Телевизионные камеры для систем видеонаблюдения: технические характеристики и методики выбора
Продолжение, начало в № 8
Чувствительность
Чувствительность - еще один важный параметр ТВ-камеры. Этот параметр определяет качество работы камеры при низкой освещенности. Производители по-разному трактуют это понятие. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность объекта (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают минимальную освещенность матрицы (image illumination). С теоретической точки зрения правильнее было бы указывать освещенность матрицы, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает (или может измерить). Поэтому обычно указывают минимальную освещенность объекта, измеренную в стандартизированных условиях: коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4.
Формула, связывающая освещенность объекта и матрицы, приведена ниже:
Iimаge=Iscene•R/(n•F 2), где
Iimаge - освещенность на ПЗС-матрице, Iscene - освещенность на объекте, R - коэффициент отражения объекта (см. таблицу 1.1), F - светосила объектива.
Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются, как правило, больше чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0,01 люкс, то это значит, что при объективе F1,4 минимальная освещенность объекта - 0,1 люкс, а это - среднее значение для современной ТВ-камеры. Известные фирмы в паспортах и каталогах обычно ставят значения освещенности именно на объекте. Производители же среднего уровня стремятся выделить свою продукцию за счет более привлекательных характеристик чувствительности, при этом, как правило, "забывая" указывать, что измерения проводились на матрице. Но даже эти данные не дадут вам ясной картины о чувствительности, еще есть много факторов, влияющих на результаты измерений.
Измерения проводятся при помощи люксметра. Если телекамера сохраняет необходимые параметры изображения при освещенности объекта в 0,1 люкса, можно утверждать, что ее чувствительность составляет 0,1 люкса. Но при этом необходимо учитывать следующее: уровень сигнала (величина выходного сигнала с камеры равна 1,0 В или же меньше), место измерения (было ли проведено измерение уровня освещенности непосредственно на матрице ПЗС либо на объекте), использовался ли объектив (если да, каково относительное отверстие), какова отражательная способность тестируемого объекта. Вот почему для проведения подобных измерений необходимо использовать специальную комнату.
По сравнению с человеческим глазом чувствительность монохромных ТВ-камер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это обстоятельство позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческим глазом, но прекрасно фиксируется ТВ-камерами на ПЗС.
Для цветных ТВ-камер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с монохромными и отсутствие чувствительности в инфракрасной области спектра.
Чувствительность большинства современных монохромных ТВ-камер - порядка 0.01-1 люкс (при F1,2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК -подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света (см. таблицу 2).
Технические подробности
Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные ТВ-камеры, фактически являющие собой комбинацию обычной ТВ камеры и прибора ночного видения (например, электроннооптического преобразователя - ЭОП). Подобные камеры обладают не только уникальными свойствами (чувствительность их в 100-10 000 раз выше обычных, причем в инфракрасном диапазоне теплое человеческое тело само светится), но и уникальной капризностью: среднее время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем. Рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до 1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать "прожога " изображения. Для этого применяют специальные двухкоординатные устройства управления, которые постоянно перемещаются вверх-вниз, влево-вправо. Разумеется, если вам необходимо полностью скрытое видеонаблюдение, которое злоумышленник, экипированный ночными прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ТВ-камерам с ЭОП нет. Во всех же остальных случаях десять обычных камер, даже с ИК - прожекторами, будут дешевле одной "ночной'.
Отношение сигнал/шум
С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал/шум" (S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.
Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что амплитуда сигнала в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при 30 дБ - "снег" по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную "снежную" пелену разглядеть еще можно.
В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум вследствие действия АРУ и гамма-коррекции больше.
Технические подробности
Нередко чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение отношения сигнал/шум, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.
Другой способ определения приемлемого сигнала - шкала IRE (Institute of Rаdio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта без синхросмеси) принимается за 100 единиц IRE. Приемлемым считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, например, "Burle", приемлемым указывают сигнал 25 IRE, другие - 50 IRE (уровень сигнала - 6 дБ). Выбор приемлемого уровня определяется отношением "сигнал/шум". Усилить электронный сигнал нетрудно, но и шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового применения обладают Hyper-CAD матрицы "Sony", имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве ТВ-камер высокого качества. Разброс приводимых параметров камер, построенных на их основе, означает разный подход производителей к определению понятия "приемлемый сигнал".
