Телевизионные камеры

Устройства ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Телевизионные камеры являются важнейшим элементом систем наблюдения, входящим в состав любой СЗТВ и служат для преобразования изображения контролируемого объекта (в видимом или невидимом инфракрасном (ИК) диапазоне) в электрический сигнал. Принцип действия телевизионных камер основан на преобразовании светового потока, отраженного от наблюдаемых объектов, на чувствительном элементе камеры. Световой поток, проходя через объектив (систему линз), обеспечивающий требуемую фокусировку, попадает на чувствительный элемент. Чувствительный элемент камеры преобразует световой поток в электрический сигнал.

Быстрое развитие телевизионных систем наблюдения в последние годы было обусловлено появлением принципиально новых камер. Прежние телекамеры использовали электровакуумные передающие телевизионные трубки, обладающие достаточно большими габаритами и малым сроком службы. Современные телевизионные камеры используют в качестве чувствительного элемента, преобразующего оптическое изображение в электрический сигнал, так называемые ПЗС - матрицы (ПЗС - приборы с зарядовой связью). Такие камеры обладают весьма важными преимуществами - большим сроком службы и значительно меньшими габаритами.

ПЗС - матрица представляет собой набор элементарных конденсаторов, заряд которых пропорционален интенсивности светового потока, падающего на этот элемент. Считывая величину заряда с элементов ПЗС - матрицы, можно получить сигнал, пропорциональный освещенности определенного элемента изображения объекта. Для увеличения чувствительности каждый элемент ПЗС - матрицы можно снабжаться собственной микро линзой. Эта линза, расположенная надэлементом, фокусирует световой поток с большей площадинаповерхность чувствительного элемента матрицы,

Очевидно, что параметры ПЗС - матрицы в значительной степени будут определять характеристики и параметры телекамеры. Заметим, что в настоящее время ПЗС - матрицы выпускаются в основном несколькими японскими фирмами и небольшую часть ПЗС - матриц производит компания РН11-1РЗ. Поэтому качественные характеристики телекамеры будут существенно зависеть от алгоритмов обработки, их схемотехнической реализации и технологического качества производства фирмы изготовителя камеры.

Каковы же основные характеристики и параметры телевизионных камер на ПЗС - матрицах.

Формат ПЗС - матрицы

В настоящее время используются матрицы четырех основных размеров: 1/3"; 1/2"; 2/3" и 1". При этом наиболее популярными являются камеры с матрицами первых двух типов. Последнее время начали выпускаться матрицы формата 1/4". Соответствующие размеры матрицы (высота и ширина) приведены в табл. 2.1.

Формат матрицы	1/3"	1/2"	2/3"	1"
Высота, мм	3,6	4,8	6,6	9,6
Ширина, мм	4,8	6,4	8,8	12,8

Нетрудно убедиться, что соотношение сторон матрицы соответствует 4:3.

Как дополнительный параметр матрицы иногда приводят количество строк и столбцов элементов матрицы. Типичное количество элементов матрицы для телекамер среднего класса стандартного разрешения, например 1У380-С (компании С&К System), составляет 512 элементов по горизонтали и 582 по вертикали. Камеры высокого разрешения имеют соответственно 752 и 582 элементов.

Разрешающая способность

Разрешающая способность определяет способность камеры обеспечивать наблюдение за объектами с мелкими деталями и характеризуется числом телевизионных линий (ТВЛ) по горизонтали,то есть количеством чередующихся черно-белых линий, которые может воспроизвести телекамера. Разрешающая способность определяется обычно в центральной части экрана (3/4), поскольку ближе к краям экрана разрешение хуже.

Если сравнить количество телевизионных линий с количеством элементов ПЗС - матрицы, то разрешающая способность составляет приблизительно 3/4 от количества элементов. Так для упоминавшейся выше камеры 1У380-С разрешающая способность равна 380 ТВЛ (512 х х0,75=384).

Этот параметр (число ТВЛ) может браться как один из признаков, по которым могут классифицироваться телекамеры.

Так черно-белые камеры обычного (стандартного) разрешения имеют около 500 элементов матрицы по горизонтали и разрешение 380 ТВЛ. Камеры высокого разрешения - около 750 элементов и разрешение 560 ТВЛ.

