Учебное пособие 800356

3.КОМПОНЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ

3.1.ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ КАМЕРЫ И ОБЪЕКТИВЫ

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

Телевизионная камера состоит из:

1.) фотоэлектрического преобразователя(ФЭП), устройства формирования видеосигнала (предварительное усиление видеосигнала),

2.) видеоусилителя (усиление видеосигнала до необходимого уровня - 1В, и его обработка),

3.) системы автоматической регулировки уровня (АРУ) сигнала (поддерживает видеосигнал на постоянном уровне) и, возможно,

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

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

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

Стандарт видеосигнала - принцип кодирования информации в электрическом сигнале. Существует два наиболее распространенных стандарта видеосигнала черно-белого изображения: стандарт американской ассоциации производителей электроники (Е1есtrоnс Industry Аssociation) ЕIА и стандарт международного консультативного комитета по радиосвязи (Comite Consultatif International des Radiocommunication) ССIR.

11

В цветном телевидении наиболее распространены три стандарта видеосигнала:

-разработанный и принятый в США стандарт NTSC (National Television System Color),

-разработанный во Франции стандарт SECAM (Sequential couleur a memoire ),

принятый в России как стандарт вещательного телевидения,

-разработанный в Германии стандарт РА1- (Phase alternation line).

Рассмотрим основные характеристики телевизионной камеры.

12

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

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

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

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

Оптический формат - размер светочувствительной области фотоэлектрического преобразователя. Основные форматы фотоэлектрических преобразователей на ПЗС и их размеры приведены в табл. 3.1.

Таблица 3. 1.

Оптические форматы и размеры фотоэлектрических преобразователей на ПЗС

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

• тип "С" - резьба 2,54х0,8мм расстояние до плоскости фотоэлектрического преобразователя 17,5 мм,

13

• тип "СS" резьба 2,54х0,8мм расстояние до плоскости фотоэлектрического преобразователя 12,5 мм.

Камеры с узлом "С"-типа могут работать только с объективами "С"-типа, а ТК с узлом "СS"-типа работают с объективами "С8"-типа, а также допускают установку объектива "С"-типа с адаптером (кольцо, шириной 5 мм).

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

В телевизионные камеры обычно встраиваются устройства, помогающие им адаптироваться к различным условиям освещенности, обрабатывающие видеосигнал для улучшения качества изображения и т.д. Некоторые из этих устройств рассматриваются ниже.

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

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

Автодиафрагма - выход ТК для управления объективом с автодиафрагмой.

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

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

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

14

какому-либо выбранному или заранее установленному фрагменту изображения, например, по центру.

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

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

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

Оптический формат - определяется той телевизионной камерой, для которой предназначен объектив. Данные по оптическим форматам приведены в табл. 2. 1. При определении оптического формата для ТК необходимо следить за тем, чтобы оптический формат объектива был равен или был больше оптического формата ТК. Если оптический формат объектива окажется меньше, то на экране видеомонитора вокруг изображения будет черная рамка.

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

Чем меньше фокусное расстояние объектива, тем больше его угол зрения (больше видно), но детали изображения мельче, и наоборот, чем больше фокусное расстояние объектива, тем меньше угол зрения (меньше видно), но детали изображения крупнее (табл. 3.2). Простыми словами, с увеличением фокусного расстояния объектива изображение "приближается".

Математически зависимость угла зрения от фокусного расстояния и оптического формата объектива определяется формулой:

где: аv - угол зрения ТК по горизонтали,

v - ширина фотоэлектрического преобразователя на ПЗС, f - фокусное расстояние объектива.

Примечание: Величину угла зрения ТК по вертикали (аh) можно вычислить по аналогичной формуле подставив вместо ширины (V) - высоту (h) фотоэлектрического преобразователя.

После выбора и монтажа телевизионной камеры с объективом важно грамотно выполнить ее фокусировку. Недостаточно точно выполненная фокусировка - наиболее часто встречающаяся погрешность в регулировке телевизионных камер. Известно, что операция фокусировки производится при полностью открытой диафрагме, при этом изображение на мониторе с настраиваемой ТК должно быть достаточно высокого качества. Для большинства телевизионных камер с объективами F/1.4 эти условия выполняются при освещѐнности на объекте, порядка (5-10) люкс. Такие значения освещѐнностей в течение суток существуют весьма короткое время, только на восходе и закате

15

солнца, и воспользоваться этими промежутками времени для настройки фокуса весьма проблематично. Очевидно, что при больших освещенностях диафрагма закрывается, глубина резкости возрастает, что резко ухудшает точность установки фокуса. При меньших освещенностях контраст изображения падает, а включение АРУ, парирующее падение контраста, ухудшает отношение сигнал/шум, что так же не способствует качественной настройки фокуса. Для достижения требуемой освещенности регулировщики часто используют нейтральные фильтры. Однако они не всегда есть под руками в нужном наборе, дабы попасть в желаемую точку по освещѐнности. Кроме того, удерживание фильтров перед объективом (фильтры типа оптических насадок большая редкость) с одновременным вращением привода фокусировки и наблюдением изображения на экран монитора, тоже же занятие не из простых.