Дополнительная проблема связана с тем, что единица измерения "люкс" определена для монохромного излучения с длиной волны 550 нм. Поэтому немаловажная характеристика - спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность монохромных камер существенно (по сравнению с человеческим глазом) сдвинута в инфракрасный диапазон. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами. Спектральная чувствительность цветных камер практически совпадает с человеческим глазом.
Автоматическая диафрагма
В течение суток освещенность на контролируемом объекте претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический электронный затвор (electronic shutter) или объектив с автодиафрагмой (autoiris).
Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность матрицы на постоянном уровне, изменяя величину относительного отверстия. Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного наблюдения рекомендуется использовать объективы с автодиафрагмой, так как в этом случае удается получить необходимый эффект при уровнях освещенности более 80 000 лк.
Автоматический электронный затвор
Автоматический электронный затвор, функциональный аналог выдержки фотоаппарата, обеспечивает компенсацию изменения уровня освещенности и постоянную среднюю яркость изображения. Это достигается за счет изменения времени накопления фотозаряда и, как следствие, амплитуды видеосигнала. Скорость переключения затвора (время накопления) может достигать 1/100 000 секунды. Стоимость объективов без диафрагмы значительно ниже стоимости объективов с автоматической диафрагмой, и применение телекамер с электронным затвором позволяет экономить в некоторых случаях значительные суммы, так как с этими камерами можно использовать объективы с ручной диафрагмой. Высокочувствительные камеры вместе с объективами без диафрагмы рекомендуется использовать только внутри помещений, так как диапазона перекрытия электронного затвора недостаточно, чтобы отработать изменение освещенности на улице. Использование электронного затвора также улучшает наблюдение за быстро перемещающимися объектами.
Применение объективов с автодиафрагмой предпочтительнее в случаях, когда телекамера работает в условиях сильно меняющейся освещенности или когда требуется наибольшая глубина резкости, которая достигается при максимально закрытой диафрагме объектива либо когда необходимо более четко передать границы ярких объектов.
Встроенный видеодетектор для управления диафрагмой
В настоящее время встроенный видеодетектор для управления диафрагмой становится стандартным для всех камер. Изначально разработанный для автоматических диафрагм, видеодетектор теперь помещается непосредственно на плату камеры. Это позволяет применять объективы без усиления или объективы с диафрагмой типа DC (стоимость их несколько ниже). Это также позволяет стандартизировать разъемы для подсоединения автоматической диафрагмы объектива к камере. В камере используется 4-выводный разъем, и многие объективы поставляются с ответными разъемами. Естественно, такое решение снимает проблему стыковки соответствующих клемм и делает процесс установки объектива более простым и быстрым.
Синхронизация камеры
Недостатком некоторых систем видеонаблюдения является плавающее и дрожащее изображение. Для ликвидации этого недостатка выполняется принудительная синхронизация телекамер и устройств обработки видеосигнала. Известно несколько способов синхронизации, одним из которых является синхронизация всех камер от одного источника сигнала. Это позволяет получить качественное изображение в момент переключения камер, устранить скачки и дрожание картинки.
Вариант синхронизации line lock
Описываемый вариант синхронизации может быть выполнен только с камерами, питающимися переменным током, так как в этом случае синхронизация всех камер осуществляется от питающего напряжения. Это возможно только в том случае, если питание камер происходит от одного источника переменного тока. Поэтому, пока ток в сети синфазный, синхронизация системы будет обеспечена. Если же разные камеры подключены к различным фазам, возникает необходимость их согласования по питанию и настройке фазы для каждой камеры в отдельности. Существуют специальные устройства фазирования / синхронизации для проведения работ по настройке и синхронизации камер в режиме line lock.
Внешняя синхронизация
Такой вариант синхронизации предполагает использование внешнего опорного источника сигнала. Затем этот сигнал распределяется на каждую камеру посредством специального коаксиального кабеля. Опорный сигнал может быть сформирован генератором синхросигналов. Также в качестве опорного сигнала может быть использован сигнал с видеовыхода одной из камер. Такой вариант предполагает применение дополнительных соединений и кабелей, однако является единственным способом осуществления синхронизации для камер с питанием от постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы по питанию (line lock). Некоторые устройства переключения (свитчеры), определенные виды мультиплексоров также требуют для своей работы камер, синхронизированных по внешнему источнику опорного сигнала. В том случае, когда описанные выше варианты синхронизации не применяются, осуществляется внутренняя кварцевая синхронизация камер.Дмитрий ЛУГОВОЙ
sn@nestor.minsk.by
Окончание следует
Чувствительность
Чувствительность - еще один важный параметр ТВ-камеры. Этот параметр определяет качество работы камеры при низкой освещенности. Производители по-разному трактуют это понятие. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность объекта (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают минимальную освещенность матрицы (image illumination). С теоретической точки зрения правильнее было бы указывать освещенность матрицы, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает (или может измерить). Поэтому обычно указывают минимальную освещенность объекта, измеренную в стандартизированных условиях: коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4.
