Телевизионные камеры

[Vladimir]

Видеокамеры - это по сути глаза видеосистемы, они определяют ту визуальную информацию, которая в конечном итоге поступает к оператору. Однако, в отличие от глаз, использование видеокамер предоставляет оператору уникальную возможность одновременно видеть на экране видеомонитора изображения из многих, достаточно удаленных мест.

Основой современной видеокамеры является так называемая ПЗС-матрица (ПЗС - прибор с зарядовой связью) - прямоугольная светочувствительная полупроводниковая пластинка с отношением сторон 3 : 4, которая преобразует падающий на нее свет в электрический сигнал. Радужную поверхность ПЗС-матрицы можно увидеть через отверстие, в которое вворачивается объектив (большинство видеокамер стандартного прямоугольного дизайна поставляется без объективов!). От используемой ПЗС-матрицы произошло название "ПЗС-видеокамера" (в отличие от первых телекамер, использующих передающие трубки).

ПЗС-матрица состоит из большого числа фоточувствительных ячеек (пиксел - элементов изображения), которое нередко указывается в паспорте на видеокамеру (например, 752 х 582). Ясно, что чем больше элементов преобразования, тем менее заметной будет дискретность результирующего изображения. Для того, чтобы повысить световую чувствительность каждой ячейки, нередко формируют специальную структуру, которая создает микролинзу перед каждой ячейкой.

Для получения цветного изображения перед ячейками формируются микрофильтры основных цветов R, G, B (очевидно, что для цветных видеокамер количество результирующих ячеек будет в 3 раза меньше, чем у черно-белых видеокамер, а чувствительность ниже). Кстати, дискретная структура ПЗС-матрицы является предпосылкой для создания современных цифровых видеокамер, что позволяет их использовать, например, в компьютерных сетях; на выходе таких видеокамер формируется цифровой код (в отличие от большинства существующих в настоящее время видеокамер, на выходе которых имеется стандартный аналоговый видеосигнал размахом 1 В). Не следует путать цифровую видеокамеру и видеокамеру с цифровой обработкой сигнала (DSP).

ФорматВидеокамеры характеризуются специальным параметром, который называется формат ПЗС-матрицы (format)- это не что иное, как округленное значение длины диагонали ПЗС-матрицы, выраженное в дюймах. Например, наиболее популярная в настоящее время матрица 1/3 дюйма имеет размеры: (4,8 х 3,6) мм. Существуют также матрицы 1" - (12,8 х 9,6) мм, 2/3" - (8,8 х 6,6) мм, 1/2" - (6,4 х 4,8) мм, 1/4" - (3,6 х 2,7) мм, причем тенденция такова, что размеры матрицы у современных видеокамер становится все меньше (это экономически выгодно), а разрешающая способность и чувствительность видеокамер практически не ухудшаются.

Знание формата ПЗС-матрицы необходимо для выбора подходящего объектива - диаметр окружности, в которой отображается сфокусированное объективом изображение, по сути, является диагональю матрицы (так как матрица имеет форму прямоугольника, то на нее приходится только часть кругового изображения; если формат матрицы и объектива совпадают, прямоугольник матрицы точно вписывается в окружность). Отметим, что если видеокамера поставляется со своим объективом, то информация о формате ПЗС-матрицы в документации на видеокамеру является избыточной.

При выборе видеокамеры следует в первую очередь определиться - видеокамера должна быть цветной или черно-белой, а это, в свою очередь, непосредственно вытекает из технического задания на видеосистему. Следует оговориться, что в одной и той же системе можно одновременно использовать и цветные, и черно-белые видеокамеры (если есть такая необходимость). Например, вся видеосистема цветная, и среди видеокамер есть так называемый видеоглазок (черно-белая видеокамера со сверхширокоугольной оптикой, устанавливаемая во входной двери) - при этом изображение на цветном видеомониторе (или телевизоре) от видеоглазка будет черно-белым. Или, к примеру, вся видеосистема (включая видеомонитор) черно-белая, а одна видеокамера цветная - все изображения будут черно-белыми.

Как уже говорилось, черно-белые видеокамеры более чувствительные (то есть могут работать при меньшей освещенности, почти в полной темноте) и имеют лучшую разрешающую способность, чем цветные видеокамеры (то есть они способны различать более мелкие детали и удаленные объекты); к тому же, что немаловажно, черно-белые видеокамеры существенно дешевле.

