Анализ рынка видеокамер для систем охранного телевидения

Долотин А. И., Рыбаков И.М.

Пензенский государственный университет

АНАЛИЗ РЫНКА ВИДЕОКАМЕР ДЛЯ СИСТЕМ ОХРАННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Тема безопасности информации, личности, имущества устойчиво находится в ряду высших приоритетов общества всех развитых стран мира.

Системы безопасности - это совокупность взаимосвязанных и упорядоченных различных сил, средств и методов обеспечения безопасности.

Правильный подбор этих элементов, их расположение, сочетание и организация взаимодействия многократно повышают защищенность организации (объекта), поэтому главная задача в вопросе обеспечения безопасности состоит в эффективной интеграции всех элементов системы безопасности.

Технические средства охраны и безопасности являются одним из наиболее важных элементов системы безопасности.

Сущность применения технических средств достаточно проста. Она заключается в оборудовании охраняемого объекта приборами, способными фиксировать определенные изменения состояния объекта (нападение, проникновение, возгорание и т. д.) и автоматически формировать сигнал оповещения службы охраны. Если же сигналы от нескольких объектов свести воедино, то появляется возможность централизованного контроля состояния этих объектов и централизованного оперативного реагирования по факту тревоги.

В отличие от человека технические средства не устают, длительная работа не ослабляет их «внимание». В общем случае применение технических средств позволяет:

- повысить оперативность действий подразделений охраны за счет сокращения времени обнаружения проникновения или попытки проникновения на объект;

- повысить надежность охраны за счет уменьшения влияния субъективного (человеческого) фактора;

- в ряде ситуаций реализовать немедленное автоматическое противодействие по фактам нарушения режима охраны;

- снизить финансовые затраты, за счет уменьшения численности персонала охраны.

По своему основному функциональному назначению существующие технические средства охраны могут быть разделены на системы: охранной сигнализации объектов, пожарной сигнализации, автоматизиро-

ванного контроля доступа, технического телевидения и комбинированные системы.

Цель данной статьи обратить внимание потребителей на основные характеристики видеокамер, которые необходимо учитывать при выборе оборудования для оснащения различных объектов охраны системами охранного видеонаблюдения.

Системы охранного телевидения

За последние годы системы видеонаблюдения стали основой надежной системы безопасности.

При обеспечении безопасности объектов главной и основной задачей для службы охраны является сохранение материальных и иных ценностей на вверенном объекте.

Из всех имеющихся на сегодняшний день технических средств охраны только телевизионные системы могут немедленно показать происходящие в данный момент события на охраняемом объекте. Правильно спроектированная и профессионально смонтированная телевизионная система позволяет в реальном масштабе времени сиюминутно оценить обстановку в контролируемых зонах, снизить время реакции на нештатную ситуацию и обеспечить принятие наиболее целесообразных мер защиты и противодействия возникшим обстоятельствам.

Системы технического телевидения любой сложности строятся на базе одних и тех же технических устройств. Поэтому при решении задач по обеспечению безопасности объектов с использованием видеонаблюдения необходимо выбирать такие параметры этих устройств, которые бы обеспечивали достаточную надежность выполнения возложенных на них функций. Основными элементами системы технического телевидения являются: видеокамеры с объективом и блоком питания, устройства обработки видеосигналов, устройства отображения видеоинформации и устройства записи видеоинформации.

Видеокамеры

Видеокамера - источник изображения объекта, выбранного для наблюдения или охраны. В системах видеонаблюдения много зависит от видеокамеры, которая является основным элементом этих систем. Правильно выбранная видеокамера обеспечивает изображение высокого качества, а это основное, хотя и не единственное требование для получения необходимого изображения на экране монитора оператора системы видеонаблюдения.

При выборе конкретной модели камеры для охранного телевидения следует знать основные характеристики камеры наблюдения, которые определяют ее функциональные возможности и назначение.

ПЗС-матрица камеры видеонаблюдения. Наиболее важным элементом любой современной камеры, который формирует изображение, является матрица на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Она представляет собой прямоугольную полупроводниковую пластину с множеством самостоятельных светочувствительных ячеек на поверхности - пикселей. Изображение фокусируется объективом камеры на ПЗС-матрицу и попадающий на полупроводник свет возбуждает в нем электроны. Возбужденные электроны из каждого пикселя последовательно перемещаются в считывающее устройство и формируют видеосигнал, который в дальнейшем усиливается и обрабатывается электронной системой камеры наблюдения.

