Системы цифрового видеонаблюдения при организации охранных структур на особо охраняемых объектах

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. Такие

варианты предполагают применение дополнительных соединений и кабелей,

однако, являются единственными способами осуществления синхронизации для

камер с питанием постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы

по питанию (Line Lock).

Автоматический электронный затвор

Автоматический электронный затвор 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 до 1/100000 секунды.

Автодиафрагма

В течение суток освещенность на контролируемом объекте, как правило,

претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне

количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический

электронный затвор или объектив с автодиафрагмой.

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 автоматической

диафрагмой.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах и при прочих

равных условиях определяет угол зрения. Более широкий угол обеспечивается

меньшим фокусным расстоянием. И, наоборот — чем фокусное расстояние больше,

тем меньше угол зрения объектива. Нормальный же угол зрения ТВ камеры

эквивалентен, углу зрения человека, при этом объектив имеет фокусное

расстояние, пропорциональное размеру диагонали матрицы ПЗС.

Исходя из выше сказанного, объективы принято делить на нормальные,

короткофокусные (широкоугольные), длиннофокусные (телеобъективы).

Объективы, фокусное расстояние которых может изменяться более чем в 6

раз, называются ZOOM–объективами (объективами с трансфокатором). Данный

класс объективов применяется при необходимости детального просмотра

объекта, удаленного от камеры. Например, при использовании ZOOM–объектива с

десятикратным увеличением, объект, находящийся на расстоянии 100 м, будет

наблюдаться как объект, удаленный на расстоянии 10 м. Наиболее часто

используются ZOOM–объективы, оборудованные электроприводами для управления

диафрагмой, фокусировкой и увеличением (motorized zoom). Управление

камерой, оборудованной данным объективом, оператор может осуществлять с

удаленного поста.

Относительное отверстие

Обычно объектив имеет два значения относительного отверстия (1:F) или

апертуры.

F минимально - полностью открытая диафрагма.

F максимально - диафрагма закрыта.

Значение F влияет на выходное изображение. Малое F означает, что

объектив пропускает больше света, соответственно, камера лучше работает в

темное время суток.

Формат матрицы

Важный параметр ТВ камеры - разрешение. Этот параметр определяет

возможности камеры по воспроизведению мелких деталей изображения: чем выше

разрешение, тем больше детальность, информативность картинки. Разрешение

измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ) и зависит не только от числа

пикселей в матрице, но и от параметров электронной схемы камеры. В

большинстве случаев разрешение 380-400 ТВЛ вполне достаточно для

наблюдения. Существуют камеры, имеющие более высокое разрешение - 560-570

ТВЛ. Такие камеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера

машин, лица людей и т.д.). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем

разрешение черно-белых: 300 - 350 ТВЛ. Существуют цветные камеры более

высокого разрешения — 460 ТВЛ.

Разрешение определяется, как количество переходов (в видимой части

растра) от черного к белому или обратно, которое может быть передано

камерой. Поэтому единица измерения разрешения называется телевизионной

линией (ТВЛ). Разрешение по вертикали у всех камер стандарта CCIR (кроме

камер совсем уж плохого качества) одинаково, ибо ограничено телевизионным

стандартом - 625 строк телевизионной развертки. На разрешение камеры влияют

два фактора: количество горизонтальных элементов матрицы и полоса частот

видеосигнала, формируемого камерой. Принято считать, что надежно передается

количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. То есть камера с 520

элементами имеет разрешение 390 ТВЛ. В настоящее время такой подход

практически закрепился в стандартах.

Для передачи сигнала 390 ТВЛ необходима полоса частот 3,75МГц, но

полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза)

превосходит необходимую. Так что разрешение ограничивается именно

дискретностью структуры ПЗС – матрицы. Разрешение системы в целом

определяется тем компонентом, который имеет самое низкое разрешение, т. е.,

если камера имеет разрешение 430 линий, а монитор — 200, то изображение на

экране будет воспроизведено с разрешением лишь в 200 линий. Разрешение

может меняться при различных условиях освещенности, при низкой освещенности

оно обычно снижается.

Чувствительность

Чувствительность - еще один важный параметр ТВ камеры. Этот параметр

определяет качество работы камеры при низкой освещенности. Чаще всего под

чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте, при которой

можно различить переход от черного к белому, но иногда подразумевают

минимальную освещенность на матрице. С теоретической точки зрения

правильнее было бы указывать освещенность на матрице, т. к. в этом случае

не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но

пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью на

объекте, которую он заранее знает (или может измерить).

Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице

Iimаge=Iscene*R/(n*F2) , где

Iimаge - освещенность на ПЗС - матрице,

Iscene - освещенность на объекте,

R - коэффициент отражения объекта

F - светосила объектива.

|Примерные значения коэффициентов отражения |

|различных объектов. |

|Объект |Коэффициент отражения |

| |(%) |

|Снег |90 |

|белая краска |75-90 |

|Стекло |70 |

|автостоянка с |40 |

|автомобилями | |

|Кирпич |35 |

|Бетон |25-30 |

|трава, деревья |20 |

|человеческое лицо |15-25 |

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.

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 человеческому

глазу, 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.

Освещенность объектов.

|На улице: безоблачный, солнечный|100 000 люкс |

|день | |

|солнечный день, с легкими |70 000 люкс |

|облаками | |

|пасмурный день |20 000 люкс |

|раннее утро |500 люкс |

|сумерки |4 люкс |

|ясная ночь, полная луна |0.2 люкс |

|ясная ночь, неполная луна |0.02 люкс |

|ночь, луна в облаках |0.007 люкс |

|ясная, безлунная ночь |0.001 люкс |

|безлунная ночь с легкими |0.0007 люкс |

|облаками | |

|темная, облачная ночь |0.00005 люкс |

|в помещении без окон |100 - 200 люкс |

|хорошо освещенные помещения, |200 - 1000 люкс |

|офисы | |

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные ТВ камеры,

фактически, являющие собой комбинацию обычной ТВ камеры и прибора ночного

видения (например, электронно-оптического преобразователя - ЭОП). Подобные

камеры обладают не только чувствительностью во 100 - 10 000 раз выше

обычных, 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. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть

поворачивать, чтобы избежать "прожога " изображения. Для этого применяют

специальные двух координатные устройства управления, которые постоянно

перемещаются вверх- вниз, влево- вправо. Но если необходимо полностью

скрытое видеонаблюдение, которое злоумышленник, экипированный ночными

прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ТВ камерам с ЭОП нет.

Отношение сигнал/шум

С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал / шум"

(S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.

S/N =20*log (видеосигнал/шум)

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.

Часто чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под

которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум

составляет 24 дБ это 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 принимается

за 100 единиц IRE. "Приемлемым" считается сигнал около 30 IRE. Некоторые

производители, например BURLE, “приемлемым” указывают сигнал 25 IRE, другие

- 50 IRE.

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.

Среды передачи телевизионных сигналов

После считывания заряда с ПЗС матрицы и преобразования его в

электрический сигнал, он должен пройти путь от видеокамеры до видеосервера.

Путь этот может быть не близким, так как камеры могут располагаться за

несколько километров от места концентрации видеоизображения. Также надо

учитывать и электромагнитные помехи, которые также оказывают действие на

видеосигнал, поэтому следует внимательно подойти к выбору среды передачи

данных от видеокамеры к видеосерверу.

Каждый тип имеет свои ограничения по применению, что необходимо

учитывать при проектировании схемы размещения компонентов системы.

Максимально возможные расстояния между видеосервером и видеокамерами в

зависимости от способа передачи видеосигнала можно посмотреть в таблице.

|Тип кабеля |Длина линий |Дополнительное |Примечание |

| |связи без |оборудование | |

| |усилителя | | |

|Коаксиальный |До 300 м |Не используется|Возможность возникновения |

|кабель | | |токовых петель. |

| | | |Чувствительность к |

| | | |различным наводкам. |

| | | |Малая длина линий связи |

|Витая пара |До 1800 м |Передатчики и |Отсутствие токовых петель. |

| | |приемники |Высокая защищенность от |

| | |сигнала по |помех |

| | |витой паре. |Стоимость кабеля и монтажа |

| | | |ниже чем при использовании |

| | | |коаксиального кабеля |

|Оптоволокно |До 4 км |Передатчики и |Отсутствие токовых петель. |

|многомодовое |многомодовое |приемники |Максимальная защищенность |

|одномодовое |До 40 км |сигнала по |от наводок |

| |одномодовое |оптоволокну. | |

Из всех перечисленных типов кабелей оптоволокно наилучшим образом

подходит для использования в системах цифрового видеонаблюдения как при

передаче сигнала от камер к концентратору, так и при объединении

видеосерверов, рабочих мест операторов видеонаблюдения и серверов

резервного копирования в единую компьютерную сеть. Поэтому стоит отдельно

остановиться на достоинствах оптоволоконного кабеля, принципиальном

устройстве оптоволокна и видах оптоволокна.

Преимущества волоконной оптики как передающей среды

1. Широкая полоса пропускания. Волоконная оптика теоретически может

работать в диапазоне до 1 ТГц, однако используемый сейчас диапазон

еще далек от этого предела, и коммуникационные возможности

волоконной оптики только начинают развиваться, тогда как медный

кабель уже исчерпал свои возможности.

2. Низкие потери. Маленькое уменьшение амплитуды сигнала при передаче

больших пакетов информации на большие расстояния.

