Системы фото и видеонаблюдения

Системы объективного контроля в экологии при охране ООПТ

Лекция 7

Системы объективного контроля включают в себя системы, позволяющие однозначно определить нарушителей и браконьеров, не соблюдающих природоохранный режим природной территории, в том числе выявить браконьеров с оружием, и их транспортные средства, туристов и посетителей, не соблюдающих меры противопожарной безопасности и правила ООПТ.

Качество современных видеокамер и фотоаппаратов позволяет создавать, в автоматизированном режиме, эффективные многокилометровые зоны наблюдения на участках находящихся перед ООПТ, в том числе на больших расстояниях выявлять мелкие детали. Разрешение по горизонтали для приборов наблюдения обозначается в ТВЛ - телевизионных линиях и определяется соотношением эффективных пикселей к числу AR, где AR это соотношение сторон кадра (4/3 или 16/9 и т. д.) Для систем CCTV AR обычно равно 4/3, также разрешение может определяться числом пикселей в ширину и длину или умножением пикселей по горизонтали и вертикали (так разрешение современных фотоаппаратов может достигать десятков тысяч пикселей в ширину и длину или до десятков гигапикселей при их умножении, что можно увидеть на сайтах: http://www.gazeta.ru/science/2012/06/21_a_4634165.shtml или http://xpixels.ru/zoom/zoomfy_img252/img252.html). Разрешение определяется полосой пропускания канала, а так же качеством применяемой оптики и возможностью применения стандартных фокусных расстояний на большой дальности.

Глубина резкости объектива фото и видеокамер наблюдения - диапазон расстояний, в пределах которого оптическое изображение, образуемое объективом камеры, обладает допустимой резкостью. В некоторых случаях большая глубина резкости является не желаемой характеристикой. Например, во время портретной съёмки с использованием объективов с большим фокусным расстоянием (телеобъективы), чтобы снимаемый объект был немного резче, чем передний и задний план. Однако, в системах наблюдения в преобладающем большинстве случаев заказчики нуждаются в прямо-противоположном эффекте. Они желают, чтобы как можно больше объектов находилось в фокусе видеокамеры (были резкими), независимо от того где расположены эти объекты (на переднем, в центре или заднем плане).

Фокусное расстояние (f), светосила (F) и формат объектива (1/3, 1/2, 2/3 и т.д.) являются одними из самых важных характеристик объективов для фото и видеокамер в системах наблюдения. Общая ориентация такова: с уменьшением фокусного расстояния объектива увеличивается глубина резкости; чем выше значение числа F, тем выше глубина резкости, а так же с уменьшением формата объектива увеличивается глубина резкости.

Формат объектива - приблизительная длина в дюймах диаметра сфокусированного на плоскости изображения (он же является диагональю вписанного в эту окружность прямоугольника с соотношением сторон 3: 4).

Теперь, исходя из вышесказанного становится понятно, почему некоторые объективы, применяемые для фото и видеокамер наблюдения с маленькими показателями фокусного расстояния (2,45мм – 3,3мм) не имеют фокусировочного кольца. Это происходит потому, что глубина резкости настолько велика, что всё равно изображения объектов мы получаем достаточно резкими независимо от их удалённости (от 0,5м до бесконечности).

Проблемы глубины резкости у видеокамер наблюдения. Как правило, системы видеонаблюдения функционируют круглосуточно. И в ночное время, когда автодиафрагма полностью раскрывается из-за низкого уровня освещённости, глубина резкости видеокамеры наблюдения снижается, что приводит к не сфокусированной картинке, хотя днём подобных проблем не было. Выводы следует делать следующие: регулировку фокуса видеокамеры наблюдения следует производить только при полном раскрытии диафрагмы. Простой способ заставить диафрагму полностью раскрыться – заниматься настройкой видеокамер при низких уровнях освещённости, вечером или днём при использовании фильтров нейтральной плотности. Все эти мероприятия направлены для уменьшения глубины резкости с целью более точной и простой настройки объективов видеокамер наблюдения. Чёрно-белые видеокамеры с инфракрасной подсветкой, так же обладают определёнными проблемами. В связи с тем, что длина волны инфракрасного освещения больше (по сравнению с дневным светом) и показатели оптического преломления иные, происходит расфокусировка камеры при включении ИК подсветки. Общая рекомендация в данном случае: производить настройку резкости видеокамеры наблюдения ночью при включённой подсветке.

