеры в неотапливаемых помещениях и даже на улице.
Отдельную группу составляют телекамеры в корпусах-полусферах. Такой корпус легко вписывается в дизайн современного офиса или жилого помещения. Существуют влагозащищенные, ан-тивандальные варианты со встроенными объективами, оснащенными автоматической диафрагмой, вполне пригодные для установки на улице, например под козырьком подъезда. Некоторые камеры имеют внутренний кронштейн с тремя степенями свободы, что позволяет ставить такие камеры не только на потолки, но и на стены. Особенно удачным решением корпус в виде полусферы оказался для интегрированных комплектов speed-dome, включающих в себя телекамеру, объектив-трансфокатор и скоростное поворотное устройство. Удобство работы с такими камерами привело к тому, что продажи некогда популярных от компонентов систем видеонаблюдения, таких как трансфокаторы и поворотные платформы, уменьшились за последние годы в разы.
Для уверенной работы при различной освещенности многие телекамеры имеют выход для управления автоматической диафрагмой объектива. Большинство современных камер имеют возможность работы как с объективами VD (Video Drive), управляемыми видеосигналом, так и с объективами DD (Direct Drive), управляемыми сформированным в камере напряжением. В последнем варианте для настройки системы в камере присутствуют один или два регулятора, задающие порог срабатывания автодиафрагмы в каждом конкретном случае.
В профессиональных телекамерах высокого уровня важно наличие переключателя значений электронного затвора (Electronic Shutter, ES), который регулирует время экспозиции, то есть время накопления заряда пикселями ПЗС-матрицы. Если камера может работать не только в автоматическом режиме, но и также с электронным затвором, зафиксированном в значении, например, 1/1000 или 1/10 000 с, ее можно использовать в системах распознавания быстродвижущихся объектов (например, автомобильные номера).
Для работы с цифровыми системами видеозаписи может быть полезной возможность изменения на телекамере коэффициента гамма-коррекции. Обычно он имеет значение 0,45. Само преобразование служит для более естественного, комфортного восприятия человеком соотношения освещенностей на экране (согласно логарифмическому, а не линейному закону). Это, однако, может оказаться помехой, например, при оцифровке сигнала или при наблюдении объектов с малой контрастностью и со средней освещенностью.
Из-за получившей распространение тенденции к совместимости оборудования различных производителей, а также из-за стремления к простоте и быстроте монтажа, с минимумом подсоединяемых к камере разъемов, сейчас относительно редко используется внешняя синхронизация камер. Она позволяет синхронизировать работу всего комплекса CCTV (от камеры до монитора), включая блоки обработки и записи. Это снижает вероятность "срывов" изображения при коммутации из-за асинхронности, а также в ряде случаев увеличивает количество кадров в секунду при воспроизведении и записи изображений, что объясняется отсутствием задержек в работе устройств обработки сигнала при ожидании синхроимпульсов внутреннего генератора каждой камеры. Синхронизация может осуществляться через отдельный вход телекамеры или с частотой питающей сети (в случае переменного напряжении питания).
В солидных цветных телекамерах обычно есть автоматический и ручной режимы регулировки баланса белого. Предназначена эта регулировка для получения наиболее правдоподобных цветов на экране монитора. В ручном режиме пользователь фактически задает цветовую температуру естественных или искусственных осветителей, при свете которых происходит работа камеры. В результате можно добиться вполне естественной "картинки" как при солнечном свете, так и при искусственном освещении.
Для большинства телекамер обычной стала функция компенсации встречной засветки BLC (Back light compensation). Если раньше производители ограничивались "зарезанием в белом", то есть сознательно теряли часть засвеченного изображения ради "вытягивания" темных участков, то сейчас встроенные в камеры процессоры цифровой обработки сигнала DSP работают с видеосигналом более "нежно". Самые "продвинутые" процессоры могут, например, "зачернить" самые яркие участки или вообще обрабатывать сигнал с каждого пикселя или с каждой группы пикселей отдельно. Это позволяет, например, различать автомобильные номера в темное время суток при включенных фарах или бликующие карты на игральном столе. Некоторые телекамеры осуществляют две экспозиции каждого поля с разным значением электронного затвора, а потом совмещают обе экспозиции в одно поле. Это дает возможность одновременно различать и темные участки (с большим временем экспозиции) и светлые участки (с малым временем).
Многие современные телекамеры используют цифровые технологии снижения шума (Digital Noise Reduction, DNR). В результате мы можем получать изображение приемлемого уровня в тех случаях, когда раньше разобрать что-то на фоне шума было совершенно невозможно, например, при предельно низких уровнях освещенности.
Касаясь ближайших перспектив развития телевизионной техники, надо отметить тенденцию к росту интеллектуальных возможностей камер. Полагаю, что в ближайшее десятилетие лидерство в дорогом сегменте рынка CCTV захватят мегапиксельные IP-камеры, которые будут обладать большинством функций, ныне присущих главным образом видеорегистраторам. Снижение цен, миниатюризация и увеличение емкости flash-карт и жестких дисков позволят создавать распределенные системы с сохранением архивов видеоинформации непосредственно в камерах. Разрешение телекамер для CCTV, скорее всего, ограничится 6-7 мегапикселями (да и эти значения едва ли будут когда-либо массовыми), поскольку дальнейшее увеличение разрешения потребует весьма дорогой оптики, а чувствительность таких камер (если не переходить на форматы ПЗС-матриц в несколько дюймов) оставляет желать лучшего. Непременной функцией "топовых" моделей станет автоматическое изменение разрешения и цветности изображения, которые будут зависеть от освещенности.
В области недорогих решений не стоит ждать революций. Здесь выгоды полного перехода на сетевые телекамеры не столь очевидны, и аналоговые камеры еще долго будут удерживать свои позиции.
Опубликовано: Каталог "CCTV"-2008
Посещений: 14361
Автор
| |||
В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