Формула, связывающая освещенность объекта и матрицы, приведена ниже:
Iimаge=Iscene•R/(n•F 2), где
Iimаge - освещенность на ПЗС-матрице, Iscene - освещенность на объекте, R - коэффициент отражения объекта (см. таблицу 1.1), F - светосила объектива.
Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются, как правило, больше чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0,01 люкс, то это значит, что при объективе F1,4 минимальная освещенность объекта - 0,1 люкс, а это - среднее значение для современной ТВ-камеры. Известные фирмы в паспортах и каталогах обычно ставят значения освещенности именно на объекте. Производители же среднего уровня стремятся выделить свою продукцию за счет более привлекательных характеристик чувствительности, при этом, как правило, "забывая" указывать, что измерения проводились на матрице. Но даже эти данные не дадут вам ясной картины о чувствительности, еще есть много факторов, влияющих на результаты измерений.
Измерения проводятся при помощи люксметра. Если телекамера сохраняет необходимые параметры изображения при освещенности объекта в 0,1 люкса, можно утверждать, что ее чувствительность составляет 0,1 люкса. Но при этом необходимо учитывать следующее: уровень сигнала (величина выходного сигнала с камеры равна 1,0 В или же меньше), место измерения (было ли проведено измерение уровня освещенности непосредственно на матрице ПЗС либо на объекте), использовался ли объектив (если да, каково относительное отверстие), какова отражательная способность тестируемого объекта. Вот почему для проведения подобных измерений необходимо использовать специальную комнату.
По сравнению с человеческим глазом чувствительность монохромных ТВ-камер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это обстоятельство позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческим глазом, но прекрасно фиксируется ТВ-камерами на ПЗС.
Для цветных ТВ-камер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с монохромными и отсутствие чувствительности в инфракрасной области спектра.
Чувствительность большинства современных монохромных ТВ-камер - порядка 0.01-1 люкс (при F1,2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК -подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света (см. таблицу 2).
Технические подробности
Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные ТВ-камеры, фактически являющие собой комбинацию обычной ТВ камеры и прибора ночного видения (например, электроннооптического преобразователя - ЭОП). Подобные камеры обладают не только уникальными свойствами (чувствительность их в 100-10 000 раз выше обычных, причем в инфракрасном диапазоне теплое человеческое тело само светится), но и уникальной капризностью: среднее время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем. Рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до 1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать "прожога " изображения. Для этого применяют специальные двухкоординатные устройства управления, которые постоянно перемещаются вверх-вниз, влево-вправо. Разумеется, если вам необходимо полностью скрытое видеонаблюдение, которое злоумышленник, экипированный ночными прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ТВ-камерам с ЭОП нет. Во всех же остальных случаях десять обычных камер, даже с ИК - прожекторами, будут дешевле одной "ночной'.
Отношение сигнал/шум
С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал/шум" (S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.
Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что амплитуда сигнала в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при 30 дБ - "снег" по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную "снежную" пелену разглядеть еще можно.
В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум вследствие действия АРУ и гамма-коррекции больше.
Технические подробности
Нередко чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение отношения сигнал/шум, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.
Другой способ определения приемлемого сигнала - шкала IRE (Institute of Rаdio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта без синхросмеси) принимается за 100 единиц IRE. Приемлемым считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, например, "Burle", приемлемым указывают сигнал 25 IRE, другие - 50 IRE (уровень сигнала - 6 дБ). Выбор приемлемого уровня определяется отношением "сигнал/шум". Усилить электронный сигнал нетрудно, но и шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового применения обладают Hyper-CAD матрицы "Sony", имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве ТВ-камер высокого качества. Разброс приводимых параметров камер, построенных на их основе, означает разный подход производителей к определению понятия "приемлемый сигнал".