Лидерами по качеству изображения, в том числе качеству отображения мелких деталей являются специализированные фото и видеокамеры, предназначенные и настроенные для съемок на большие расстояния, в том числе закрепляемые на беспилотных и пилотируемых летательных аппаратах фото и видеокамеры. Данные камеры обеспечивают высочайшее цветное разрешение на открытой местности днем и аналогичное черно-белое разрешение ночью при использовании специализированных систем и приборов (ночной направленной подсветки, фотовспышки, инфракрасной подсветки).

Так, например Японская фирма Токина разработала ряд моделей объективов с инфракрасной коррекцией (ИК-коррекцией), совместимых с чувствительными камерами типа "DAY&NIGHT". Используя систему видеонаблюдения, включающую камеру "DAY&NIGHT" и объективы Токина с ИК-коррекцией не требуется корректировать настройку фокуса при смене времени суток. Настроенный однажды объектив будет давать четкое изображение круглосуточно без дополнительной фокусировки объектива. Объективы Токина с ИК-коррекцией показывают хорошие показатели разрешения в ближнем инфракрасном диапазоне благодаря тому, что оптическая конструкция и используемые материалы в линзах не позволяют смещаться точке фокусировки.

Рис. 1, 2

Использование специализированных объективов, фото и видео камер позволяет получать качественное сфокусированное изображение отдаленных объектов, как в дневное, так и в ночное время

Наибольшее распространение в последнее время получили видеокамеры, хотя в целом установленные на возвышенности на вращающемся держателе фотокамеры также могут быть достаточно эффективно использованы для съемки местности, где фотографии получаются за счет преимущественно горизонтального вращения держателя и получения секторальных снимков местности за заданное время. Далее в целях объективного контроля и выявления нарушителей и техногенных воздействий на природную среду данные снимки могут быть обработаны в специализированной геоинформационной системе.

Что касается систем видеонаблюдения, то может быть принят следующий подход по классификации.

Аналоговые и сетевые (IP) камеры наблюдения

По способу передачи видеосигнала камеры наблюдения делятся на две группы: аналоговые и сетевые. Аналоговые камеры передают видеосигнал по коаксиальному кабелю и подключаются к системе наблюдения через BNC-разъем. Некоторые из них оснащены встроенным передатчиком видео по витой паре или оптоволокну – это позволяет передавать видеосигнал на большие расстояния без промежуточных усилителей.

IP-камеры не только формируют видеосигнал, но также оцифровывают его, сжимают (в MPEG-4, M-JPEG и т.д.) и передают по LAN/WAN через сетевой порт Ethernet. Поскольку IP-камеры наблюдения, как правило, имеют встроенный веб-сервер, изображение с них можно просматривать в окне стандартного веб-браузера (Internet Explorer). Качество видеоизображения, которое давали первые цифровые камеры, оставляло желать лучшего, а ассортимент включал только стационарные цветные телекамеры, поэтому многие инсталляторы предпочитали использовать аналоговые камеры, подключаемые через видеосерверы. В настоящее время для любой аналоговой камеры можно найти полноценную замену из группы IP-камер.

Типы чувствительных элементов (ПЗС, КМОП, Pixim, тепловизоры)

От типа и качества чувствительного элемента зависят основные параметры камеры наблюдения, такие как разрешение, чувствительность, динамический диапазон, отношение сигнал/шум, ИК-чувствительность. В настоящее время на рынке представлены камеры наблюдения с ПЗС- (или CCD-) матрицами, с КМОП-матрицами, с PIXIM-матрицами, с тепловизорами.

ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью, англ. charge-coupled devices, CCD) – самый распространенный в настоящее время чувствительный элемент для камер наблюдения. Она представляет собой двумерный массив фотоэлементов, которые накапливают электрический заряд пропорционально падающему на них свету. Эти заряды сдвигаются горизонтально или вертикально и передаются на выходной каскад. А затем начинается накопление заряда для формирования нового видеокадра.