Таблица 3. 2. Зависимость угла зрения от фокусного расстояния

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

Операция фокусировки значительно упрощается, если диафрагму объектива открыть принудительно, а регулировку чувствительности ТК доверить автоматической системе установки необходимого времени экспонирования электронным затвором ПЗС-матрицы, обеспечивающей воспроизведение номинального по контрасту изображения на мониторе при достаточно высоких освещенностях на объекте.

Для открытия диафрагмы объектива "Video iris" достаточно подать питание на соответствующие контакты разъѐма объектива от батарейки "КРОНА", а на объектив с прямым приводом диафрагмы "DC iris" на основную катушку "Drive coil" в соответствующей полярности. На телевизионной камере

16

необходимо включить систему электронного затвора "Autoshutter" после этого можно свободно заниматься регулировкой заднего фокуса.

Если ТК установлена в штатном для неѐ месте, то установите кольцо фокусировки на объективе (если оно имеется) в среднее положение, включите телевизионную камеру и, вращая винт перемещения ПЗС-матрицы относительно кольца крепления объектива к камере, добейтесь максимальной резкости изображения на экране монитора. Затем убедитесь, что повороты кольца фокусировки объектива в обе стороны ухудшают резкость изображения. Оставьте кольцо в положении, обеспечивающем максимальную четкость изображения, закрепив это положение кольца винтом, имеющимся на объективе. Выключите электропитание камеры, вставьте разъѐм привода диафрагмы объектива в соответствующий разъем камеры, затем включите ТК и окончательно убедитесь, что фокусировка выполнена качественно и диафрагма при этом работает. В зависимости от условий освещенности, в которых предполагается работа ТК, система " Autoshutter " может быть оставлена включѐнной или же выключена. Не следует подключать разъем привода диафрагмы объектива при включенной ТК, это может привести к выходу из строя электронных устройств камеры, работающих на объектив. Особенно это опасно для объективов " DC iris". Переходные процессы в катушках привода объектива в момент подключения приводят к возникновению перенапряжения в выходных цепях камеры и выходу строя активных компонентов схемы.

Настройка фокусировки ТК непосредственно на месте установки в практике явление редкое, в основном, это имеет место для камер установленных внутри помещений. Уличные камеры, как правило, размещаются в защитные кожухи и настройка фокусировки на месте установки становится проблематичной. С другой стороны, уличные ТК обычно имеют настройку фокусировки на бесконечность. Это обстоятельство позволяет произвести предварительную настройку фокусировки в лабораторных условиях. Обычно это делают с помощью испытательной таблицы, например ТИТ 0249 на оптическом коллиматоре. Если же коллиматора нет в наличии, то фокусировку камеры по вышеизложенным рекомендациям можно произвести по объекту, находящемуся на расстоянии от видеокамеры, превышающем 200 фокусных расстояний настраиваемого объектива. Это условие довольно легко выполняется для СТН, т.к. длиннофокусные объективы с F>25мм в них используются весьма редко. Объективы с переменным фокусным расстоянием следует настраивать по методике изложенной выше при двух крайних значениях фокусного расстояния, последовательно добиваясь максимального разрешения в обоих положениях фокуса. В заключение регулировки необходимо проверить, что в промежуточных положениях значений фокуса фокусировка сохраняется.

Фильтры являются составной частью объектива ТК. Применение дополнительных цветных фильтров позволяет изменять значения в шкале серого цвета для разных цветов. Без применения фильтра красный цвет имеет разные оттенки в шкале серого при солнечном и искусственном освещении, в яркий солнечны день зеленый цвет в тени может приобрести голубоватый

17

оттенок, что делает изображение слишком светлым. Поэтому очень важно правильно выбрать тот тип фильтра, который необходим в конкретной ситуации.

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

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

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

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

3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Для передачи телевизионного сигнала в СТН могут использоваться как проводные каналы связи (коаксиальные кабели, витая пара, телефонные линии, волоконно-оптические линии и др.), так и беспроводные - радиоканал, лазерный или ИК-канал.

3.2.1. ПРОВОДНЫЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ

Коаксиальный кабель - наиболее распространенный канал передачи изображения в реальных СТН.

Основными характеристиками кабеля являются его волновое сопротивление, диаметр и погонное затухание.

Как правило, входные и выходные сопротивления основных компонентов СТН имеют значение 75 Ом, т.е. рассчитаны на применение кабелей с волновым сопротивлением 75 Ом, поэтому применять для передачи видеосигнала кабели с другим волновым сопротивлением не рекомендуется.

Максимальное расстояние передачи видеосигнала по коаксиальному кабелю зависит от целевой задачи СТН и определяется, исходя из допустимого затухания видеосигнала в кабеле: для идентификации - 3 дБ, для обнаружения -

6 дБ.