Цветные видеокамеры имеют всего одно, но очень существенное преимущество - высокую информативность. И это подчас является решающим аргументом, несмотря на их сравнительно высокую стоимость, а также зависимость качества изображения от типа источника света.

[Vladimir]

Какие камеры наблюдения лучше?

Для того что бы корректно ответить на этот вопросос обратимся к основным параметрам камер наблюдения.

Основные параметры

1. Формат
Формат - параметр, характеризующий размеры видеоматрицы камеры. К сожалению, этот параметр мало отражает физические размеры видеоматрицы и исторически связан с электронно-лучевыми трубками. Формат указывается в дюймах и позволяет определять угол зрения камеры при применении объектива с тем или иным фокусным расстоянием. Чем выше формат матрицы, тем больше ее физические размеры и тем больший угол обзора она может обеспечить. Этот параметр жестко не связан с физическими размерами и видеоматрицы, имеющие один и тот же формат могут иметь немного разные геометрические размеры. Приведем, для примера, размеры некоторых видеоматриц:

- 1/3" (ширина - 4.8 мм; высота = 3,6 мм);

- 1/2" (ширина : 6.4 мм; высота = 4,8 мм);

- 2/3" (ширина 8.8 мм; высота = 6,6 мм);

- 1" (ширина - 12.7 мм; высота = 9,5 мм).

- 1/3" (ширина - 4.8 мм; высота = 3,6 мм);

- 1/2" (ширина : 6.4 мм; высота = 4,8 мм);

- 2/3" (ширина 8.8 мм; высота = 6,6 мм);

- 1" (ширина - 12.7 мм; высота = 9,5 мм)

По мере развития уровня технологии на рынке наблюдаестся устойчивая тенденция к постоянному снижению формата поскольку при этом падает цена телевизионных камер. В настоящее время практически исчезли видеоматрицы формата 1" и 2/3 ", а наиболее распространены 1/2",1/3" и 1/4" (появились сообщения о создании видеоматриц формата 1/5").

2. Разрешающая способность
Разрешающая способность измеряется в телевизионных пиниях (ТВЛ) и характеризует, насколько мелкие детали можно различить с помощью телевизионной камеры. Эта величина, как уже отмечалось, в основном определяется числом элементов видеоматрицы: чем больше элементов, тем выше разрешающая способность (напомним, что речь идет о разрешающей способности по горизонтали, поскольку по вертикали число элементов жестко привязано к телевизионному стандарту). Абсолютное значение разрешающей способности можно связать с числом элементов с помощью следующего эмпирического соотношения:
Разрешающая способность в ТВЛ= 3/4 числа элементов
Точное измерение этой величины производится с помощью специальных тестовых таблиц с нанесенной системой сходящихся чередующихся черных и белых линий (именно в "их честь" и была названа единица измерения). Поместив таблицу перед телевизионной камерой так, чтобы она занимала весь экран монитора, определяют точку, в которой перепады между черными и белыми линиями становятся неразличимыми и считывают по специальной шкале абсолютное значение разрешающей способности.
На величину разрешающей способности влияет, разумеется, и электронная часть телевизионной камеры (например, полоса передаваемых ею частот), однако при этом она может изменяться только в сторону ухудшения. Следует отметить, что снижение формата видеоматрицы мало сказывается на разрешении камеры, так как возможности технологии позволяют делать элементарные площадки достаточно маленькими. Из принципа работы цветной видеоматрицы ясно, что разрешающая способность ее ниже, чем черно-белой.
В настоящее время рынок предлагает камеры следующего разрешения (чем выше разрешение, тем больше цена камеры):
- Ч/Б камеры среднего разрешения (приблизительно от 510 до 560 элементов по горизонтали) имеют разрешение от 380 до 420 ТВЛ;
- Ч/Б камеры повышенного разрешения (до 800 элементов по горизонтали) имеют разрешение до 600 ТВЛ;
Цветные камеры среднего разрешения имеют разрешение от280 до 330 ТВЛ;
Цветные камеры повышенного разрешения имеют разрешение до 460 ТВЛ (до 560 ТВЛ по S - VHS выходу).
Для наблюдения общей обстановки подходят недорогие камеры среднего разрешения. Если требуется определение мелких деталей (например, чтение номеров автомобилей), нужны камеры повышенного разрешения.