КМОП-матрица (комплементарная ИС металл-оксид-проводник, англ. complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) представляет собой интегральную схему, на которой, помимо собственно светочувствительного элемента, реализованы формирователи тактовых импульсов, логические схемы синхронизации, обработки сигнала и т.д. В ПЗС-камерах все эти элементы реализованы в виде отдельных микросхем, поэтому КМОП-камеры значительно компактнее. В отличие от ПЗС, в КМОП накопленные на пикселях заряды не переносятся, а на ранних стадиях обнаруживаются высокочувствительными усилителями зарядов на КМОП-транзисторах. До недавнего времени слабым местом КМОП-камер был высокий уровень шума изображения (из-за сложности согласования большого количества усилителей) и низкая светочувствительность (из-за сравнительно небольшой площади светособирающей поверхности). Сейчас эти проблемы успешно преодолены большинством производителей.

PIXIM-матрица – это разновидность КМОП-матриц с раздельным экспонированием пикселей. Она обладает широким динамическим диапазоном, поэтому камеры наблюдения на базе таких матриц формируют сбалансированное изображение с хорошей детализацией и могут использоваться везде, где в кадре присутствуют области с резким перепадом освещенности (окно или открытая дверь). Принцип ее работы базируется на технологии раздельной экспозиции пикселей Pixim™. В основе этой технологии лежит система высокоточной мультидискретизации, которая в режиме реального времени рассчитывает уровневую коррекцию реакции на освещенность для каждого пикселя матрицы отдельно. Многие производители при изготовлении матриц используют всевозможные модификации технологии PIXIM, поэтому их матрицы могут называться по-другому (SIMD, WDR).

Тепловизор позволяет осуществлять видеонаблюдение в тепловом (инфракрасном) диапазоне. Он может быть построен на основе неохлаждаемой микроболометрической матрицы. При поглощении тепла теплочувствительными элементами матрицы изменяется электрическая проводимость полупроводниковых терморезистивных «мостиков» на основе оксида ванадия, соединяющих теплочувствительные элементы. Электрическая проводимость регистрируется микросхемой, и на основе полученных данных тепловизор формирует картину распределения температуры, которую и видит на экране оператор системы наблюдения. Преимущество тепловизора перед традиционными ПЗС- и КМОП-матрицами состоит в том, что он позволяет видеть объекты в абсолютной темноте и при плохой погоде (при дожде, тумане) и дает оператору достоверную информацию об объектах, находящихся в тени или за листвой деревьев.

Цветные, черно-белые камеры и три технологии «день/ночь»

Цветные камеры наблюдения могут использовать в качестве светочувствительного элемента ПЗС-, КМОП- или PIXIM-матрицы. Чтобы избежать эффекта «заплывания» (blooming), а также возникновения шумов и вертикального ореола вследствие воздействия ИК-излучения на кремниевую структуру ПЗС-матрицы, в цветные камеры наблюдения устанавливают инфракрасные отсекающие фильтры – оптически точные плоскопараллельные пластины, монтируемые сверху ПЗС-матрицы. Такие фильтры провоцируют дополнительные светопотери, зато приближают спектральную характеристику ПЗС-матрицы к характеристике человеческого глаза, повышают разрешение камеры наблюдения и улучшают отношение сигнал/шум.

Черно-белые камеры наблюдения выпускаются на базе черно-белых ПЗС-матриц. Большинство производителей камер не используют с черно-белыми ПЗС-матрицами ИК-фильтр, поскольку для монохромного изображения влияние ИК-волн на спектральную характеристику не критично. К тому же, отсутствие ИК-фильтра дает возможность использовать камеру с ИК-подсветкой, а также для наблюдения при особо низких уровнях освещенности. Кроме того, перед черно-белой ПЗС-матрицей отсутствует мозаичный фильтр. Вот почему при прочих равных черно-белые телекамеры имеют большую чувствительность, чем цветные.