Формат ПЗС-матрицы. Знание формата ПЗС-матрицы камеры видеонаблюдения позволяет правильно выбрать для нее объектив. Формат - это округленное значение диаметра передающей трубки, которая дает такое же изображение, как и данная ПЗС-матрица (в дюймах). Существуют форматы 1", 2/3",

1/2", 1/3" и 1/4". Наиболее часто в камеры видеонаблюдения, используемые в системах охранного

телевидения, устанавливают матрицы формата 1/3". Чем больше размер матрицы по диагонали, при неизменном количестве пикселей, тем меньше их взаимное влияние, меньше уровень шумов и выше качество получаемого видеосигнала. В последнее время реже используется матрицы форматов 1" и 2/3" по причине дороговизны самих матриц и оптики, которая должна иметь соответственно большие размеры линз и оправ.

Разрешение камеры видеонаблюдения. Разрешение любой камеры измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ). При этом различают разрешение камеры видеонаблюдения по горизонтали и по вертикали. Разрешение по горизонтали - это максимальное число вертикальных линий, которое способна передать камера, например, на видеомониторы. Оно определяется в первую очередь количеством пикселей по горизонтали в ПЗС-матрице, а также электронной схемой камеры. Как правило, этот параметр не превышает число пикселей в строке умноженное на 0,75. Разрешение по вертикали определяется телевизионным стандартом - способом кодирования изображения в электронном виде. В России используют стандарты CCIR (для черно-белых камер) и PAL (для цветных камер). Оба стандарта подразумевают 625 строк по вертикали.

Чувствительность камеры видеонаблюдения. Чаще всего под чувствительностью камеры понимают минимальную освещенность зоны наблюдения, при которой на выходе камеры формируется видеосигнал с амплитудой 1В и определенной глубиной модуляции при установленном отношении сигнал/шум. Кроме этого, если указано относительное отверстие объектива, при котором замерена чувствительность, то можно пересчитать количество света, падающее на ПЗС-матрицы для объективов с различным относительным отверстием и сравнить чувствительность камер видеонаблюдения. При оценке чувствительности, также надо учитывать отражательную способность объекта, т.к. светлые предметы в темноте видны лучше, чем темные.

Автоматическая регулировка усиления. ПЗС-матрица камеры видеонаблюдения не всегда формирует сигнал достаточной амплитуды, поэтому наличие в камере автоматической регулировки усиления (АРУ) позволяет довести выходной сигнал до уровня 1В. Однако слудует учитывать, что усиливая видеосигнал, АРУ в равной степени усиливает и шумы, оставляя соотношение сигнал/шум неизменным.

Автодиафрагма и автоэлектронный затвор. В большинстве случаев камеры видеонаблюдения работают в условиях часто меняющейся освещенности объектов наблюдения. Поэтому для получения качественного видеосигнала с камеры необходимо поддерживать на определенном уровне количество света, попадающего на ПЗС-матрицу в период между двумя последовательными считываниями. В этом случае автодиафрагма камеры видеонаблюдения меняет освещенность ее ПЗС-матрицы, изменяя размер входного отверстия оптической системы объектива. А электронный затвор камеры изменяет время, за которое накапливается заряд в ПЗС-матрице. Таким образом, регулируя время накопления заряда от 1/50 с до 1/100000 с, можно отрабатывать изменения освещенности в 2000 раз.

Отношение сигнал/шум. Соотношение сигнал/шум говорит о качестве выходного видеосигнала камеры видеонаблюдения. Оно измеряется в децибелах (дБ) и численно равно десятичному логарифму отношения амплитуды напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению напряжения фона, умноженного на 20. Визуально шум проявляется в виде «снега» на изображении с камеры. При отношении сигнал/шум 45дБ шум практически не заметен. Высокое соотношение сигнал/шум камеры видеонаблюдения, а, следовательно, и качественная видеокартинка, достигаются достаточным уровнем освещенности объекта наблюдения, светосильной оптикой, использованием высококачественной матрицы ПЗС и цифровой фильтрацией шумов в электронных схемах камеры видеонаблюдения.

Компенсация встречной засветки. В системах видеонаблюдения очень часто необходимо передать темные участки изображения на ярком фоне. Например, если навстречу камере наблюдения выезжает автомобиль с включенными фарами, то на изображении будут видны только два ярких пятна от фар. Наличие в камере компенсации встречной засветки позволяет устранить этот недостаток. В простейшем случае электронная система камеры видеонаблюдения устанавливает автодиафрагму, электронный затвор и АРУ не по средней освещенности изображения, а по его части. Это может быть центр или область, которая задается программно. Тогда на видеомонитор будут передаваться два предельно ярких пятна от фар, а также изображение автомобиля при нормальной контрастности. Некоторые камеры видеонаблюдения имеют АРУ, которая при обработке сигнала устраняет или ослабляет очень яркие участки изображения, поэтому все изображение будет примерно одинаковой яркости. В отличие от аналоговых, цифровые камеры видеонаблюдения имеют электронный затвор, который выборочно выставляет различное время экспозиции для различных частей изображения, поэтому все изображение получается одинаковой яркости и с проработкой всех деталей.

