Охрана объектов с помощью систем охранного видеонаблюдения

Качество изображения от видеокамеры определяется целым рядом показателей, однако в большинстве случаев при выборе камеры для конкретной системы достаточно ориентироваться на следующие ее параметры [4, 12, 17, 24].

Оптический формат - размер фоточувствительной области сенсора в дюймах по диагонали (1 дюйм соответствует 25,4 мм). Основные форматы: 1/4'', 1/3", 1/2", 2/3" и 1". Чем больше оптический формат, тем меньше (при прочих равных условиях) геометрическое искажение изображения.

Разрешающая способность видеокамеры (разрешение) - параметр, определяющий возможность видеокамеры передавать в выходном видеосигнале мелкие детали изображения. Определяется как число градаций (переходов) в видимой части растра от черного к белому или обратно, которое может быть получено от камеры в центральной части экрана (области наблюдения). На краях экрана допускается некоторое ухудшение качества изображения. Измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ) по горизонтали и вертикали.

Рабочий диапазон освещенностей - диапазон освещенностей в поле зрения видеокамеры от минимальной до максимальной, в пределах которого разрешающая способность и отношение сигнал/шум видеокамеры не менее заданных значений.

Пороговая чувствительность (чувствительность) - минимальная освещенность на фоточувствительной площадке, при которой видеокамера сохраняет работоспособность.

Чувствительные элементы видеокамер

В основе современных видеокамер лежит применение сенсоров, выполненных по одной из двух технологий построения электронных схем:

? КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) или CMOS-мамтрица (Complementary-symmetry / metal-oxide semiconductor);

? ПЗС (прибор с зарядовой связью) или CCD-мамтрица (Charge-Coupled Device).

Принцип действия ПЗС и КМОП сенсоров одинаков: под действием оптического излучения в полупроводниковых элементах появляются носители заряда, которые преобразуются в электрический сигнал.

Данные типы матриц имеют одну светоприемную плоскость, на которой расположены миниатюрные светочувствительные элементы, реагирующие на световой поток разных цветов. После обработки сигналов от этих элементов появляется изображение, которое, в свою очередь, складывается из элементарных цветовых точек (пикселов).

Первоначально были разработаны ПЗС-матрицы. Почти одновременно с ними были разработаны КМОП-матрицы. Различие между ПЗС и КМОП сенсорами заключается в способе накопления и передачи заряда, а также в технологии преобразования его в аналоговый сигнал.

ПЗС-мамтрица - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния. Основная задача ПЗС-матрицы - накапливание энергии светового потока в потенциальных ямах - пикселах. При дальнейшей обработке информации, сосредоточенной в пикселах, используются сдвиговые регистры, после которых сигнал поступает на АЦП и дальше на

устройства формирования стандартного видеосигнала. ПЗС-матрицы обладают следующими достоинствами:

? низкий уровень шумов;

? высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%);

? высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для ПЗС - 95%);

? высокая чувствительность (возможность получения изображения достаточно хорошего качества даже в условиях низкой освещенности);

? улучшенная цветопередача.

Недостатками ПЗС-матриц являются:

? cложный принцип считывания сигнала, а, следовательно, технология;

? высокий уровень энергопотребления (до 2 - 5Вт);

? высокая стоимость производства;

? вертикальные размытые полосы ниже и выше очень яркого объекта в кадре.

КМОП-матрица представляет собой не просто светочувствительную матрицу, использующую полевые транзисторы; это полноценная интегральная схема, на которой реализованы схемы обработки сигнала. В результате видеокамеры на КМОП-матрицах более компактны, по сравнению с видеокамерами на ПЗС, и позволяют получать доступ к

каждому пикселу или к выбранным группам пикселов, что облегчает решение задач при формировании и обработке сигналов с матрицы.

Логическим продолжением КМОП-матриц стали PIXIM-матрицы.

Ключевым моментом PIXIM-матриц является «присутствие» аналого-цифрового преобразователя непосредственно в каждом пикселе матрицы и независимая микропроцессорная обработка сигнала в режиме реального времени. В PIXIM-матрицах для каждого пиксела производится «замер» интенсивности освещения. После этого подбирается наилучшее время экспозиции из пяти возможных значений. Такой подход называется «мультисемплингом» и позволяет работать с динамическим диапазоном

освещенности сцены до 120 дБ.

Достоинства КМОП-матриц:

? высокое быстродействие (до 500 кадров/с);

? низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с ПЗС);

? простота и низкая стоимость в производстве;

? перспективность технологии (на одном кристалле реализуются все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получая, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).

Недостатки КМОП-матриц:

? низкая чувствительность;

? высокий _____5уровеньЃE шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами - даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток);

? невысокий динамический диапазон.

КМОП-матрицы активно применяются за рамками охранного телевидения, например, в бытовых видеокамерах, электронных фотоаппаратах и в камерах, встроенных в средства коммуникации.

Объективы видеокамер

Как и видеокамера, объектив - один из главных элементов системы видеонаблюдения. От выбора объектива будет зависеть угол зрения видеокамеры, чувствительность и разрешение всей системы. Рассмотрим основные виды объективов для видеокамер.

В зависимости от способа регулировки диафрагмы, объективы делятся на три группы: имеющие фиксированную, ручную и автоматическую диафрагму. Наиболее простыми являются объективы с фиксированной диафрагмой, которые устанавливаются на видеокамеры, имеющие электронный затвор, для видеонаблюдения внутри зданий в условиях с практически не меняющейся освещенностью. Фокусировку выполняют

вручную.

Объективы с автодиафрагмой (AI - autoiris) применяют для наружного наблюдения. Лепестки диафрагмы такого объектива могут перемещаться при помощи микропривода, который управляется электросхемой, находящейся либо в объективе (VD - Video Drive - управление по уровню сигнала), либо внутри камеры (DD - Direct Drive - управление по

постоянному току). Механизм автоматической диафрагмы является отрицательной электронно-механической обратной связью для сдерживания сигнала от видеокамеры на ранее обозначенном уровне.