Разрешающая способность соответствующих цветных камер составляет 320-330 ТВЛ и 460 ТВЛ.

Минимальная освещенность

Минимальная освещенность характеризует чувствительность камеры, способность формировать изображение "приемлемого" качества при низком уровне освещенности объекта, то есть это минимальная освещенность, при которой сохраняется работоспособность камеры.

При выборе камер и особенно при сравнении телекамер разных фирм производителей, необходимо учитывать, что значение этого параметра зависит от ряда факторов. Перечислим некоторые из них:

• уровень выходного сигнала, определяющий "приемлемость" изображения (например, 30%, 50% или 100%);

• параметры объектива, характеризующие его качество (светосила или Р-stop);

• отражающая способность объекта;

• место измерения освещенности (на объекте или на матрице).

Очевидно, что для корректного сравнения и оценки чувствительности камеры должны оговариваться эти параметры. Это не важно, если сравниваются телекамеры одной фирмы, однако сравнение устройств разных фирм без учета упоминавшихся условий может быть неверным. Обычные черно-белые телекамеры стандартного класса имеют чувствительность около 0,1-0,3 люкса, высокочувствительные – сотые Чувствительность цветных камер ниже, чем черно-белых и составляет единицы люкс.

Чтобы представлять какие возможности наблюдения дают эти камеры, приведем значения освещенности в различных условиях (рис. 2.1).

Ясно, что эти цифры в известной степени условны, зависят от многих факторов, однако дают общее представление о возможных уровнях освещенности. Освещенность в помещении составляет обычно от десятков до сотен и тысяч люкс.

С точки зрения чувствительности необходимо отметить также, что чувствительность телекамеры отличается от чувствительности человеческого глаза. На рис. 2.2 приведены графики чувствительности человеческого глаза и телекамеры. Видно, что, в отличие от человека телекамера "видит" в инфракрасной части оптического диапазона, невидимой для человеческого глаза.

Эта способность позволяет организовать видео наблюдение в условиях полной темноты для человека. С другой стороны для получения изображения высокого качества (близкого к тому, что видит человек) может потребоваться установка специальных инфракрасных режекторных светофильтров, обеспечивающих близкую чувствительность телекамеры и глаза человека.

Электронный затвор

Электронный затвор телевизионной камеры по сути эквивалентен выдержке в фотоаппарате, то есть определяет промежуток времени, в течение которого ПЗС - матрица накапливает сигнал. При изменении промежутка времени, через который осуществляется считывание информации с ПЗС - матрицы, изменяется время накопления сигнала, что позволяет регулировать чувствительность камеры. Уменьшение этого промежутка позволяет камере работать в условиях высоко освещенности и наоборот, увеличение времени накопления увеличивает чувствительность камеры, что позволяет ей работать в условиях низка освещенности.

Значения этого параметра составляют обычно для стандартных камер от 1/50 до 1/10000 (до 1/100000 в более совершенных камерах). Эти значения определяют диапазон изменения освещенности объекта, в пределах которого камера будет формировать изображение хорошего качества,

Электронный затвор позволяет телекамере работать в достаточно широком диапазоне освещенности, например при основном и дежурном освещении в помещении. Однако этого недостаточно для работы на улице, где уровень освещенности изменяется в десятки и сотни тысяч раз. В таких условиях можно использовать возможность телекамеры автоматически регулировать диафрагму объектива.

Автоматическая регулировка диафрагмы

Ряд камер имеет возможность управления объективом с авто диафрагмой. Для этого телекамера должна формировать специальные управляющие сигналы, пропорциональные уровню освещенности. Эти сигналы, формируемые камерой, бывают двух видов:

• видеосигнал, непосредственно подаваемый на объектив;

• сигнал постоянного тока, сформированный из видеосигнала.

В первом случае объектив должен иметь встроенный усилитель для получения сигнала управления диафрагмой, что усложняет объектив и делает его дороже. Во втором, сигнал достаточной мощности для управления диафрагмой, формируется в телекамере. Используемый при этом объектив будет проще и дешевле.

