У видеосигнала должны быть хорошие ''родители'' Дмитрий ФИЛИППОВ, ии

У видеосигнала должны быть хорошие ''родители''
Дмитрий ФИЛИППОВ,
технический консультант компании ''Безопасность''
Грабитель подаёт в окошечко кассы записку:
- ''Если хотите остаться живым, переложите в мою сумку всю наличность!''
Кассир пишет ответ:
- ''Поправьте галстук, на вас направлена телекамера''.
Действительно, системы охранного телевидения позволяют вам одновременно
присутствовать в нескольких местах. Собирать видеоинформацию и записывать её.
Получать изображение в недоступных наблюдателю масштабах и ракурсах, а также при
низкой освещённости и в инфракрасном диапазоне спектра. Одним словом - существенно
облегчить работу охранников, а иногда и заменить их.
В гостинице ''Интурист'' проводилось совещание по модернизации системы охраны.
Решили пока камеры не ставить. И как на заказ, всего через пару дней - взрыв.
Террорист, сделав своё дело, спокойно вышел через вестибюль, никто его не запомнил...
Да, система охранного телевидения необходима. А раз есть спрос, то рынок отреагировал
на него предложением охранной видеотехники. Беда только, что рынок этот в основном
располагался в Митине. И технику он предложил соответствующую. Ну, и что за беда?
Ведь показывает же. Только устраивает ли это нас?
Вот произошёл теракт в торговом комплексе на Манежной площади. Работало вокруг
11 камер, записала одна, да и та дала такое изображение, что оперативники не получили
никакой полезной информации.
Система охранного телевидения, как и все технические средства вообще, в первую
очередь должна решать поставленную задачу - иначе не важно, сколько она стоит. Если
задача не решена, то деньги не сэкономлены, а выброшены. Вроде, как купили ботинки на
три размера меньше, потому, что они дешевле, теперь и деньги истрачены, и обуть нечего.
Задача, которую должна выполнить система охранного телевидения, то есть объём, вид,
скорость обновления, способ представления и архивирования видеоинформации формулируется исходя из концепции безопасности объекта. По оперативной разработке
устанавливаются источники угроз, а также методы их парирования. Для каждого канала
определяется - что, на каком фоне, при каком освещении, с какой степенью детализации, в
каких условиях надо видеть, а потом формулируются требования к видеосигналу,
обеспечивающие получение необходимого объёма видеоинформации, и только после
этого выбирается аппаратура, обеспечивающая такой сигнал.
Хочу сразу оговорить, что весь телевизионный тракт - кабельная система, усилители,
коммутаторы, детекторы движения, мультиплексоры, видеомагнитофоны, мониторы, о
которых мы здесь говорить пока не будем, одним словом, вся эта электроника, имея
передаточную характеристику меньше единицы, губит и искажает видеосигнал. Поэтому
важно представлять себе особую роль входных устройств систем охранного телевидения,
то есть объективов и видеокамер.
Что же представляет собой современная видеокамера для охранного телевидения?
Сердцем её является ПЗС-матрица. Тридцать лет назад В.Бойл и Д.Смит заявили об
изобретении нового принципа преобразования светового излучения в видеосигнал прибор с зарядовой связью (ПЗС). Эти приборы буквально заполнили вакуум в
телевидении, не только заменив передающие вакуумные электронно-лучевые трубки, но и
привнеся новые качества. Жёсткий геометрический растр, отсутствие инерционности
преобразования, низкие питающее напряжение и потребляемая мощность, малые масса и
габариты, высокие показатели по долговечности и прочности, нечувствительность к
магнитным полям - эти качества ПЗС открыли широчайшие возможности использования
последних в системах замкнутого телевидения (CCTV), к которым относятся системы
охранного телевидения.
Параметры входных устройств, определяющие объём видеоинформации суть
разрешающая способность по вертикали и горизонтали и число градаций серого в каждом
элементе изображения и в единицу времени.
Разрешающая способность (разрешение) определяется как максимальное количество
элементов чёрного и белого цвета, которые могут быть раздельно переданы камерой.
Единица измерения разрешающей способности называется TVL (телевизионные линии).
Разрешение по вертикали кадра у всех камер не может быть больше 625 строк (стандарты
CCIR и PAL). Основное различие камер состоит в разрешении по горизонтали - именно
оно обычно указывается в технических описаниях. На разрешение камеры влияют два
фактора: количество элементов ПЗС-матрицы, иначе называемых пикселями и полоса
частот видеосигнала, выдаваемого камерой.