Варифокальный объектив (вариообъектив) - это единая оптическая система, компоненты которой могут взаимно перемещаться относительно друг друга. При этом изменяется эквивалентное фокусное расстояние системы, и сохраняется резкость изображения. Данный объектив имеет переменное фокусное расстояние. Он дает возможность масштабировать, то есть увеличить размер изображения, не меняя положение камеры.

Оптическое увеличение дает возможность сохранить высокое качество изображения. Фокусное расстояние вариообъектива изменяется вручную в относительно небольших пределах.

Трансфокатор - это объектив, имеющий изменяемое в больших пределах фокусное расстояние. Главным параметром трансфокатора является масштабирование или наибольшая степень увеличения. Этот показатель можно определить как отношение максимального фокусного расстояния к минимальному. Регулировка угла обзора выполняется автоматически и дистанционно с помощью сигналов телеметрии. Данный

объектив используется, если необходимо подробно разглядеть определенные части изображения. В редких случаях применяются трансфокаторы, которые управляются вручную. Их используют, если заранее не известно, какой угол обзора должна обеспечивать видеокамера.

Способы повышения качества изображения

Чтобы оценить качество изображения, которое позволяет получить проектируемая СОТ, необходимо обратиться к целям, в которых она должна использоваться, и соответствующим требованиям к качеству.

Рекомендуется распределить эти цели на четыре группы:

* Мониторинг - наблюдение за обстановкой, либо перемещением людей на объекте, где отсутствует необходимость останавливать внимание на отдельных лицах (человек должен занимать не менее 5% высоты изображения; если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 30 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения).

* Обнаружение - определение факта наличия человека в кадре без необходимости рассмотреть его лицо (человек должен занимать не менее 10% высоты изображения; если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 60 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения).

* Опознание - определение того, известен ли вам попавший в кадр человек, либо неизвестен (человек должен занимать не менее 50% высоты экрана; если используется оцифрованное изображение, то высота человека должна составлять не менее 288 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения).

* Идентификация - формирование и запись высококачественных изображений лица, по которым можно однозначно и бесспорно идентифицировать личность при предъявлении доказательных материалов в суде (человек (незнакомый) должен занимать не менее 100% высоты экрана; при этом предполагается, что лицо человека (голова) составляет примерно 15% высоты человека; если используется оцифрованное изображение, то голова должна занимать не менее 90 пикселов по высоте, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения).

Необходимо, чтобы СОТ производила изображения именно того уровня качества, которое требуется для выполнения поставленных перед ней задач. Если необходимо выполнить идентификацию, некачественные изображения могут поставить под сомнение целесообразность установки всей системы. Поэтому при проектировании СОТ проводятся следующие относительно объективные измерения:

? проверка области покрытия системы видеонаблюдения на заданном участке;

? проверка масштаба и специальных требований по различимости деталей;__

? комплексная проверка качества и скорости выполнения своей задачи оператором;

? комплексная проверка записи.

В современных видеокамерах используются различные технические решения, направленные как на улучшение их характеристик, так и на повышение эффективности СОТ в целом.

Видеокамеры, работающие при недостаточной освещенности

или при полном отсутствии света

Освещенность объекта сильно влияет на разрешение, поэтому для объектов с очень низкой освещенностью следует выбирать видеокамеры с повышенными значениями чувствительности и разрешающей способности.

Кроме того, видеокамеры, которые устанавливают на подобных объектах, должны иметь автоматическую регулировку усиления сигнала, которая обеспечивает работоспособность камеры при малой освещенности.

При необходимости вести скрытое видеонаблюдение в условиях недостаточной освещенности сцены могут применяться специализированные камеры на базе ПЗС-матриц с докоммутирующим усилением. По показателям чувствительности такие камеры превосходят лучшие модели обычных полупроводниковых камер в сотни и даже в тысячи раз. Такое повышение светочувствительности достигается с помощью усилителя излучения, помещаемого между объективом и ПЗС-матрицей. По стоимости подобные камеры для ночного видения в 10-20 раз превосходят обычные.

Тепловизионные камеры работают в диапазоне длин волн от 3,5 мкм до 8-14 мкм. ИК-сенсоры реагируют на изменение тепловой энергии, излучаемой непосредственно объектами, которые находятся в пределах наблюдаемой сцены [39]. Тепловизоры способны работать в полной темноте. Им не требуется источников освещения - видимого либо инфракрасного. По сути, тепловизор является пассивной монохромной камерой. Тепловизионные камеры способны обнаруживать людей и иные теплоизлучающие объекты (животных, транспортные средства, нагретые части зданий и сооружений), а также любые предметы, температура которых отличается от температуры окружающего фона.

Видеокамеры “День/Ночь”

Монохромные и цветные видеокамеры имеют свои преимущества и недостатки. Цветные камеры более информативны, но обладают меньшей чувствительностью, что ограничивает их применение в условиях недостаточной освещенности.

Матрицы цветных видеокамер чувствительны к ИК излучению, что дает существенную прибавку к их рабочему диапазону освещенностей.

Однако для цветных камер, используемых в СОТ, используется ИК фильтр, который ограничивает их спектральные характеристики видимой частью спектра. Конструктивно ИК фильтр представляет собой пластинку из стекла или любого светопрозрачного полимера с нанесенным на него слоем, поглощающим ИК излучение. Также фильтр может представлять собой тонкую пленку отражающего ИК излучение материала, нанесенного на линзы оптики камеры или на матрицу. Указанные меры принимаются в связи с тем, что при отсутствии фильтра, задерживающего ИК спектр, происходит ухудшение качества изображения, которое проявляется в виде снижения контраста, появления шумов и искажения цветопередачи.

В камерах типа день/ночь также применяется решение в виде механического ИК фильтра: днем при достаточной освещенности он установлен и камера снимает в видимом спектре, а ночью, когда освещение падает, камера переходит в черно-белый режим, фильтр удаляется и включается ИК подсветка. Таким образом, сочетается информативность

цветной и высокая чувствительность черно-белой видеокамеры.