Затухание в коаксиальном кабеле зависит в основном от его диаметра и составляет:

18

-2,6 дБ на 100 м - для кабеля диаметром 6 мм,

-1,4 дБ на 100 м - для кабеля диаметром 9 мм.

Исходя из приведенных выше цифр, можно рассчитать максимальное расстояние передачи видеосигнала по коаксиальному кабелю.

При необходимости передачи сигнала на большие расстояния применяют видеоусилители. При применении видеоусилителя максимальное расстояние передачи видеосигнала может быть определено по формуле:

где: Кус-коэффициент компенсации усилителя, дБ;

Кзат - затухание в кабеле на 100 м, дБ.

При выборе и монтаже коаксиального кабеля, применяемого в СТН необходимо соблюдать следующие правила:

1.Выбирать коаксиальный кабель с двойной экранировкой для увеличения степени подавления помех. Степень подавления помехи должна быть не менее 60 дБ.

2.Применять методы, уменьшающие влияние помех, возникающих на объекте (предотвращение или уменьшение искрообразования, использование в аппаратуре специальных фильтров для уменьшения паразитного высокочастотного излучения, устранение помех электрической сети (50 Гц), экранирование аппаратуры и др.).

3.Производить прокладку кабелей в помещениях в декоративных коробах, трубах, а в опасных, с точки зрения вандализма, помещениях - в металлически трубах и металлорукавах. Возможна также прокладка кабеля по существующим кабельным каналам.

4.Производить прокладку кабелей вне помещений в земле или по стенам здания. Для этого должны применяться специальные кабели в броневой оплетке, выдерживающие большие колебания температур (от -40 до +70 °С), высокую влажность (100%), воздействие солнечного света, соли и грызунов. Возможно также применение обычных кабелей, прокладываемых в герметичных металлических трубах и металлорукавах.

Однако, не допускается прокладывать в одном коробе или одной трубе вместе коаксиальные кабели и высоковольтные кабели сети питания.

Для передачи сигнала на большие расстояния (до 1,5 км) возможно применение линии передачи "витая пара" с соответствующим оборудованием (передатчиком и приемником) для преобразования видеосигнала в симметричный, поскольку на выходе камеры сигнал несимметричен.

Внастоящее время получили распространение системы передачи изображений от ТК по телефонным линиям связи. Основным ограничением, долгое время тормозящим применение таких систем, являлась скорость передачи данных. Максимальная пропускная способность российских

19

телефонных линий составляет 9600 бод, а объем информации одного кадра изображения около 250 Кбайт. Следовательно, информация, соответствующая одному кадру изображения передавалась бы около 3,5 минут. Обновление кадров со скоростью 1 кадр в 3,5 минуты для ТСВ совершенно недопустимо, поэтому для передачи сигналов от ТВК по телефонным линиям применяются различные методы сжатия видеосигнала (например, условное обновление, JPEG, MJPEG), позволяющие в зависимости от реальной пропускной способности телефонной линии и необходимого качества изображения получать обновления практически в режиме реального времени.

Как правило, система передачи изображения по телефонным линиям состоит из передатчика, выполняющего алгоритм сжатия изображения, с модемом и персонального компьютера с модемом и программным обеспечением, выполняющего роль приемника и видеомонитора.

Перспективным является использование в СТН оптоволоконных технологий. Оптическое волокно в сравнении с традиционным электрическим проводником обладает несколькими очевидными преимуществами. Во-первых, оно представляет собой среду, в которой информация в виде световых импульсов распространяется с очень незначительными потерями. Таким образом, информацию по оптоволокну можно передавать на большие расстояния без промежуточного усиления. Во-вторых, оптическое волокно делает возможным осуществление одновременной передачи большого числа независимых сигналов по одному каналу. Это позволяет заменить десятки электрических кабелей одним оптико-волоконным кабелем. В-третьих, оптоволокно гарантирует высокую помехозащищенность и конфиденциальность передаваемой информации.

Эти свойства оптоволокна оказываются весьма полезными для построения систем передачи видеоизображений от телевизионных камер на большие расстояния. Например, по наилучшему коаксиальному кабелю передача видеоизображения без промежуточного усиления возможна на расстояние не более 500 метров. В то же время по многомодовому оптоволокну такая передача стандартного видеосигнала возможна на расстояние до 4 - 5 км, а по более качественному одномодовому волокну - на расстояние до 80 км. Причем, по одному волокну может передаваться одновременно несколько каналов видеоинформации и дополнительная цифровая командная информация для управления поворотными устройствами и вариообъективами.

3.2.2. БЕСПРОВОДНЫЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ

При развертывании мобильных и переносных систем видеонаблюдения и при невозможности (нецелесообразности) прокладки кабельных линий, используются радиоканалы связи. Дальность передачи при этом составляет от нескольких сотен метров до нескольких километров. В простейшем случае камера подключается к радиопередатчику дециметрового диапазона, а сигнал принимается на обычный телевизор. Однако такие системы имеют существенные недостатки: могут создавать помехи бытовому теле-,

20