Эффект заплывания изображения камеры. При встречной засветке некоторые области ПЗС-матрицы камеры видеонаблюдения оказываются очень сильно освещенными. Количество накопленного в этих областях заряда может оказаться таким, что он будет перетекать в соседние участки матрицы, вызывая эффект заплывания изображения. Для устранения этого эффекта созданы специальные ПЗС-матрицы, которые не накапливают заряд больше определенной величины.

Баланс белого. Для того, чтобы камера видеонаблюдения точно передавала цвет объекта, независимо от источника освещения объекта, видеосигнал обрабатывается системой баланса белого. Параметры настройки баланса белого могут устанавливаться автоматически или вручную. При автоматическом балансе белого камера видеонаблюдения определяет эти параметры однократно и потом использует их при дальнейшей работе. Если освещение объекта часто меняется в течение суток, то применяют камеры видеонаблюдения с автоматическим отслеживанием баланса белого. Такие камеры непрерывно корректируют параметры настройки баланса белого.

В настоящее время ПЗС-матрицы производятся несколькими компаниями, которые являются лидерами и специализируются на выпуске микросхем для телевизионных камер. Таких компаний, имеющих собственное производство и исследовательские лаборатории, не так много - Panasonic, Samsung, Sony, Sharp и некоторые другие. Как правило, видеокамеры построены на базе матриц, произведенных этими компаниями, а схемных обвязок, которые в состоянии либо сохранить параметры исходного уровня сигнала, полученного матрицей, либо ухудшить его, очень много. Таким образом, качество изображения зависит не только от одной ПЗС-матрицы, но и от уровня схемотехники, реализованной конечным производителем видеокамеры.

Дополнительное ухудшение качества изображения вносят объективы, применяемые в составе видеокамеры. В охранном телевидении используются объективы с фиксированным и переменным фокусным расстоянием (вариообъективы). Следует отметить, что качество объективов зависит от таких факторов, как тип стекла, механические компоненты, конструкция, технология изготовления.

Все выпускаемые объективы можно разделить по способу управления диафрагмой - ручное и автоматическое. В объективах с автоматической диафрагмой управление происходит автоматически: в зависимости от уровня светового потока, попадающего на матрицу, меняется относительное отверстие диафрагмы объектива, через которое он проходит. Управление диафрагмой происходит через сервоусилитель. Существует одна особенность построения системы управления диафрагмой объектива с АРД (автоматическая регулировка диафрагмы). Объективы с АРД делят на 2 подгруппы. В первой подгруппе управление диафрагмой осуществляется видеосигналом - VD (videodrive), а во второй подгруппе автодиафрагма управляется сигналом постоянного тока - DD (directdrive). Разница между двумя подгруппами заключается в том, что в объективах, относящихся ко второй подгруппе, полупроводниковые элементы усилителя управления диафрагмой расположены на плате видеокамеры. Эта особенность построения схемы управления диафрагмой накладывает определенные требования к совместимости применяемых объективов и видеокамер, произведенных разными производителями. Но в то же время объективы с управлением диафрагмой постоянным током дешевле. На сегодняшний день, когда производители, стараясь выдержать конкуренцию на рынке, вводят дополнительные функции видеокамеры, можно выбрать объектив с любым управлением диафрагмы. С практической точки зрения имеет смысл отдавать предпочтение известным производителям оборудования подобного типа.

К блоку питания видеокамеры не предъявляется особых требований, но при неграмотном выборе он может повлиять на выходные параметры видеокамеры. Для ее питания используют в основном стандартный трансформаторный блок питания, соответствующий потребляемой мощности видеокамеры, с входным напряжением 220 В/50 Гц и выходным стабилизированным напряжением 9 В или 12 В. Этот блок питания в зависимости от модели видеокамеры может быть выносным или встроенным в корпус видеокамеры. Встроенный блок, конечно, лучший вариант с точки зрения питания, т.к. изготовлен и проверен на предприятии, где производилась окончательная сборка. Но такие видеокамеры не всегда удобны для использования в случаях, когда речь идет о применении другого питающего напряжения или при решении дизайнерских задач (отсутствие видимости кабельный линий связи, скрытность установленной видеокамеры, отсутствие удачного места для монтажа и т.п.). Тогда применяются выносные блоки питания с элементами стабилизации выходного напряжения. Это очень важный момент, о котором многие забывают, потому как отсутствие стабилизации напряжения питания с малым уровнем пульсаций (переменной составляющей выходного напряжения с частотой 50 Гц) очень часто является причиной наличия помех в видеосигнале или нестабильной работы видеокамеры. Так же эффективность работы видеокамеры зависит от условий эксплуатации.