Режим день/дочь, реализованный на базе механически сдвигаемых ИК-фильтров, обозначают в документации как TDN (True Day/Night) или ICR (Infrared Cut Filter Removable) - убираемый вырезающий ИК фильтр.

Существует недорогая реализация режима день/ночь за счёт электронной обработки видеосигнала.

Режим компенсации яркой засветки (HLC - High Light Compensation)

Видеокамера отрабатывает уровень освещенности, меняя время накопления заряда (электронный затвор) или управляя диафрагмой объектива. Если в поле зрения камеры находятся очень яркие участки, они влияют на эту отработку, и настройка затвора или диафрагмы по средней яркости приводит к неразличимости деталей в темных участках. Если яркие участки исключить из расчета средней яркости, детали в темных тонах

будут лучше различимы. Исключает из обработки (маскирует) чрезмерно яркие участки функция «компенсации яркой засветки».

Режим повышенной чувствительности (Sense-Up)

При работе видеокамеры в полной темноте полезный сигнал становится слабо различимым на фоне шумов матрицы и каскадов обработки видеосигнала. Для повышения чувствительности известны методы накопления сигналов, в которых сигналы суммируются по амплитуде (до 500 кадров). Значение чувствительности камер возрастает

пропорционально. Недостаток метода - движущиеся объекты будут размыты. Быстро идущий человек будет выглядеть как призрак на изображении ночного города. Режим повышенной чувствительности не пригоден для наблюдения за быстро движущимися объектами. При большом количестве суммируемых полей можно вообще не увидеть на

стоп-кадре быстро движущиеся объекты.

Режим компенсации затенения объектива (LSC - Lens Shadow Compensation )

Часто объективы видеокамер создают затенения по углам изображения.

Особенно это характерно для варифокальных объективов при установке максимального угла обзора. Функция компенсации затенения объектива выравнивает среднюю яркость в углах изображения. В случае, когда яркость в углах изображения должна быть меньше по естественным условиям освещенности функцию можно отключить.

Рассмотрим другие функции и способы повышения качества изображения, которые стали доступны в последние годы, благодаря использованию процессоров цифровой обработки сигнала (DSP - Digital signal processor).

Расширенный динамический диапазон (WDR - Wide Dynamic Range)

Матрице видеокамеры часто не хватает динамического диапазона, например, если установленная в помещении камера наблюдает за проходом на ярко освещенную улицу. При этом затвор или автодиафрагма настраиваются на средние значения яркости по полю кадра, но объекты наблюдения (люди) теряют различимость как в самых ярких участках, так и в тени. Задачу наблюдения в таких условиях частично решает функция

компенсации встречной или фоновой засветки - BLC (Back Light Compensation), которая настраивает камеру на среднюю освещенность в центре кадра. Человек в центре кадра будет виден лучше, но детали фона при этом теряются.

Для того чтобы лучше видеть детали в светлых и темных участках изображения, используется функция WDR. В течение одного полукадра делают два снимка: один с длительной выдержкой, второй - с короткой.

Полученные изображения сводят в единое в выходном сигнале. Для реализации этой функции либо применяют специальные матрицы с двойным сканированием или двойной плотностью (на 30% дороже обычной камеры), либо снимки с разными выдержками делают на обычных матрицах.

При этом скорость вывода информации падает в 2 раза, до 25 полей в секунду, что создает некомфортные условия для наблюдения в режиме реального времени.

Цифровое подавление шумов (DNR - Digital Noise Reduction)

В условиях недостаточной освещенности изображение бывает зашумленным. Такое изображение плохо сжимается алгоритмами в регистраторах, и растет объем архива. Для устранения этого явления проводится цифровое подавление шумов двумя способами.

2D подавление шумов (2DNR). Процессор производит коррекцию яркости соседних пикселов одного кадра: определяет, насколько это изменение соответствует параметрам шума и, если вероятность влияния шума высока, уменьшает разницу в яркости на рассчитанную величину. 3D подавление шумов (3DNR). Расчеты производятся для нескольких последовательных кадров, что позволяет более точно выделить шум как меняющийся во времени процесс. Эта технология считается более современной и более эффективной.

Поворотные видеокамеры

Поворотные камеры часто называют PTZ-камерами от английского сокращения Pan, Tilt, Zoom. Поворотная видеокамера может быть реализована двумя способами:

- как статическая видеокамера, установленная на поворотном устройстве;

- как скоростная поворотная видеокамера, выполненная в прозрачном кожухе куполообразной формы или в виде шара.

Поворотная видеокамера - конструктивно законченный узел, состоящий из видеокамеры, объектива с трансфокатором, поворотного устройства, блока питания, приемника сигналов телеуправления и кожуха.

Дистанционное управление объективом и поворотным устройством

позволяет ориентировать видеокамеру как по азимуту, так и по углу обзора.

Управление аналоговой PTZ-камерой производится с использованием

интерфейса RS-485 и специального протокола. Наиболее распространенными являются протоколы Pelco-P, Pelco-D. Камера подключается к специализированному пульту управления. Он позволяет управлять поворотным устройством по двум координатам, фокусным расстоянием объектива, а также скоростью поворота. Один пульт поддерживает управление до 256 камер. Выбор камеры для управления осуществляет оператор видеосистемы. Если оператору необходимо постоянно управлять камерами, пульт должен иметь джойстик. Обычно пульты поддерживают несколько протоколов. PTZ-камера и пульт должны работать на одинаковом протоколе управления.