3. Минимальная освещенность
Минимальная освещенность характеризует уровень освещенности, при котором телевизионная камера дает "нормально воспринимаемое" изображение. Этот параметр измеряется в люксах (фототехническая характеристика, относящаяся к спектральному диапазону, воспринимаемому человеческим глазом). Минимальная освещенность один из наиболее "лукавых" параметров, поскольку предусматривает несколько различных методик измерения, а в паспорте камеры не всегда указывается по какой именно из них проведено измерение. Во-первых, существуют различные критерии определения "нормально воспринимаемого" изображения (чаще всего используется критерий падения сигнала примерного 30% от номинала), а во-вторых, всегда должно быть указано, где именно измерена минимальная освещенность: на видеоматрице или на объективе (в этом случае указывается его относительное отверстие).
При измерении минимальной освещенности на объективе учитываются световые потери внутри него, которые тем больше, чем выше относительное отверстие (меньше светосила) объектива. Например, при стандартном относительном отверстии F 1.4 потери света составляют один порядок (проходит только 10% света) и, поэтому минимальная освещенность на видеоматрице равная 0.01 люкс соответствует минимальной освещенности на объективе 0.1 люкс,. Величина минимальной освещенности во многом определяется размером элемента видеоматрицы (тем меньше элементарная площадка, тем меньше света она может собрать).
Из сказанного следуют два вывода: во-первых, величина минимальной освещенности цветных камер намного больше, чем у черно-белых, во-вторых, чем меньше формат видеоматрицы, тем более жесткие требования предъявляются к освещенности объекта наблюдения. Характерная величина минимальной освещенности на объективе F1.4 для черно-белых камер лежит в диапазоне от 0.1 до 0.5 люкс, а для цветных - от 1 до 3 люкс.

4. Крепеж объективов
Все корпусные камеры имеют стандартный узел для присоединения телевизионных объективов. Существует два стандарта: "С" и "СS" с одинаковой присоединительной резьбой D25,4 х 0,8 и различным задним отрезком (17,5 мм и 12,5 мм соответственно). Если камера имеет присоединительный узел типа С, то к ней подойдет только С объектив. Для камеры с узлом СS подходят объективы СS и С со специальным переходным кольцом.

5. Напряжение питания
Камеры бывают рассчитаны либо на 24, 220V переменного тока, либо на 12V постоянного тока. Эта характеристика мало влияет на цену камеры, но важна для ее эксплуатации. Здесь надо исходить из конкретной структуры электрических коммуникаций.


Вспомогательные параметры

1. Электронный затвор
Как все полупроводниковые устройства, видеоматрица имеет режим насыщения, когда все имеющиеся в системе свободные заряды использованы и общий заряд, приобретенный элементарной ячейкой, перестает зависеть от интенсивности падающего на него света. Подобный режим работы называется "засветкой" видеоматрицы и, разумеется, он неприемлем. Для избежания этого эффекта современные камеры имеют возможность изменять время считывания заряда с помощью специального электрода, встроенного в видеоматрицу - "электронного затвора".
Он помогает адаптации камеры к условиям повышенного оснащения, уменьшая время накопления заряда (к тому же уменьшение времени накопления улучшаем передачу изображений быстро движущихся объектов). Диапазон электронного затвора указывается в секундах (аналогично выдержке фотоаппарата) и составляет в настоящее время от 1/50 до 1/100000 секунды.
Здесь необходимо подчеркнуть, что для уличных применений желательно все-таки использовать объективы с автоматической регулировкой диафрагмы, поскольку диапазон изменения освещенностей в уличных условиях может составлять 10 5 - 10 6 раз.

2. Синхронизация камер
Распространены два способа синхронизации камер:
-Привязка фазы кадров с камеры к фазе сетевого напряжения - так называемые камеры Line Lock . Эти камеры питаются обычно от переменного напряжения 24 либо 220V.
-Другой способ синхронизации - с помощью специального синхронизирующего сигнала либо видеосигналом.
Синхронизация важна при записи на специальные видеомагнитофоны через видео коммутатор. Камеры Line Lock также могут быть полезны при освещении люминесцентными источниками.