Способ монтажа объектива

Существуют два стандартных варианта крепления объективов к телекамерам - "С" и "СЗ". В обоих случаях объектив и камера имеют одинаковую резьбу. Отличие заключается в значении расстояния от плоскости крепления объектива до плоскости ПЗС - матрицы, на которой объектив должен сфокусировать изображение. Рис. 2,3 иллюстрирует отличие способов крепления "С" и "СЗ".

С точки зрения совместимости камеры и объектива не вызывает сомнения, что использование объектива и камеры одного типаневызывает проблем. В таблице 2.2 показана совместимость объективов и камер, с разным способом крепления.

	Способ крепления
Камера	С	С	СЗ	С8
Объектив	С	СЗ	СЗ	С
Совместимость	V	х	V

Для использования объектива "С" и камеры "СЗ" необходимо отодвинуть объектив от ПЗС - матрицы на расстояние около 5 мм (равное разности расстояний от плоскости крепления до матрицы в соответствующих камерах - см. рис. 2.3). Это достигается использованием специального переходного кольца, которое обычно прилагается к камере.

Использование сочетания "С" камеры и "С5" объектива недопустимо, поскольку изображение будет фокусироваться перед ПЗС - матрицей, соответственно в плоскости матрицы оно не будет сфокусировано,

Способ синхронизации камеры

Ряд устройств обработки требует синхронизации работы телекамер. Примером может служить последовательное подключение нескольких телекамер к одному монитору. При отсутствии синхронизации в момент переключения изображение будет передергиваться, что неприятно для глаз и приводит к быстрой утомляемости оператора. Для этого используются два основных способа синхронизации:

• Синхронизация по моментам перехода через ноль питающего напряжения (очевидно, что применим только для камер с питанием переменным током);

• Внешняя синхронизация. При этом возможны две ее разновидности:

=> формирование синхросигнала с помощью специального генератора, сигнал с которого подается на все телекамеры системы;

=> использование видеосигнала одной камеры для синхронизации остальных.

Ясно, что в отличие от первого способа, второй потребует проводки дополнительных линий передачи синхросигналов к телекамерам.

Кроме внешней синхронизации может использоваться внутренняя, когда условия обработки сигналов от нескольких телекамер не требует их синхронизации.

Напряжение питания

Большинство из выпускаемых в настоящее время телекамер используют следующие три вида питающих напряжений:

• 220 В переменного тока. Питание от сети достаточно удобно, если есть возможность подключения камеры к сети и не требует дополнительных проводов подачи напряжения питания.

• 24 В переменного тока. Может быть полезным, например в помещении с повышенными требованиями к электробезопасности. Требует использования соответствующих источников питания (трансформаторов).

• 12 В постоянного тока. Питание телекамеры постоянным током позволяет уменьшить габариты камеры и мощность, потребляемую камерой, однако требуют линий подачи этого напряжения и соответствующих источников питания. Кроме того; при этом нельзя использовать внешнюю синхронизацию по сети.

Обычно фирмы производители выпускают серии телекамер, отличающиеся напряжением питания с одинаковыми характеристиками, не зависящими от этого напряжения. Такие телекамеры отличаются, как правило, длиной при одинаковых остальных размерах. Некоторые камеры, например бескорпусные, могут иметь и другие значения напряжения питания постоянного тока.

Автоматическая регулировка усиления

Обеспечивает регулировку усиления в зависимости от уровня видеосигнала и тем самым дает возможность использовать камеру в более широком диапазоне условий эксплуатации.

Отношение сигнал/шум

Характеризует.качество формируемого изображения, Обычно имеет значения около 50 дБ.

Гамма-коррекция

Для приближения изображения, формируемого камерой, к изображению, видимому человеческим глазом, в тракт обработки сигнала вводится нелинейность. Как правило, этот коэффициент у •= 0,45.

Диапазон рабочих температур

Черно-белые камеры обычно могут работать в диапазоне температур -(10...20)°С до +(50...60)°С (без использования специальных корпусов). Использование защитного корпуса с подогревателем дает возможность использовать телекамеры практически в любом регионе с холодным климатом.