Дополнительная проблема связана с тем, что единица измерения "люкс" определена для монохромного излучения с длиной волны 550 нм. Поэтому немаловажная характеристика - спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность монохромных камер существенно (по сравнению с человеческим глазом) сдвинута в инфракрасный диапазон. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами. Спектральная чувствительность цветных камер практически совпадает с человеческим глазом.
Автоматическая диафрагма
В течение суток освещенность на контролируемом объекте претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический электронный затвор (electronic shutter) или объектив с автодиафрагмой (autoiris).
Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность матрицы на постоянном уровне, изменяя величину относительного отверстия. Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного наблюдения рекомендуется использовать объективы с автодиафрагмой, так как в этом случае удается получить необходимый эффект при уровнях освещенности более 80 000 лк.
Автоматический электронный затвор
Автоматический электронный затвор, функциональный аналог выдержки фотоаппарата, обеспечивает компенсацию изменения уровня освещенности и постоянную среднюю яркость изображения. Это достигается за счет изменения времени накопления фотозаряда и, как следствие, амплитуды видеосигнала. Скорость переключения затвора (время накопления) может достигать 1/100 000 секунды. Стоимость объективов без диафрагмы значительно ниже стоимости объективов с автоматической диафрагмой, и применение телекамер с электронным затвором позволяет экономить в некоторых случаях значительные суммы, так как с этими камерами можно использовать объективы с ручной диафрагмой. Высокочувствительные камеры вместе с объективами без диафрагмы рекомендуется использовать только внутри помещений, так как диапазона перекрытия электронного затвора недостаточно, чтобы отработать изменение освещенности на улице. Использование электронного затвора также улучшает наблюдение за быстро перемещающимися объектами.
Применение объективов с автодиафрагмой предпочтительнее в случаях, когда телекамера работает в условиях сильно меняющейся освещенности или когда требуется наибольшая глубина резкости, которая достигается при максимально закрытой диафрагме объектива либо когда необходимо более четко передать границы ярких объектов.
Встроенный видеодетектор для управления диафрагмой
В настоящее время встроенный видеодетектор для управления диафрагмой становится стандартным для всех камер. Изначально разработанный для автоматических диафрагм, видеодетектор теперь помещается непосредственно на плату камеры. Это позволяет применять объективы без усиления или объективы с диафрагмой типа DC (стоимость их несколько ниже). Это также позволяет стандартизировать разъемы для подсоединения автоматической диафрагмы объектива к камере. В камере используется 4-выводный разъем, и многие объективы поставляются с ответными разъемами. Естественно, такое решение снимает проблему стыковки соответствующих клемм и делает процесс установки объектива более простым и быстрым.
Синхронизация камеры
Недостатком некоторых систем видеонаблюдения является плавающее и дрожащее изображение. Для ликвидации этого недостатка выполняется принудительная синхронизация телекамер и устройств обработки видеосигнала. Известно несколько способов синхронизации, одним из которых является синхронизация всех камер от одного источника сигнала. Это позволяет получить качественное изображение в момент переключения камер, устранить скачки и дрожание картинки.
Вариант синхронизации line lock
Описываемый вариант синхронизации может быть выполнен только с камерами, питающимися переменным током, так как в этом случае синхронизация всех камер осуществляется от питающего напряжения. Это возможно только в том случае, если питание камер происходит от одного источника переменного тока. Поэтому, пока ток в сети синфазный, синхронизация системы будет обеспечена. Если же разные камеры подключены к различным фазам, возникает необходимость их согласования по питанию и настройке фазы для каждой камеры в отдельности. Существуют специальные устройства фазирования / синхронизации для проведения работ по настройке и синхронизации камер в режиме line lock.
Внешняя синхронизация
Такой вариант синхронизации предполагает использование внешнего опорного источника сигнала. Затем этот сигнал распределяется на каждую камеру посредством специального коаксиального кабеля. Опорный сигнал может быть сформирован генератором синхросигналов. Также в качестве опорного сигнала может быть использован сигнал с видеовыхода одной из камер. Такой вариант предполагает применение дополнительных соединений и кабелей, однако является единственным способом осуществления синхронизации для камер с питанием от постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы по питанию (line lock). Некоторые устройства переключения (свитчеры), определенные виды мультиплексоров также требуют для своей работы камер, синхронизированных по внешнему источнику опорного сигнала. В том случае, когда описанные выше варианты синхронизации не применяются, осуществляется внутренняя кварцевая синхронизация камер.Дмитрий ЛУГОВОЙ
sn@nestor.minsk.by
Окончание следует
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 09 за 2001 год в рубрике безопасность