3. Соотношение сигнал/шум (динамический диапазон)
Соотношение сигнал/шум измеряется в децибелах (Дб) и характеризует чистоту и стабильность изображения. Если этот параметр больше приблизительно 45 Дб, на экране монитора наблюдается ясное и четкое изображение, если меньше - начинают проявляться шумы в виде "снега" по полю экрана, при величине ниже 30 Дб из-за шума вообще невозможно почти ничего разобрать. Здесь следует отметить, что чем больше формат видеоматрицы, тем лучше, при прочих равных условиях, соотношение сигнал/шум, поскольку больше площадь накопления заряда.

4. АРУ - автоматическая регулировка усиления
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) есть свойство усилителя камеры изменять свое усиление в зависимости от уровня видеосигнала. Максимальное увеличение усиления называется глубиной АРУ. Обычно это величина порядка 10 - 20 Дб. Следует помнить, что никакой усилитель не позволяет улучшить соотношение сигнал/шум, поскольку вместе с сигналом одновременно всегда усиливается и шум.

5. Гамма-коррекция
Поскольку наблюдение за изображением ведется с помощью электронно-лучевой трубки монитора, имеется несоответствие передаточных характеристик видеоматрицы (как у большинства полупроводниковых приборов она линейна в рабочей области) и электронно­лучевой трубки, имеющей степенную зависимость (с показателем 2.2).
Для приближения характеристик камеры к характеристикам монитора в видеотракт принудительно вносят нелинейные искажения - осуществляют гамма - коррекцию, улучшая тем самым контрастность изображения. Обычно величина гамма - коррекции (это безразмерная единица) составляет 0.45 (1/2.2), хотя некоторые камеры позволяют с помощью переключателя выставлять несколько различных значений помимо указанного или выключать гамма -коррекцию совсем.

6. Компенсация заднего света (контровый свет)
Если наблюдать за предметом, освещенным сзади ярким светом, камера настроит свои параметры на большую интегральную освещенность и сам предмет будет представлять из себя темное пятно без хорошо выраженной внутренней структуры, что заметно снизит эффективность наблюдения. Для исключения подобных ситуаций в хороших камерах предусмотрена специальная аппаратная функция, называемая компенсацией заднего света. В различных моделях может быть заложен различный алгоритм отработки этой ситуации.
В простейшем случае в режиме компенсации заднего света параметры камеры не к интегральной освещенности по всему полю кадра, а освещенности в его центре.
Таким образом за счет некоторого ухудшения качества изображения окружающей обстановки, улучшается изображение самого предмета. В более сложных моделях в разных частях кадра адаптация к световым условиям происходит независимо друг от друга.

7. Дополнительные требования к цветным камерам
Основное требование - правильная передача цветов. Изменение источников света может приводить, к значительным искажениям цветопередачи, если камера не содержит специальной схемы "баланса белого". Простейшие (недорогие) цветные камеры имеют лишь автоматический "баланс белого" для данного источника света. Внутри камер, как правило, имеются регулировки для адаптации к разным источникам света.

8. Рабочий диапазон температур
На большинство камер указывается следующий температурный диапазон: -10...+50°С для черно-белых и 0...+50°С для цветных. Разумеется, при использовании камер в уличных условиях необходимо применять специальные гермокожухи с подогревом.

[Vladimir]

Как выбрать камеру видеонаблюдения. Советы “чайникам”
Видеокамеры являются началом любой системы видеонаблюдения, и от правильного их выбора будет зависеть, что вы будете видеть на экране монитора.
При покупке можно положиться на добропорядочность менеджера и подобрать оборудование исходя из его рекомендаций. Но с другой стороны очень часто фирмы продают не то, что нужно клиенту, а то что нужно продать, например, залежавшийся товар или товар подороже… Если вы не любите, когда вас “разводят”, вам придется хоть немного разобраться в том, какие бывают камеры видеонаблюдения и какими параметрами они характеризуются.

Внешний вид (конструкция)
Для удобства установки, камеры бывают различного внешнего вида (конструкции):

Стандартные – самый распространенный тип камер. Устанавливаются при помощи кронштейна на любую горизонтальную поверхность (стены, потолки и т.д.) Для установки в уличных условиях, помещаются в защитный термокожух. Стандартные камеры кроме своей основной функции, также выполняют демонстративную, т.е. отпугивают злоумышленника.
Преимуществом стандартных камер является то, что на них можно “прикрутить” практически любой объектив с нужным вам углом обзора и приближением.

Купольные камеры. Устанавливаются исключительно на потолок. Большинство моделей достаточно компактны и не привлекают внимания.