На сегодняшний день в мире выпускается, в основном, два типоразмера матриц для
монохромного (чёрно-белого) изображения и два для цветного - матрицы высокого
разрешения и стандартного. Формат матриц чаще всего 1/2 или 1/3 дюйма.
Монохромные матрицы высокого разрешения делятся на 582 пикселя по вертикали (V),
что соответствует стандарту развёртки за вычетом синхроимпульсов и 782 пикселя по
горизонтали (H). Пиксели квадратные. Монохромные матрицы стандартного разрешения
также делятся на 582 пикселя по вертикали, и 512 пикселей по горизонтали. Пиксели, как
видите, прямоугольные.
Матрицы высокого разрешения для цветного сигнала имеют соответственно число
пикселей 582V х 752H, а стандартного, соответственно - 582V х 500H.
В принципе, матрица может передать без искажений картинку, насыщенную мелкими
деталями, например тестовую таблицу, состоящую из чёрных и белых полос числом,
равным количеству пикселей, но только при условии совпадении полос с пикселями.
Однако, при некотором смещении картинки на каждый пиксель будет попадать часть
белой и часть чёрной полосы. В таком случае мы получим муаровый узор. На некоторых
участках экрана линии будут видны чётко, на других - не видны совсем. Широко
распространено мнение, что надёжно передаётся частота примерно 3/4 от числа пикселей
по горизонтали. То есть чёрно-белая камера имеет разрешение 580 TVL при матрице
высокого разрешеня и 380 TVL при матрице стандартного разрешения. Такой подход не
закреплён в стандартах, так что недобросовестные продавцы в рекламных целях нередко
показывают завышенное значение разрешающей способности своих камер.
Для чёрно-белой камеры не составляет труда изготовить широкополосный видеотракт,
который обычно имеет запас по полосе пропускания в полтора - два раза. Ну, может быть,
только у самых плохих камер надо это учитывать. Для цветной же камеры необходимо
учитывать эту полосу пропускания. Дело в том, что у композитного цветного
видеосигнала, составляющая цветности передаётся на поднесущей (в стандарте PAL это
соответствует частоте 4,4 МГц), поэтому частота яркостной составляющей сигнала
принудительно ограничивается. Она не может быть больше 4 МГц, что соответствует
разрешению 450 TVL. Повысить это разрешение до 480 TVL можно, но, только снимая
сигнал с раздельного Y-C выхода (иначе называемого S-VHS выходом, при этом все
остальные приборы телевизионного тракта - переключатели, мультиплексоры, мониторы
должны иметь такой вход). Значит, если дешёвая цветная камера не имеет раздельного
выхода, а в описании указано разрешение более 450 TVL, то потребителя вводят в
заблуждение.
Если с разрешением стало более-менее ясно, то с другой составляющей объёма
видеоинформации - количеством градаций серого - надо разобраться поподробнее.
Тут я обращаюсь к вашему опыту фотолюбителя. Вспомните, как вы печатали
фотографии. Как выбирали время экспозиции и проявки. Как иногда, при передержке у
вас получались тёмно-серые отпечатки, где в тенях ничего не разберёшь, а при
недодержке, сколько не проявляй, детали в светах не прорабатывались, только вуаль. Это
происходило потому, что такие фотографии попадали на нелинейный участок кривой
зависимости плотности от необходимого времени экспозиции (связанного со
светочувствительностью фотобумаги). Так и с видеокамерой. Если освещённость
изображения на ПЗС-матрице низкая, кадр напоминает картину битвы арабов с неграми в
угольных рудниках при полном лунном затмении, а если освещённость велика, всё залито
белым. Поэтому рабочую точку на световой характеристике матрицы выбирают так,
чтобы максимальная освещённость элемента изображения в кадре была несколько ниже
освещённости насыщения (0,3 - 0,5 люкс). В этом случае реализуется наивысшая величина
отношения сигнал/шум на выходе ПЗС-матрицы.
Какие у камеры могут быть средства, чтобы выгнать интервал освещенностей элементов
кадра на линейный участок световой характеристики матрицы? Если освещённость
изображения велика, а это чаще всего бывает днём и в помещениях, то надо ослабить
световой поток, для чего лучше всего использовать обычную диафрагму (Iris) объектива.
Диапазон изменения освещённости изображения с помощью ирисовой диафрагмы обычно
составляет до 2000 раз.