Освещение. Хорошее освещение - это одно из важных условий для получения качественного видеоизображения, особенно в цветном приложении. Источники света могут иметь естественное и искусственное происхождение. Солнце является основным естественным источником света. Цветовая температура света, отраженного от поверхности Земли, меняется от 6000 К до 20000 К в зависимости от времени суток из-за отражения и преломления света при прохождении через атмосферу. При низкой цветовой температуре изображение может приобретать красный оттенок, а при высокой - синий. Искусственные источники света - нагретая металлическая нить или свечение газа - дают разную цветовую температуру в зависимости от источника. Нить накаливания из вольфрама около 3/4 энергии излучает в инфракрасной области в виде теплового излучения. Такие искусственные источники света и ИК-прожекторы подходят для совместной работы с видеокамерами, которые имеют повышенную чувствительность в инфракрасной области в черно-белом режиме. Для получения естественной цветопередачи цветных видеокамер желательно получать освещение от флуоресцентной или галогенной лампы. Но это условие необходимо выполнять только при отсутствии условий с естественным освещением. В ночных условиях большинство цветных видеокамер переходят в черно-белый режим. При правильном проектировании мест расположения видеокамер источник света не должен попадать в объектив. Для этого видеокамеры желательно устанавливать как можно выше от земли и направлять в ту же сторону, что и источник светового потока, но никак не навстречу. Хотя такие ситуации бывают нередко, особенно в дневное время и при сложной конфигурации периметра. В этом случае принимают определенные меры:

- не ставят серьезных задач обнаружения или идентификации;

- используется дублирующая видеокамера, которую ставят навстречу основной;

- устанавливают на видеокамеру защитную бленду.

Все эти меры можно применять по отдельности или совместно.

Температура. Для надежной эксплуатации видеокамер на улице необходимо правильно подобрать защитный термокожух. Большинство термокожухов отличаются друг от друга дизайном и автоматической системой подогрева, мощность которой колеблется от 10 до 40 Вт и при этом обеспечивает успешную эксплуатацию в диапазоне температур окружающей среды от -35 °С до +50 °С. Этот диапазон температур присутствует на ограниченной территории России. Для эксплуатации видеокамер в местах, где нижняя граница температуры опускается до -70 °С (в некоторых регионах России) применяют стационарные и управляемые видеокамеры, система подогрева которых адаптирована для работы в таких условиях, прошедшие проверку временем при эксплуатации на объектах с экстремальными климатическими условиями (сильный ветер, понижающий реальную температуру окружающей среды пропорционально 1м/с на 1 °С и другие дестабилизирующие факторы). Для эксплуатации видеокамер внутри помещений температурный диапазон практически не имеет значения, так как он редко выходит за пределы диапазона + 5...+4 0 °С и обычно колеблется около +20 °С во все времена года.

Дестабилизирующие факторы. Их условно делят на два типа - естественные источники (мощные грозовые разряды, повышенная запыленность, влажность, содержание в воздухе солей и т. п.) и условия техногенного характера (заполнение эфира радиоизлучениями от передающих станций, радиация, химическое производство, взрывоопасные территории и т.п.). Для защиты видеокамеры и транслируемого видеосигнала от такого рода воздействий используют витую пару и оптоволокно, устройства грозозащиты, а также специально изготовленные корпуса из нержавеющей стали с соответствующим классом защиты. Видеокамеры, предназначенные для работы в условиях радиации высокого уровня, долго не служат, т.к. самым слабым местом в них является ПЗС-матрица. Эти камеры служат от нескольких месяцев до 1,5 лет (в зависимости от активности зоны излучения) и подлежат полной замене по окончании периода эксплуатации.

Современное оборудование системы видеонаблюдения позволяет не только наблюдать и записывать происходящие события, но и программировать реакцию всей системы безопасности при возникновении нештатных ситуаций.

Сферы применения охранного телевидения и круг решаемых с его помощью задач достаточно широки. Уже давно стали обыденностью телевизионные камеры в супермаркетах, складах и офисах, не говоря о таких серьезных объектах как банки, вокзалы, метро, режимные предприятия и т. п.