Малогабаритные камеры. Могут иметь различную форму (цилиндрическая, овальная, прямоугольная и т.д.). По размерам обычно сравнимы со спичечным коробком. Часто применяются там, где нужно сохранить дизайн интерьера или не привлекать внимания.

Бескорпусные камеры. Представляют из себя “голую” плату небольших размеров, которую можно встроить в нужный корпус. Чаще всего используются для скрытой установки, либо установки в малогабаритные термокожухи. За счет отсутствия корпуса такие видеокамеры стоят дешевле стандартных.

Закамуфлированные камеры. Чаще всего выглядят как охранный или дымовой датчик. Ипользуются для скрытого видеонаблюдения.

Уличные камеры. Предназначены для установки в уличных условиях. Такие камеры имеют герметичный корпус с подогревом, солнцезащитный козырек и чаще всего встроенную инфракрасную подсветку.
Стоимость уличной камеры всегда ниже, чем стоимость аналогичной стандартной камеры, размещенной в термокожух.

Поворотные камеры. Позволяют удаленно приближать/удалять объект наблюдения и поворачиваюся по вертикали/горизонтали. Данный тип камер – самый дорогой.

Основные технические характеристики
Вне зависимости от внешнего вида все камеры видеонаблюдения обладают одним и тем же набором основных технических характеристик:
Разрешение. Измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ). Стандартным считается разрешение 420 ТВЛ, высокое разрешение – 600 ТВЛ. Для большинства случаев достаточно видеокамеры со стандартным разрешением. Высокое разрешение требуется тогда, когда нужно различать мелкие детали, например, цифры на банкнотах, номера машин и т.д.
Также следует отметить, что высокое разрешение 600 ТВЛ достижимо только у черно-белых камер. У цветных камер высоким разрешением считается 480 ТВЛ.
Чувствительность (минимальная освещенность). Измеряется в люксах (Лк) и характеризует способность камеры “видеть” при слабом освещении. Чем меньше этот параметр у камеры, тем лучше. Черно-белые камеры имеют большую чувствительность, т.е. лучше видят в темноте. Стандартная чувствительность у черно-белых камер – 0,05 Лк, у цветных – 1 Лк.

Цветное или черно-белое изображение
В большинстве случаев это дело вкуса. Посмотрите на черно-белую картинку, затем посмотрите на цветную. Большинству людей нравиться цветное видео и это естественно. Но не стоит забывать, что речь идет об охранном видеонаблюдении, а не о просмотре футбольного матча.
В то же время бывают случаи, когда предпочтительно цветное изображение. Например, наблюдение за автомобилями или потоком людей.
Вы должны знать, что цветные видеокамеры стоят примерно на 50% дороже аналогичных черно-белых.

Что касается конкретных производителей, считается что европейские, американские и японские камеры лучше, чем азиатские (Китай, Тайвань и т.д.). Хотя по соотношению цена/качество китайских видеокамер достаточно для большинства объектов. Выбирать Вам…

[Vladimir]

О способах повышения чувствительности ПЗС камер

Что же делать, если вам надо получить изображение очень слабого объекта, например, удаленной галактики?
Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Режим накопления кадров реализуется в телевизионных камерах "день\ночь".
При работе в условиях недостаточной освещенности камера наблюдения может задействовать алгоритм накопления кадров. В этом режиме время экспозиции увеличивается с учетом выбранного оператором коэффициента, за счет чего происходит более полное накопление заряда на элементах ПЗС-матрицы и обеспечивается более высокое качество изображения. Скорость электронного затвора камеры регулируется автоматически с учетом измерения количества света, попадающего на ПЗС-матрицу.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

И немного о прогрессивной и черезстрочной развертке.

Стандартный телевизионный сигнал, разрабатывался для системы вещательного телевидения, и имеет с точки зрения современных систем ввода и обработки изображения один большой недостаток. Хотя в телесигнале содержится 625 строк (из них около 576 с видеоинформацией), показываются последовательно 2 полукадра состоящие из четных строк (четный полукадр) и нечетных строк (нечетный полукадр). Это приводит к тому, что если вводится движущееся изображение, то при анализе нельзя использовать разрешение по Y более чем число строк в одном полукадре (288). Кроме этого в современных системах, когда изображение визуализируется на компьютерном мониторе (который имеет прогрессивную развертку), изображение, введенное с черезстрочной телекамеры при движении обьекта наблюдения, вызывает неприятный визуальный эффект раздвоения.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).