Другой способ уменьшения уровня сигнала - изменение наклона световой характеристики
за счёт сокращения времени накопления заряда в ПЗС-сенсоре. Это называется
электронным затвором - Electronic Shutter. Каждый полукадр длится 1/50 сек. Это
максимальное время накопления. Если мы будем считывать сигнал раньше, то
потенциальная яма наиболее ярко освещённых пикселей не будет переполнена и заряд
ещё не растечётся. Это управление возможно в пределах сокращения времени накопления
до 1/100 000 сек. То есть достижимое перекрытие освещённостей возможно также в 2000
раз. Итак, суммарно снизить максимум сигнала мы можем на 6 - 7 порядков. Это сверху. А
как снизу?
Как быть, если видеосигнал меньше нормы при полностью открытой диафрагме и
максимальном времени накопления? А на этот случай существует АРУ - автоматическая
регулировка усиления. Этот усилитель с обратной связью подтягивает видеосигнал до
одного вольта, беда лишь в том, что при этом и шум тоже усиливается, а отношение
сигнал/шум ухудшается. Какой запас имеется у нас на дополнительное усиление?
Снижать отношение сигнал/шум ниже уровня 24 ДБ (этот уровень называется
''приемлемым изображением'') нельзя - в кадре будет сплошной ''снег''. Отношение
сигнал/шум при полном видеосигнале определяется уровнем шума в электронном тракте теплового, дробового, рекомбинационного и др. Для хороших чёрно-белых камер эта
величина близка к теоретической и доходит до 60 ДБ и более, для хороших цветных - до
50 ДБ. Для остальных, ну вы знаете...Таким образом, система АРУ не может иметь
большого диапазона. Обычно, это 17 - 20 ДБ, что соответствует одному порядку. Если в
паспортных данных камеры указан диапазон АРУ в 40 ДБ, то диагноз для неё, надеюсь,
ясен? А ведь заявляют даже АРУ в 50 ДБ! Это что же, шум равен сигналу? Камера в
истерике...
Тут мы подошли к самому любопытному - вопросу о чувствительности камеры. Вопросу,
который запутан больше других. Чтобы в нём разобраться уясните себе, что: во-первых,
чувствительность не измеряется в Люксах, правильнее эту величину назвать порогом
освещённости в Люксах; во-вторых, Люкс - единица световая, как известно, связанная со
спектральной чувствительностью глаза, поэтому сравнивать камеры, имеющие разные
спектральные характеристики чувствительности, некорректно; в-третьих, при измерении
надо оговорить, какое отношение сигнал/шум мы принимаем, т.е. полный сигнал или
''приемлемое изображение''? в-четвёртых, АРУ уже отработала или ещё нет? в-пятых,
когда уже отработала схема АРУ, а освещённость ещё снижается, то видеосигнал
становится меньше стандартного, но с ним ещё можно работать, так какое уменьшение
сигнала допустимо? в-шестых, для объекта или изображения на матрице определяется
этот порог освещённости? в-седьмых, если для объекта, то какая отражательная
способность объекта, каким светом он освещён, какое относительное отверстие
использованного объектива?
Неопределённость в каждым пункте таит в себе возможность обмана в несколько раз,
вплоть до прямого подлога, когда называют величину пороговой освещённости не в
Люксах, а в Фут-Канделах, которые в 10,2 раза больше.
К радости потребителя существует европейский стандарт, определяющий эту методику:
EN50132-2-1. В серьезных фирмах как минимум один экземплярчик быть должен. Так что
не стесняйтесь попросить и ознакомиться.
Иногда требуется работать при очень низких освещённостях объекта, а по оперативным
соображениям не может быть применена никакая подсветка. Тогда потребуется
нестандартная камера, имеющая очень высокую чувствительность (очень низкий порог
освещённости). Этого можно достичь либо за счёт накопления заряда на ПЗС-матрице за
большее межкадровое время, т.е. перехода к малокадровому телевидению, либо,
пожертвовав разрешением и сдвоив развёртку, тем самым сузить полосу частот и
выиграть на отношении сигнал/шум. Если этого не сделано, а чувствительность камеры
заявлена высочайшей, то значит, изображение купается в шумах или нас хотят заставить
поверить в чудо, а поле чудес известно где...