Управление поворотной камерой также может быть интегрировано в

систему видеозаписи. Основные функции и возможности PTZ-камеры:

? поворот в горизонтальной плоскости на 360° и на 180° в вертикальной плоскости;

? х12…х36-кратное оптическое и х10…х25-кратное цифровое увеличение;

? 4…256 точек предустановки - точек наблюдения видеокамеры с заранее установленными при настройке параметрами углов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и фокусом объектива;

? 1…32 маршрута автопатрулирования - последовательного просмотра видеокамерой нескольких точек предустановки;

? автоматическое сканирование заданного сектора наблюдения;

? тревожные входы, служащие для подключения внешнего оборудования (при подаче сигнала на тревожный вход видеокамера поворачивается в заранее заданную точку предустановки);

? "автослежение" - режим, при котором видеокамера автоматически "захватывает" самый большой объект в кадре, следует за ним на 360° по горизонтали и 90° по вертикали. Видеокамера автоматически приближает движущийся объект, сохраняя его в центре кадра.

Слежение за объектом заканчивается, когда он выходит за границы обзора видеокамеры или когда время, установленное на "автослежение", заканчивается. Когда отслеживаемый объект уходит из поля зрения камеры, она ищет другой объект. При попадании в поле зрения нескольких объектов отслеживание заданного объекта PTZ-системой может сбиваться. Поэтому применение PTZ-видеокамер для отслеживания объектов без

вмешательства оператора интересно при малой загруженности - на парковках, в коридорах.

Достоинство PTZ-видеокамеры состоит в том, что она позволяет контролировать большие территории, поочередно охватывая наблюдением различные части сканируемого охраняемого пространства. При более высокой стоимости, по своей информативности одна поворотная видеокамера превосходит несколько расположенных на территории

статических видеокамер. К недостаткам применения PTZ-видеокамер можно отнести следующие:

? информативность видеокамеры во многом определяться тем, насколько удачно в нужный момент оператор выбрал ее направление и задал угол обзора;

? возможность пропуска нарушителя при неудачном характере

управления поворотной видеокамерой;

? более высокая нервно-психологическая нагрузка на оператора видеонаблюдения.

PTZ-видеокамеры используются для просмотра больших открытых территорий, для наблюдения за периметром объекта охраны, где служат для верификации тревог охранной сигнализации в составе ИСБ. Например, если охранная сигнализация локализовала нарушение периметра в достаточно узкой области, то на входы тревоги PTZ-видеокамеры могут быть поданы сигналы от извещателей для управления поворотом видеокамеры в

предварительно заданном направлении для отображения нарушенного участка зоны отторжения, забора и пр. Подобное решение позволяет упростить работу оператора, поскольку его внимание будет привлекаться к экрану монитора только в режиме тревоги.

ИК подсветка

Одним из способов обеспечить работоспособность видеокамеры в условиях недостаточной освещенности на объекте является организация дежурного освещения. Самым простым и доступным является обычное освещение, которое при оснащении специальными устройствами (реле времени, фотоэлементами, охранными извещателями, реагирующими на перемещение) может включаться и выключаться по расписанию, по уровню освещенности или при приближении человека. Использование обычного

искусственного освещения видимого диапазона является наиболее предпочтительным, так как позволяет видеокамере работать в максимуме ее чувствительности (555 нм).

Для решения задач скрытого видеонаблюдения, а также чтобы не привлекать внимание к видеокамере, используется освещение, не видимое для глаз - подсветка в инфракрасном диапазоне. Можно выделить два случая применения ИК подсветки.

1. Требуется обеспечить невидимость рассеянного или диффузно отраженного светового потока, но допустимо свечение самих источников излучения. При этом возможно применения излучателей с длиной волны 920, 880 и даже 850 нм.

2. Требуется обеспечить невидимость излучателя при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излучатели с длиной волны 940-950 нм.

Все инфракрасные источники света для видеонаблюдения можно разделить на две группы, различающиеся назначением, а, следовательно, характеристиками и конструктивным исполнением:

? ИК прожекторы, фары и фонари с лампами накаливания в качестве излучателя;

? полупроводниковые ИК осветители (на основе полупроводниковых дискретных элементов и малогабаритные излучатели на основе шестиэлементных светодиодных матриц).

ИК осветители на основе ламп накаливания предназначены для освещения объектов наблюдения как на улице, так и внутри помещения. В основном в них используются лампы с галогенным циклом (например, вольфрамовая лампа накаливания), имеющие отдельный или встроенный отражатель. Прожекторы имеют влагозащищенный корпус с ребрами охлаждения и простыми кронштейнами для крепления и наведения по углу.

Они выпускаются с напряжением питания 220, 110, 24 или 12 В. Для выделения ИК области и подавления видимой части спектра излучения используются ИК фильтры.

Скрытность подсветки в этом случае обеспечивается только в условиях темноты на достаточно большой дальности, вследствие существенного свечения в красной области спектра. Кроме того, по внешнему виду они ассоциируются с осветительным прибором. Для полностью скрытой подсветки с использованием осветителей данного типа создается

рассеянный световой поток от потолка или специальных экранов с диффузным отражением. Для этих случаев максимально эффективны широкоугольные осветители с углами излучения до 80-90°. Осветители располагаются за карнизами, балками и другими элементами, скрывающими их от глаз наблюдателя.

Основными преимуществами полупроводниковых излучателей по сравнению с лампами накаливания являются большая спектральная яркость на рабочей длине волны, существенно больший ресурс, достигающий 100 тыс. часов и меньшая стоимость (с учетом эксплуатационных расходов).

Основной технической проблемой для полупроводниковых ИК осветителей является обеспечение эффективного отвода тепла от площадки светодиода.

От этого зависит допустимый ток и световой поток единичного излучателя, а, следовательно, необходимое суммарное количество светодиодов, размеры и себестоимость всего прожектора.

Кроме прожекторов, собранных на дискретных элементах, получили распространение малогабаритные излучатели на основе шестиэлементных светодиодных матриц с питающим напряжением 12В. Выпускаются излучатели в различном конструктивном исполнении и с углами излучения 160, 120, 40 и 20°. Излучатели снабжены радиатором, используются в качестве миниатюрных прожекторов, либо встраиваются в конструктивные элементы зданий или оборудования для скрытой ИК подсветки.