Камеры «день-ночь» при определенном уровне освещенности могут переходить из дневного (цветного) режима наблюдения в ночной (черно-белый). Для переключения между режимами наблюдения используются следующие способы.

Easy Day/Night. В этом случае в камеру наблюдения устанавливается цветная ПЗС-матрица с фиксированным ИК-фильтром. Когда освещенность на объекте снижается до определенного предела, камера начинает формировать черно-белый сигнал, который получается путем сложения яркостных составляющих по каналам R, G, B. За счет этого чувствительность камеры становится несколько выше. Тем не менее, при низкой освещенности и при ИК-подсветке такая камера наблюдения не эффективна, поскольку не обладает чувствительностью в ИК-диапазоне.

Отключаемый ИК-фильтр. Такая камера наблюдения «день/ночь» тоже использует в качестве чувствительного элемента цветную ПЗС-матрицу, но установленный перед ней ИК-фильтр может автоматически сдвигаться. За счет этого при определенном пороговом значении освещенности камера наблюдения переходит из цветного режима (когда ИК-фильтр находится перед ПЗС) в черно-белый режим (когда ИК-фильтр удален). В черно-белом режиме за счет отсутствия ИК-фильтра камера наблюдения становится чувствительна к ИК-излучению, поэтому в комплекте с ИК-подсветкой такую камеру можно использовать для круглосуточного наблюдения за объектами.

Двухсенсорная камера наблюдения. В камерах этого типа в дневном режиме используется цветная матрица, а в ночном – черно-белая. Благодаря высокоточному механизму, осуществляющему переключение ПЗС-матриц, изображение остается четким как в дневном, так и в черно-белом режиме. Основное преимущество таких камер перед камерами с отключаемым ИК-фильтром – более высокая чувствительность в ночном режиме. Это связано с тем, что в этом случае в ночном режиме используется черно-белая ПЗС, которая за счет отсутствия мозаичного фильтра не дает дополнительных светопотерь.

Камеры в стандартном и купольном корпусе; бескорпусные камеры

Чаще всего стационарные камеры наблюдения, выпускаются в традиционных прямоугольных корпусах, однако все большую популярность приобретают камеры в купольном корпусе. Такие модели хороши тем, что легко монтируются на плоскости и в большинстве случаев позволяют настраивать направление обзора. Иногда из-за особенностей территории удобнее использовать бескорпусные камеры.

В линейках большинства производителей представлены специальные уличные камеры, заключенные в кожух и оснащенные встроенным обогревателем и кулером. Для наблюдения за объектами, где велика вероятность механического повреждения камеры лучше всего подходят вандалозащищенные камеры. Такие модели выпускаются в ударопрочных корпусах, а крепление внутренних деталей осуществляется так, чтобы электронная начинка камеры и оптика не пострадали от ударов и вибраций. Основное преимущество, которое дают поворотные и скоростные купольные камеры – возможность наблюдения за гораздо большими территориями, чем при использовании стационарной камеры. Шаговый двигатель в таких камерах обеспечивает плавное вращение в плоскости панорамирования и наклона, а трансфокатор позволяет приблизить или удалить объект наблюдения. Для поворотной камеры можно запрограммировать несколько десятков предустановок, а также задать маршруты автопатрулирования.

Панорамные камеры

Даже при очень высокой скорости вращения купольная камера не может в каждый момент времени контролировать все охраняемое пространство. Эта проблема решена в панорамных камерах, которые за счет объектива «рыбий глаз» позволяют получать изображение всего пространства, которое затем может обрабатываться и выводиться на видеомонитры в привычной для оператора форме – так, как будто наблюдение осуществляется четырьмя независимо управляемыми купольными камерами. К тому же, панорамная камера не имеет подвижных частей, поэтому чрезвычайно надежна.

Несмотря на массу достоинств таких как высокое разрешение, возможность работы и днем и ночью специализированные фото и видеокамеры не могут наблюдать за территорией, которая закрыта кустарниками и лесными массивами. Данную проблему решают более дорогие и сложные системы способные работать на расстоянии до 5 км, радарные, оптические и инфракрасные комплексы.

Дата добавления: 2014-12-16