Видеокамеры, используемые в охранном телевидении, должны, по возможности, иметь
ряд дополнительных функций:
компенсацию встречной засветки (Backlight compensation) различными способами, вплоть
до интеллектуального, заключающегося в том, что управление уровнем сигнала ведётся
только по центральной или по сюжетной части кадра, гамма коррекцию разной степени,
т.е. намеренное предискажение линейности видеосигнала для компенсации в дальнейшем
нелинейной характеристики экрана монитора, автоматический уровень чёрного,
обеспечивающий оптимальное использование динамического диапазона камеры,
оконтуривание, повышающие разборчивость мелких неконтрастных деталей, компрессию
динамического диапазона яркостей сцены, когда содержащие информацию детали
изображения находятся как в светах, так и в тенях, различные возможности для
синхронизации с другими камерами и коммутационным оборудованием Linelock, Genlock,
Vlock.
Цветные камеры, кроме того, должны иметь автобаланс белого для адаптации к цветовой
температуре источника освещения.
Теперь об объективах.
Невнимательное отношение к выбору объектива может свести на нет все преимущества
высококлассных CCTV-камер. Поэтому давайте разберёмся с, казалось бы, давно
известными вещами.
Собственно выбор объектива сводится к следующим этапам.
Выбор фокусного расстояния, которое определяет два противоречивых параметра масштаб изображения на экране и угол поля зрения (именно поля зрения, а не ''обзора'',
что относится скорее к поворотной камере). В первую очередь объектив должен
обеспечивать такой масштаб, при котором решается поставленная зрительная задача,
например - опознавание ростовой фигуры человека на дальнем конце сектора наблюдения
или, скажем, чтение номерного знака автомобиля.
Как быть, если при выбранном масштабе не получается необходимый угол поля зрения?
Ну, во-первых повыбирать место расположения камеры и ракурс, во-вторых использовать
варифокальные объективы (не трансфокаторы!), чтобы точно подстроить минимально
допустимый масштаб, увеличивая тем самым угол поля зрения, что особенно важно для
интерьерных камер, в-третьих взять не одну, а две камеры. Стремиться к очень широким
углам поля зрения бессмысленно - объективы с углом поля зрения в 90( и более имеют
значительную бочкообразную дисторсию, и на краях поля зрения изображение сильно
деформировано, так что ни о каком опознавании можно и не мечтать.
Лучшим способом изменения величины светового потока в объективе является обычная
диафрагма; свидетельством тому служит её повсеместное использование. Для камер,
работающих в условиях постоянного искусственного освещения, иногда можно выбрать
объектив с ручным управлением диафрагмой, но для камер внешних, очень нужна
автодиафрагма. Автоматически отрабатывая изменение внешних условий, она обеспечит
значительное расширение диапазона освещённостей, в котором камера даёт качественное
изображение. Управление диафрагмой может осуществляться двумя способами: по
постоянному току (DD), когда объектив лишь отрабатывает управляющие напряжения,
выработанные в усилителе камеры, и по видеосигналу (VI), когда усилитель находится в
самом объективе, и на него подаётся лишь видеосигнал. Последнее, разумеется, дороже,
но и надёжнее.
Обратите внимание также на значение относительного отверстия, до которого закрывается
диафрагма. Диапазон изменения диафрагмы обычно составляет, например F/1,4 - F/64, то
есть диаметр зрачка объектива изменяется в 45 раз, а освещённость ПЗС сенсора,
пропорциональная квадрату относительного отверстия - в 2000 раз.
Существуют объективы, в которых применены асферические линзы, и их светосила (под
кроватью снимать можно!) достигает F/0,75.
Закрыть диафрагму больше, чем до F/64 не просто по двум причинам. Во-первых,
технически сложно реализовать дальнейшее уменьшение диаметра отверстия. Во-вторых,
по мере уменьшения диаметра до значений, соизмеримых с длиной волны света,
дифракционный кружок рассеяния увеличивается, и разрешающая способность объектива
соответственно уменьшается. Очевидно, что когда ослабления светового потока в 2000 раз
не достаточно, действия диафрагмы по уменьшению диаметра зрачка надо совмещать с
одновременным уменьшением прозрачности оптики объектива. Для этого во входном
зрачке объектива устанавливают так называемый спот-фильтр, то есть нейтральный
фильтр с переменной по диаметру плотностью.
У таких оптических элементов перефирийная часть прозрачна а близко к центру
светопропускание начинает резко уменьшаться по гауссоиде до нуля. При открытом
состоянии диафрагмы влияние поглощения в маленьком центральном пятне
пренебрежимо мало, Но, по мере закрывания диафрагмы, отношение площади
затемнённой части фильтра к площади отверстия диафрагмы быстро растёт, благодаря
чему с уменьшением отверстия диафрагмы уменьшается и общая прозрачность объектива.