Функция адаптивной ИК подсветки - реализуется с помощью DSP в видеокамерах высокого и сверхвысокого разрешения. Кроме возможности обработки изображения с разрешением 600ТВЛ, в процессоре может быть реализована возможность адаптивной регулировки яркости встроенной ИК подсветки. Суть алгоритма заключается в управлении интенсивностью встроенного ИК прожектора в зависимости от уровня сигнала матрицы.

Если в какой-то части изображения появляется объект, который интенсивно отражает свет от ИК прожектора, то процессор на основании анализа изображения посылает сигнал блоку управления подсветкой для уменьшения питающего напряжения. Таким образом, интенсивность ИК подсветки будет уменьшаться до тех пор, пока изображение перед камерой не достигнет приемлемой яркости.

Преимущества видеокамеры с адаптивной подсветкой: четкая идентификация объекта наблюдения (лицо человека, номер автомобиля и т.д.); увеличение срока службы светодиодов за счет уменьшения интенсивности их свечения и нагрева. При этом цена камеры с адаптивной подсветкой практически не отличается от цены камеры, оборудованной блоком нерегулируемой ИК подсветки.

Устройства видеозаписи (видеорегистраторы)

Видеозапись в составе СОТ может быть реализована на базе устройств видеозаписи - цифровых видеорегистраторов (ЦВР) или программным методом на базе средств ПК с установленным программным обеспечением АРМ СОТ. Режим записи устанавливается в зависимости от условий охраны объекта и требований заказчика.

В соответствии с определенными в нормативных документах требованиями, устройства видеозаписи в составе ИСБ должны обеспечивать запись и хранение видеоинформации в следующих режимах [12,19]:

1. непрерывная видеозапись в реальном времени;

2. видеозапись отдельных фрагментов или видеокадров по срабатыванию охранных извещателей, по видеодетектору движения, по командам управления оператора или по заданному времени.

Видеорегистратор- это устройство, предназначенное для записи, воспроизведения и хранения видеоинформации в составе СОТ

При динамическом распределении ресурсов видеорегистратора для каждой из видеокамер существует возможность индивидуально настроить параметры записи (разрешение, степень компрессии и скорость).

В ЦВР предусмотрена запись отдельных фрагментов или видеокадров по принципу «кольцевого буфера», при котором обеспечивается запись видеоинформации до момента наступления «предтревожной ситуации».

При воспроизведении записи видеорегистратор позволяет:

- регулировать скорость просмотра (просмотр в ускоренном и замедленном режимах работы), в том числе при покадровом прямом и обратном воспроизведении;

- отображать информацию как одной, так и нескольких видеокамер;

- отображать одну видеокамеру с максимальным разрешением;

- выполнять поиск записей с возможностью печати и перезаписи изображения по времени и дате по каждой видеокамере;

- выполнять запись и воспроизведение аудиоданных, времени, даты, номера видеокамеры и другой информации, сопутствующей изображению и выводимой на экран в разборчивом виде и не мешающей просмотру изображения.

Видеорегистраторы в составе СОТ выполняют функции ССОИУ - принимают сигналы от видеокамер, сохраняют их и управляют распределением видеоинформации между наблюдателями.

Существует четыре варианта системы управления видеонаблюдением.

При организации СОТ на большинстве объектов используется один из них, но может применяться несколько вариантов, когда необходимо иметь возможность перехода от одного варианта к другому.

? Системы на базе ПК (PC-based) - компьютер с установленной платой видеозахвата и специализированным ПО.

? Stand-Alone DVR (Digital Video Recorder - цифровой

видеорегистратор) - специализированное автономное устройство цифровой записи аналогового видеопотока; сочетает в себе три составляющие: аппаратуру, ПО и жесткий диск для хранения видеоархива. Данные видеорегистраторы имеют входы для подключения только аналоговых видеокамер, поддерживают удаленное наблюдение через интернет. Они просты в установке, но имеют существенные ограничения в части

расширения или изменения состава оборудования.

? HDVR (hybrid DVR - гибридный видеорегистратор) - видеорегистратор, поддерживающий как аналоговые, так и сетевые (IP) видеокамеры. Гибридные видеорегистраторы имеют функциональность DVR видеорегистраторов.

? NVR (Network Video Recorder - сетевой видеорегистратор) аналогичен DVR видеорегистратору, но поддерживает только IP-камеры.

Для поддержки аналоговых камер необходимо использовать специальное кодирующее устройство (encoder).

Для небольших и средних объектов DVR является самым востребованным вариантом системы видеозаписи благодаря наличию всех самых необходимых функций при умеренной цене, простой настройке, не требующей глубоких специальных знаний в области IT-технологий и широкому ассортименту существующих моделей ЦВР.

Основные параметры видеорегистраторов

Выполнение требований к устройствам видеозаписи в составе ИСБ реализуется соответствием параметров и функциональных характеристик ЦВР, установленным в технических условиях на конкретные устройства.

Рассмотрим основные параметры и функции DVR видеорегистраторов.

Видеоканал - совокупность технических средств СОТ, обеспечивающих передачу телевизионного изображения от одной видеокамеры до экрана видеомонитора в составе СОТ [12]. Количество видеоканалов DVR указывает максимальное количество видеокамер, которое допускается подключить к DVR. В основном применяются

видеорегистраторы на 4, 8, 16 видеоканалов, и редко на 24 и 32 видеоканала.

Выдеовыходы служат для подключения устройств отображения видеоинформации - видеомониторов. Существует несколько вариантов конструктивного оформления выдеовыходов в зависимости от того, на какое устройство выводится видеосигнал: BNC видеовыход для композитного видеосигнала; S-VIDEO, VGA, DVI, HDMI видеовыходы.

Наиболее востребованными являются видеовыходы - BNC и VGA. Они позволяют выводить изображение на обычный и компьютерный мониторы.

Часто кроме основного видеовыхода у ЦВР имеются дополнительные SPOT-выходы для вывода, например, в полный экран «тревожной» видеокамеры, в поле зрения которой в данный момент произошло движение.

Дополнительный видеовыход с более широкими возможностями называется MATRIX. С него можно выводить независимое мультиэкранное изображение или архив видеозаписей.