Конструктивное исполнение

Говоря о конструктивном исполнении телекамер, можно подразделять их по двум основным признакам:

• наличие и вид корпуса;

• наличие встроенного объектива и его особенности.

Наиболее распространены камеры стандартного исполнения без объективов. Обычно это корпус близкий к прямоугольному, с теми или иными характерными особенностями. Так, приводившаяся в качестве примера телекамера 1У380-С имеет корпус, верхняя часть которого имеет цилиндрическую форму (рис. 2.4). Для использования таких камер необходимо доукомплектовать ее объективом с требуемыми параметрами, а также кронштейном для установки телекамеры.

Другая группа телекамер (также достаточно распространенная) имеет специальной формы корпус, снабженный кронштейном или устанавливаемый непосредственно на монтажную поверхность, а также встроенный объектив. Возможность выбора объективов различного типа в таких камерах значительно ограничена. Однако большее удобство (полностью укомплектованная камера с установочными элементами) и удачный дизайн, позволяющий "вписать" камеру в интерьер помещения, делает ее полезной при установках в обычных помещениях, где, как правило, не требуется сложных объективов. Одни из разновидностей таких камер имеют шарообразные корпуса или корпуса в виде полусферы.

Третья группа - это так называемые бес корпусные телекамеры. Практически они представляют собой печатную плату (с электронной схемой обработки), на которой установлена ПЗС - матрица и специальный объектив. Реже встречаются бес корпусные камеры с арматурой для установки стандартных объективов. Одна из разновидностей специальных объективов - это объективы с маленьким (единицы мм) входным отверстием, что позволяет легко закамуфлировать такую камеру в любой предмет (картина, письменный прибор и т.д.). Габаритные размеры таких камер составляют 30 - 40мм.

Телевизионные камеры могут быть установлены стационарно, неподвижно. При этом (если используется объектив с постоянным фокусным расстоянием) сектор обзора остается неизменным. Если требуется возможность просмотра различных участков контролируемого объекта, то используют телевизионные камеры, установленные на специальном поворотном устройстве. Такое устройство позволяет дистанционно изменять положение телекамеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях и, тем самым, просматривать различные зоны объекта. Следует учесть, что другие участки объекта при этом (если нет дополнительных камер) не контролируются.

Как пример рассмотрим телевизионную камеру стандартного класса IV380-С (С&К System). В журнале PSI (Professional Security Installer) в мае 1996 года были опубликованы результаты независимого испытания этой камеры. Оценка производилась по трем группам параметрам. Результаты опенки приведены ниже.

Эти достаточно высокие характеристики обусловлены, в частности, следующими параметрами этой телекамеры:

Формат ПЗС – матрицы 1/3" с построчным переносом

Количество элементов 512х582

Способ монтажа объектива С или С8

Чувствительность 0,1 лк

Синхронизация Внутренняя или по сети(выбирается)

Разрешающая способность 380 ТВ линий

Электронный затвор 1/50...1/10000

Управление автодиафрагмой Видеосигналом или постоянным объектива током (выбирается) Рабочие температуры -10°С...+50°С Размеры:

1У380-С12 57х52х103 мм

1У380-С24 57х52х144 мм

1У380-С220 57х52х144 мм

Другой пример - цветная телекамера высокого разрешения IV-460, использующая цифровую обработку сигналов. Камера имеет разрешающую способность 460 ТВ линий по горизонтали и достаточно хорошую чувствительность 1 лк. Основные параметры камеры приводятся ниже.

Формат ПЗС - матрицы 1/3"

Чувствительность 1 лк

Синхронизация Внутренняя илипо сети

Разрешающая способность 460

Электронный затвор 1/50...1/10000

Управление авто диафрагмой Да

Компенсация засветки Да

Автоматическая регулировкаусиления Да

Отношение сигнал/шум 50 дБ Телевизионная система РАL

Отметим, что компания "С&К System, Inc," известная во всем мире прежде всего своим оборудованием систем охранно-пожарной сигнализации, активно расширяет выпуск систем ТВ наблюдения собственной разработки и производства. Камеры IV380-С и IV-460 - одни из примеров таких систем.

Дата добавления: 2015-05-26