Поэтому не нужно закрывать диафрагму до микроскопического диаметра, чтобы достичь
ослабления светового потока, эквивалентного ослаблению при относительном отверстии
F/300 и даже F/500. Так удаётся избежать вредного влияния дифракции.
Системы автоматического диафрагмирования, выполненные на этих объективах,
обладают одним существенным недостатком - они потенциально неустойчивы на крайних
значениях максимальных освещённостей. Дело в том, что коэффициент обратной связи
резко возрастает при закрывании диафрагмы. Это обстоятельство, в свою очередь
приводит к неустойчивости системы в целом. На практике это случается довольно редко и
проявляется в виде мельканий средней яркости изображения на мониторе.
Какие типы объективов используются в системах охранного телевидения? Кроме
объективов с постоянным фокусным расстоянием есть уже упоминавшиеся тут
варифокалы, а также трансфокаторы (ZOOM-объективы).
Если, в первых, изменение фокусного расстояния в небольших пределах достигается
перемещением одной или нескольких линз, чаще всего поворотом кольца вручную, то
трансфокатор - это сложнейшая машина, состоящая из телеобъектива, афокальной
насадки и компенсатора, включающая в себя около полутора десятков линз и снабжённая
сервоприводом. Коэффициент трансфокации (не увеличение!) таких монстров достигает
20 и более. Для них особенно ценна светосила при максимальных значениях фокуса, и
лучшие модели вытягивают 1:2,8. Применять трансфокатор для решения задачи ''А ктойто к нам приехал?'', т.е. посмотреть сначала какая машина, а потом прочитать её номер безрассудно. Лучше взять две камеры - одну с широкоугольником, другую - с
длиннофокусным объективом, оно и дешевле будет.
Макрообъективы. Они специально рассчитаны для крупномасштабного наблюдения
объектов с расстояний, соизмеримых с фокусом. Например, для задачи получения
изображения документов. Обычные объективы для этого не предназначены.
Пинхолы. Они же, так любимые нашими заказчиками, объективы для скрытого
наблюдения. Правильное название таких объективов - объективы с вынесенным входным
зрачком. Вынесен он бывает на 0,5 мм и более, на толщину обоев, за которыми его прячут.
С этими объективами царит полный беспредел. Для того, чтобы такой объектив, часто
широкоугольный, давал приемлемое качество изображения с более-менее равномерной
яркостью по полю, его оптическая схема должна быть ничуть не проще, чем, скажем,
схема перископа подводной лодки. Даже у кэноновских пинхолов, весьма не дешёвых,
функция передачи контраста на частоте 55 пар линий на мм составляет в центре 68%, а на
краю только 35%.
Выбор формата объектива. Вы, кстати, не заметили, как в своём обсуждении мы плавно
перешли к оценке качества объектива? Так выбор формата непосредственно с этим связан.
Всем ясно, что размер изображения объектива формата 1/3'' меньше размера матрицы 1/2''
и потому такое сочетание недопустимо. Для объектива формата 2/3'' допустимый кружок
рассеяния в два раза больше, чем для третьдюймового.
Вывод простой. Объектив приличной компании можно брать и большего формата, а
объектив сомнительного происхождения - только соответствующего формата, а лучше
вообще не брать. Качество - категория конкретная.
Учтите ещё одну тонкость. Мы работаем с малоконтрастными изображениями, поэтому
выбирать объектив только по разрешающей способности не годится, а скорее по функции
передачи контраста. Относитесь настороженно к заявлениям, что, мол, объектив фирмы
''Нескажу'' даёт разрешение ''много'' пар линий на мм. Какой контраст при этом? Что
останется от вашего малоконтрастного изображения?
И ещё одно предостережение. Многие фирмы блестяще зарекомендовали себя в
производстве бытовых видеосистем, телевизоров и видеомагнитофонов. Так вот, техника
охранного телевидения - это совсем другая продукция. И лучшие производители такой
профессиональной техники, не обязательно те, кто проявил себя на рынке бытовой
техники.
Видеосигнал рождается от союза объектива и видеокамеры. И тут как у людей: нужно,
чтобы отец - объектив - был хороших кровей, без вредных аберраций, светосильный,
климатоустойчивый, чтобы его ирис хорошо работал. Мать - видеокамера - должна быть
из приличной семьи, без малейшего порока, чувствительная, но без истерики, чтоб её
ПЗС-матрица хорошо держала потенциал.
Вот тогда и сигнальчик родится достойный и пойдёт далеко.