Аудиовходы служат для подключения микрофонов и позволяют осуществлять синхронную аудиозапись. Количество аудиоканалов колеблется от одного до количества видеовходов ЦВР в зависимости от конструкции.

Тревожные входы и выходы используются для подключения охранных датчиков и исполнительных устройств (сирен, строб-вспышек и т.д.). Количество тревожных входов, как правило, совпадает с количеством видеовходов. При подаче сигнала на тревожный вход регистратор может включить запись по определенному каналу и вывести изображение от него на монитор для привлечения внимания оператора видеонаблюдения.

Разрешающая способность видеорегистратора указывается в пикселах по горизонтали и вертикали. Для DVR чаще всего используются следующие разрешения: 352Ч288, 704х288, 704х576 пикселов.

Скорость записи указывает то количество кадров, которое может обработать регистратор за 1 секунду. Скорость указывают либо в расчете на 1 видеоканал регистратора (скорость на канал), либо на все видеоканалы в сумме (скорость на систему). При указании скорости на систему нужно учитывать количество видеоканалов конкретного видеорегистратора. Так для 4-х канального DVR скорость записи может составлять 25, 50, 100

кадров в секунду, для 16 канального регистратора - 100, 200, 400 кадров в

секунду на систему.

В системах видеонаблюдения кадровая скорость на канал не может превышать 25 кадров в секунду. Скорость и разрешение записи выбираются из набора дискретных значений и, как правило, указываются совместно. Примеры: 100 к/с (352х288), 12 к/с (704х288), 25 к/с (704х576).

Основные функции видеорегистраторов

Cжатие (компрессия) видеосигнала

ЦВР должны обеспечивать ведение видеоархива и его хранение не менее 15 суток. При этом качество изображения (цветопередача, разрешение) не должно ухудшаться более чем на 10% от максимального качества изображения, получаемого непосредственно от видеокамеры.

Цифровая видеозапись одного видеоканала длительностью 1 секунда с разрешением 704х576 пикселов со скоростью 25 к/с может иметь размер около 30Мбт. Нетрудно посчитать размер архива видеозаписей за 1 час, сутки или месяц. Для того чтобы уменьшить большие объемы видеозаписей, используют алгоритмы сжатия (компрессии) [24,25], которые уменьшают размер файла цифровой видеозаписи посредством удаления

графических элементов, не воспринимаемых человеческим глазом.

Алгоритмы кодирования видеосигнала применяются для цифрового представления, сжатия, хранения, передачи и обработки видеоинформации.

Алгоритмы делят на статические (работающие с каждым кадром в отдельности) и потоковые (работающие с последовательностями кадров).

Компрессия видеосигнала в статических алгоритмах достигается за счет метода обработки изображения каждого кадра. Причем обрабатывается как целое изображение, так и его отдельные блоки. Наиболее распространены в настоящее время алгоритмы M(Motion)JPEG и JPEG-2000.

Компрессия видеосигнала в потоковых алгоритмах осуществляется с учетом того, что рядом стоящие кадры почти не отличаются друг от друга.

Выбирается и кодируется с хорошим качеством один опорный кадр, далее кодируется разница между опорным и текущим кадрами. При появлении значительных отличий выбирается новый опорный кадр и процесс повторяется. Алгоритмы учитывают наличие в изображении объектов, их положение и динамику в последовательности кадров. При этом не только усложняется алгоритм сжатия, но и значительно увеличивается степень

компрессии, а, соответственно, и сильно сжимается потоковое видео.

MPEG-2 - потоковый алгоритм, дающий высокое качество видеоизображения (используется в DVD).

MPEG-4 - потоковый алгоритм, в три раза более эффективный по сравнению с MJPEG.

H.264 - самый прогрессивный на сегодняшний день потоковый алгоритм, сочетает высокое качество видеоизображения (используется для телевизионного вещания HD-TV) и высокую степень компрессии. Он способен уменьшить размер файла, содержащего цифровой видеосигнал, более чем на 80% по сравнению с сигналом, сжатым по алгоритму формата Motion JPEG, и на 30% эффективней, чем MPEG-4 при аналогичных

показателях визуального качества.

Потоковые алгоритмы сжимают в несколько раз эффективнее, чем покадровые. Покадровые дают чуть более четкое изображение при воспроизведении. Наиболее распространены алгоритмы JPEG-2000 и H.264.

Многозадачность

Видеорегистратор обладает многозадачностью, то есть способностью выполнять несколько задач одновременно: видеозапись, отображение мультикартины, воспроизведение видеоархива, копирование созданного видеоархива на внешние носители информации, трансляции и управления по компьютерной сети. Предусмотрено несколько режимов многозадачности в зависимости от конструкции ЦВР:

? Simplex - единовременное выполнение одной операции (когда начинается просмотр архива, запись останавливается);

? Duplex - возможность просмотра архива без остановки записи;

? Triplex - выполнение трех операций одновременно (например, трансляция, просмотр архива и работа по сети одновременно);

? Pentaplex - выполнение пяти и более операций одновременно (например, запись, локальное наблюдение на одном мониторе, просмотр архива на другом мониторе, архивация и сетевая работа).

Видеодетекторы движения

В ЦВР применяется алгоритм, реализующий функцию видеодетектора движения, который анализирует видеоизображение и обеспечивает автоматическое обнаружение движущихся объектов. При срабатывании видеодетектора регистратор может включить запись и вывести изображение с видеокамеры на монитор оператора видеонаблюдения. В

сложных системах для увеличения эффективности видеосистемы производится выделение маршрута движения объекта ярким цветом.

У видеодетектора движения настраивается зона детектирования и уровень чувствительности. Чувствительность определяет минимальный размер объекта, на который будет срабатывать видеодетектор.

Видеодетектор экономит дисковое пространство, записывая только те кадры, в которых есть движение, экономит время пользователя на поиск событий в видеоархиве.

Видеоаналитика

Для снижения влияния человеческого фактора и повышения эффективности СОТ создаются интеллектуальные системы видеонаблюдения, в которых видеорегистратором или сервером реализуется функция видеоаналитики (видеоанализа) [24,45].