3. Нечувствительность к электромагнитным полям.

4. Малый вес.

5. Малый размер.

6. Безопасность.

7. Секретность.

Принципиальное устройство волокна

Оптическое волокно имеет два концентрических слоя: ядро (сердцевина) и

оптическая оболочка. Внутренне ядро предназначено для переноса света.

Окружающая его оптическая оболочка имеет отличный от ядра показатель

преломления и обеспечивает полное внутренне отражение света в ядро.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической

оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев

полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые

могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на

процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от

ударов.

Свет заводится внутрь волокна под углом, большим критического, к

границе ядро/оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение

на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в

дальнейшем будет отражаться в границу. Таким образом, луч света будет

двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Свет, падающий на границу под углом меньшим критического, будет

проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней.

Оптическая оболочка не предназначена для переноса света, и свет быстро

затухает.

Внутренне отражение служит основой для распространения света вдоль

обычного оптического волокна.

Специфические особенности движения света вдоль волокна зависит от

многих факторов, включая:

. Размер волокна.

. Состав волокна.

. Процесс инжекции света внутрь волокна.

. Классификация волокон.

Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам.

Первый – материал, из которого сделано волокно:

. Стеклянное волокно имеет как стеклянное ядро, так и стеклянную

оптическую оболочку.

. Стеклянное волокно с пластиковой оптической оболочкой (PSC).

. Пластические волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую

оптическую оболочку.

Второй способ классификации основан на индексе преломления ядра и

модовой структуре света. Есть три основные особенности волокон в

соответствии с этой классификацией.

Первая особенность – различие входного и выходного импульса, это

связано с затуханием его мощности. Вторая особенность - траектория лучей,

возникающих при распространении света. Третья особенность – распределение

значений показателей преломления в ядре и оптической оболочке для различных

видов волокон.

Ниже приведены основные характеристики волокон со ступенчатым и со

сглаженным импульсом.

Волокна со ступенчатым индексом

Многомодовое волокно со ступенчатым индексом – наиболее простой тип

волокон. Оно имеет ядро с диаметром от 100-970 микрон, может быть чисто

стеклянным, PSC или пластиковым. Поскольку свет испытывает отражение под

различными углами, на различных траекториях в различных модах, длина пути,

соответствующая различным модам, также отличается. Таким образом, различные

лучи затрачивают разное время на прохождение одного и того же расстояния.

Свет, попадающий в волокно в одно и тоже время, достигает противоположного

конца в различные моменты времени. Световой импульс расплывается во

времени, это называется модовой дисперсией. Это ограничивает возможную

полосу пропускания оптических волокон, расплывание импульсов приводит к

перекрыванию крыльев соседних импульсов. Вследствие этого трудно отличить

один импульс от другого, в результате чего информация теряется.

Волокно со сглаженным импульсом

Одна из возможностей исключения модовой дисперсии - использование

сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из

большого числа концентрических колец. При удалении от центральной оси ядра

показатель преломления каждого слоя снижается. Известно, что свет движется

быстрее по среде с меньшим показателем преломления, поэтому, чем дальше

расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется.

Каждый слой ядра отражает свет. В отличие от ситуации со ступенчатым

профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы

между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и более плавно

отражается от каждого слоя ядра. Лучи, которые проходят более длинные

дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем

преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль

центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью.

В итоге все лучи достигают противоположного конца одновременно.

Использование сглаженного профиля показателя преломления приводит к

уменьшению дисперсии до 1нс/км.

Одномодовое оптоволокно

Другой путь уменьшения модовой дисперсии заключается в уменьшении

диаметра ядра до тех пор, пока волокно не станет эффективно передавать

только одну моду. Оно имеет чрезвычайно малый диаметр 5-10 микрон.

Поскольку данное волокно переносит одну моду, модовая дисперсия в нем

отсутствует. Одномодовое волокно позволяет достичь полосы пропускания от 50-

100 ГГц на км. Особенностью распространения излучения в одномодовом режиме

подчеркивает еще одно отличие одномодового волокна от многомодового. В

одномодовом волокне излучение переносится не только внутри ядра, но и в

оптической оболочке, в связи с этим, возникает дополнительные требования к

переносу энергии в этом слое.

Обработка сигнала

Вследствие того что аналоговый сигнал практически не поддается

обработки для его хранения необходимо большое количество магнитных

носителей, а передавать его на большие расстояния без усилителей

невозможна, возникла необходимость в оцифровки видеосигнала перед его

обработкой.

Оцифрованный сигнал сжимается до 1000 крат, передается с помощью

компьютерных сетей на любое расстояние, анализируется сложными программными

и аппаратными модулями с целью выявления движения в кадре, возможность

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8