Значительный поток данных передается от видеокамеры к ЦВР, где происходит декомпрессия и видеоанализ. При этом масштабируемость системы ограничивается конечными вычислительными ресурсами ЦВР или сервера. Функциональность интеллектуальных систем видеонаблюдения делится на две группы:

? распознавание и классификация объектов видеонаблюдения;

? отслеживание пути объекта видеонаблюдения.

Возможности видеоанализа находят применение при решении различных задач охраны и контроля объектов видеонаблюдения:

? для видеонаблюдения за поведением объектов, например, за интенсивностью потока в определённой зоне;

? для подсчёта объектов видеонаблюдения, например, транспортных средств или людей в охраняемой зоне;

? для отслеживания путей объектов видеонаблюдения - маршрута движения нарушителя или оставленного без присмотра чемодана в оживленном месте.

Подсчёт объектов видеонаблюдения - одно из важнейших применений видеоанализа. Алгоритм определения количества приходящих и уходящих на объект людей и машин позволяет получить исчерпывающую информацию для оптимизации работы объекта охраны.

Определение несанкционированного прохода средствами видеоанализа позволяет определять ситуации, когда один человек с помощью карточки открывает дверь, а проходит через неё несколько человек.

Контроль толпы реализуется благодаря возможности вести подсчет людей в определенных областях. При этом система может посылать

предупреждения при наличии скоплений людей, близких по количеству к критическим, или в ситуациях, когда что-то мешает свободному проходу.

Обнаружение пересечения границы позволяет определить границу или область, доступ в которую будет контролироваться. Если объект видеонаблюдения пересекает эту границу, входит или покидает определенную область, система видеонаблюдения может послать сигнал тревоги охранному персоналу.

Обнаружение оставленных объектов для публичных объектов, правительственных зданий является критически важным компонентом СБ из-за опасностей террористических актов. Ведется наблюдение за областью, при этом сохраняется информация о перемещении объектов внутри неё.

Если объект видеонаблюдения сначала двигался, а потом становится неподвижным и долгое время остается без движения, система видеонаблюдения инициирует тревогу и передает информацию о подозрительном объекте оператору СБ.

Сетевые функции

Сетевые функции ЦВР подразумевают реализацию следующих возможностей:

? трансляция видео в реальном времени;

? трансляция аудио;

? просмотр архива;

? архивация (копирование записей с ЦВР на удалённый ПК);

? удаленная настройка ЦВР.

Сетевые функции не только предполагают дистанционное использование возможностей видеорегистратора, но и объединение видеорегистраторов в единую систему видеонаблюдения на базе компьютера.

CMS - Станция централизованного мониторинга (Central Monitoring

Station) осуществляет управление единой системой видеонаблюдения с

использованием ПО для централизованного мониторинга видеорегистраторов и сетевого видеооборудования. Является идеальным решением для контроля ЦВР в распределенных системах видеонаблюдения.

Интерфейсы ЦВР

В видеорегистраторах используются различные интерфейсы для реализации необходимых функций. USB - последовательный интерфейс передачи данных - используется

для архивации видеозаписей на внешние носители информации, а также для

подключения компьютерной «мышки» для управления ЦВР через графический интерфейс. Часто USB-интерфейс применяется для обновления ПО видеорегистратора.

RS-485 - интерфейс предназначен для управления. Его можно использовать для подключения клавиатур управления ЦВР, либо для передачи сигналов управления от регистратора поворотным камерам.

RS-232 - интерфейс для подключения устройств диагностики и программирования ЦВР.

Устройства вывода видеоизображения (мониторы)

В качестве устройств вывода видеоизображения в СОТ до недавнего времени применялись аналоговые видеомониторы на основе электронно-лучевых трубок. В последнее время стали активно применяться жидкокристаллические (ЖКИ или LCD) мониторы, которые имеют ряд преимуществ: мониторы компактны, долговечны (служат не менее 6-7 лет), просты в настройке и эксплуатации, не чувствительны к электромагнитным полям, эргономичны, быстро монтируются в стойку или на стены и имеют низкое энергопотребление. При выборе монитора для СОТ руководствуются техническими, эксплуатационными и эргономическими требованиями, в соответствии с которыми подбираются параметры видеомонитора, указанные в технической документации [12]:

- размер экрана;

- параметры экрана;

- разрешающая способность экрана;

- параметры видеовхода (тип видеоинтерфейса для компьютерного монитора);

- параметры, связанные с особенностями применения и эксплуатации, показатели безопасности, надежности, электромагнитной совместимости.

Разрешение является одним из основных параметров монитора.

Разрешение измеряется числом точек (пикселов) по горизонтали и вертикали. В соответствии с существующими требованиями к ТСОБ, аналоговые или ЖКИ видеомониторы в составе СОТ должны иметь диагональ экрана не менее 17 дюймов и разрешение экрана не ниже 1280x1024 точек (960x768 ТВЛ) [19].

Яркость монитора определяется яркостью заднего освещения экрана.

Уровень яркости 250 кд/кв.м является для ЖКИ мониторов достаточно высоким и позволяет видеть контрастное изображение даже в сильно освещенном помещении. С контрастностью монитора связан коэффициент контрастности, соответствующий разнице между яркостью белых и черных тестовых прямоугольников. Чем выше контрастность, тем более естественным и насыщенным будет выглядеть цветное изображение. Современные мониторы для СОТ имеют коэффициент контрастности от 800:1 до 1200:1.

Угол обзора ЖКИ монитора равен крайнему значению, при котором коэффициент контрастности снижается до 10:1 от стандартного значения, соответствующего перпендикулярному положению наблюдателя к плоскости экрана. Современные мониторы, предназначенные для систем видеонаблюдения, имеют значение угла обзора 160 - 170о, что позволяет персоналу службы безопасности видеть изображение на мониторе без потери качества даже тогда, когда ЖКИ монитор находится под углом к оператору.

ЖКИ мониторы могут устанавливаться как на столе с помощью специальной подставки, так и монтироваться на стену или в стандартную 19-дюймовую стойку.

ЖКИ мониторы являются цифровыми устройствами, но могут работать как в аналоговых, так и в цифровых СОТ. Для приема аналогового видеосигнала мониторы, как правило, оснащаются двумя BNC-видеовходами. Монитор имеет стандартный 15-контактный VGA-вход, который позволяет подключать монитор к компьютеру цифровой СОТ.

Некоторые мониторы имеют встроенные динамики для воспроизведения аудиосигнала.

Кожухи для видеокамер

Для установки видеокамеры в неблагоприятных условиях применяется кожух - устройство, предохраняющее видеокамеру от внешних воздействий (перепадов температуры, влажности, осадков, несанкционированных действий и др.). Кожухи для видеокамер можно разделить на две основные группы:

? гермокожухи - защищают видеокамеру от пыли, случайного механического повреждения, попадания влаги и предназначены для установки внутри помещений;

? термокожухи - способны поддерживать необходимый для функционирования видеокамеры температурный режим. Они предназначены для установки вне помещений и обеспечивают полную защиту от пыли и водяных струй с любых направлений.

В отличие от гермокожухов термокожухи оснащены системами обогрева для работы в условиях низких температур. Основные параметры и особенности функционирования кожухов определяются как технической документацией, так и существующими

нормативными документами [8, 12, 40].

Класс защиты от воздействий пыли и воды (IP - International Protection) указывается в виде двух цифр IPxx. Первая цифра от 0 до 6 обозначает степень защиты от проникновения твердых механических предметов (в том числе пыли), вторая цифра от 0 до 8 показывает степень защиты от воздействия воды. Например, для уличной установки

используют кожухи с классом защиты IP66 и IP67.

Рабочий диапазон температур термокожуха должен соответствовать климатическим условиям территории, на которой устанавливается система видеонаблюдения.

Поддержание работоспособности видеокамеры в условиях низких температур достигается подогревом, который включается при помощи встроенного в кожух термореле при понижении температуры до -10оС. При этом ведется подогрев как установленного в кожух оборудования, так и смотрового стекла для предохранения его от замерзания. Для

предотвращения перегрева видеокамеры в летнее время в некоторые модели кожухов устанавливаются вентиляторы. Вентилятор обеспечивает движение воздуха в замкнутом пространстве термокожуха и равномерное распределение тепла по всему его объёму, предотвращая локальный перегрев.

Размер термокожуха обусловлен внутренним полезным объемом, который должен быть достаточным для размещения видеокамеры с объективом с автодиафрагмой, а также дополнительных устройств, входящих в состав той или иной модели. Во внутреннем пространстве кожуха по усмотрению производителя и установщика дополнительно могут

быть расположены встроенный источник питания, устройство передачи видеосигнала по кабелю типа «витая пара», устройство защиты линии видеосигнала от повреждения высоким напряжением («грозозащиты»).

Напряжение питания термокожуха выбирается с учетом действующих на объекте правил электробезопасности и установленной системы бесперебойного питания. Напряжение питания ~220В проще довести без потерь на большие расстояния, но оно опасно для жизни обслуживающего персонала. Выпускается достаточно много термокожухов

с безопасными напряжениями питания 12, 24, ~24В и даже ~42В. Мощность, потребляемая комплектом для наружного видеонаблюдения, определяется суммой мощностей, потребляемых видеокамерой, системой подогрева и дополнительным оборудованием, установленным в кожух.

Большинство моделей кожухов имеют кронштейн с поворотной системой, которые обеспечивают возможность установки кожуха на стене или потолке и ориентации видеокамеры в нужном направлении.

В зависимости от специфики применения отдельных видеокамер применяются модели кожухов с внешними ИК прожекторами, с автоматическим очистителем и омывателем стекла, с дополнительным жидкостным охлаждением и другие.

Передача видеоинформации в СОТ

В СОТ необходимо передавать видеоинформацию от видеокамер к оборудованию, установленному на постах охраны - видеомониторам, видеорегистраторам и другим устройствам системы видеонаблюдения.

Кроме видеосигнала в системе может осуществляться передача аудиосигнала и данных управления функциями объектива и поворотного устройства PTZ-видеокамеры - фокусом, диафрагмой, поворотом, наклоном, масштабированием и др. При этом расстояние, на которое осуществляется передача видеосигнала, может составлять от десятков

метров до десятков километров. В настоящее время в СОТ используются несколько основных способов передачи видеосигнала: по коаксиальному кабелю, по кабелю «витая пара» и по волоконнооптическому кабелю. В зависимости от расстояния применяют различные технологии и средства передачи видеосигнала.

Коаксиальный кабель в СОТ наиболее распространен. Это надежный и недорогой способ передачи, однако, он имеет свои недостатки. При передаче видеосигнала на расстояние свыше 300 м качество видеосигнала ухудшается - происходит падение уровня сигнала, могут возникать частотные искажения, которые приводят к снижению четкости

изображения. Чтобы избежать этого, необходимо через каждые 250-300 м

устанавливать усилители видеосигнала. В свою очередь усилители требуют подводки электропитания к месту установки и снижают соотношение сигнал/шум, что также сказывается на качестве видеосигнала.

При расстоянии до 1,5 км используют технологии и устройства передачи видеосигнала по кабелю типа «витая пара». При этом не требуется устанавливать усилители. Данная технология обеспечивает устойчивость к помехам, создаваемым внешними источниками. В состав системы входит специальный передатчик, кабель витая пара и приемник. Использование витой пары позволяет производить передачу различной информации - видеосигнала, аудиосигнала, данных управления, телефонии и пр. При этом количество передаваемых по одному кабелю сигналов ограничивается только числом витых пар в кабеле. Возможность использования уже имеющихся линий связи снижает стоимость СОТ. В целом, прокладка кабеля «витая пара» обходится существенно дешевле, чем монтажные работы по прокладке коаксиальных или волоконнооптических линий.