Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

дальности свыше нескольких метров возможно только за счет узконаправленного (например, лазерного) излучения.

Основные достоинства ИК активных СО с отражением:

—высокая вероятность обнаружения; материалы с коэффициентом отражения, близким к нулю, в быту не встречаются;

—ИК активное СО с отражением является датчиком присутствия, а не движения; сигнал срабатывания формируется в течение всего времени нахождения ОО в пределах ЗО, а не только в моменты его появления или перемещения;

—высокая помехоустойчивость внутри помещений;

—простота монтажа и проверки работоспособности;

—возможность организации непрерывного полного автоматического конроля работоспособности СО; если в зоне распространения прямого луча установить дополнительный ИК приемник, то по наличию на его выходе сигнала можно постоянно контролировать исправность И; в этом случае СО не нуждается в обслуживании и периодических проверках.

Основные недостатки ИК активных СО с отражением:

—крайне ограниченные размеры ЗО;

—высокая удельная стоимость.

ИК активные СО с отражением не заслуживали бы столь пристального внимания и, по крайней мере, их можно было бы рассматривать как разновидность фотолучевых СО, и не выделять в самостоятельную группу СО, если бы не одно но. Они в такой же мере отличаются от фотолучевых, как радиолокационные СО – от радиолучевых. ИК активные СО с отражением открывают путь к многочисленным вариантам оптических локационных СО. Отраженное от различных объектов ИК излучение несет в себе не меньше информации, чем СВЧ излучение. Здесь присутствует информация о расстоянии до объекта, направлении на него и его скорости. Кроме того, анализ отраженных спектров в широком ИК диапазоне (1…1000 мкм) позволяет идентифицировать материал отражающей поверхности. Полученных данных более чем достаточно для обнаружения и селекции различных объектов. С учетом того, что оптический локатор размещается в одной точке, оценивает местоположение и перемещение множества объектов, имеет узкий луч и большую дальность, его перспективы более чем обнадеживающие. Такое СО можно было бы смело назвать фотолокационным.

Телевизионное СО формирует сигнал срабатывания за счет анализа видимого изображения определенной области пространства. Чаще всего СО входит в состав системы видеонаблюдения, предоставляющей изображение для наблюдения оператору. Естественно называть телевизионными СО только те устройства, которые активируют сигнал срабатывания автоматически без помощи оператора. При этом состав телевизионного СО во многом аналогичен сотаву системы видеонаблюдения.

Обычно телевизионное СО называется видеодетектором, обнаружителем активности или детектором движения, в особенности, когда оно служит полезным дополнением к системе видеонаблюдения. Тем не менее, мы будем пользовать термином телевизионное СО, чтобы отличать самостоятельное устройство, включающее в свой состав все, что необходимо для выдачи сигнала срабатывания, от небольшого блока, фиксирующего изменения в видеосигнале.

Телевизионные средства и системы широко распространены, благодаря удобству предоставления информации в виде картинки на экране видеомонитора. Большой выбор систем видеонаблюдения, имеющихся на рынке, способен удовлетворить любые требования по параметрам и стоимости. Однако телевизионные СО, не требующие привлечения оператора, а тем более

– качественные СО, встречаются не часто.

Телевизионные СО могут быть как пассивными, работающими при естественном освещении, так и активными, работающими при искусственной подсветке. Они допускают использование внутри помещений или на улице. Телевизионные СО позволяют применять их в качестве точечных средств – для охраны отдельных дверей, проходов или ценных предметов внутри помещения, а также в качестве линейных – для защиты участков вдоль забора или внешней границы здания, и даже в качестве объемных – для контроля отдельных помещений, стоянок, участков улицы или областей пространства. Чаще всего камеры видеонаблюдения немаскируемы, они имеют большие размеры, и специально устанавливаются на виду, чтобы предупредить нежелательные действия посторонних людей. В то же время имеются небольшие камеры с малым размером входного зрачка (менее одного миллиметра), допускающие их маскировку, камуфлируя камеры под окружающие предметы, устанавливая в ниши или вмуровывая в стены. Благодаря большому разнообразию моделей, видеокамеры обеспечивают широкий спектр применения и вариантов установки: в виде выносной камеры на кронштейне, скрытно в недоступном месте, в качестве дверного глазка или внутри переговорной панели домофона. Камеры могут быть цветными или черно-белыми, стационарными или поворотными, с дистанционным управлением, фиксированным или изменяемым полем зрения.

Система видеонаблюдения состоит из множества различных блоков. Кроме основного элемента – видеокамеры – в нее входят поворотное устройство, блок питания, ИК подсветка, средства передачи видеосигнала (кабель, радиоканал), видеомонитор для наблюдения изображения. В состав системы видеонаблюдения также могут входить видеодетектор, который один превращает систему наблюдения в средство обнаружения, видеорегистратор, квадратор и мультиплексор. Рассмотрим их по порядку.

Поворотное устройство (подвижная платформа, на которую устанавливается камера) служит для поворота камеры в горизонтальной плоскости и небольшого наклона вверх или вниз. Оно увеличивает обзор камеры, позволяя обходиться минимальных их числом. Поворотное устройство управляется оператором со специального пульта, который часто совмещается с трансфокатором (устройством приближения/удаления изображения). Многие пульты имеют возможность программирования ряда предустановленных положений камеры для быстрого поворота камеры на заданные объекты. Также поворотные устройства могут управляться оператором по сети или направляться автоматически (например, на источник звука).

ИК подсветка необходима в случае недостаточной освещенности объектов. Выбор диапазона ИК связан с тем, что в этом случае подсветка не видна. Естественно, ИК подсветка эффективна только при использовании черно-белых видеокамер. Цветные камеры требуют освещения в видимом диапазоне. Устройства ИК подсветки для небольшой дальности (около 5 м) обычно имеют широкий угол, малую потребляемую мощность (около 5 Вт) и невысокую стоимость (30 $). ИК подсветка большей дальности (до 100 м) отличается узким сектором освещения (20…30°), более высоким энергопотреблением (до 200 Вт) и стоимостью (до 700 $).

Видеорегистратор представляет собой устройство записи и долговременного хранения видеоинформации. Наиболее распространены видеомагнитофоны, цифровые видеорегистраторы с записью на жесткий диск большого объема или персональные компьютеры.

Квадратор (или делитель экрана) необходим, когда на одном видеомониторе необходимо одновременно наблюдать изображения с четырех (или другого количества) камер. Он делит экран на четыре равные части и отображает самостоятельную картинку на каждой из частей. Для большего количества камер существуют делители экрана на 9 или 16 равных частей. Наблюдение изображений при еще большем их количестве практически невозможно, оно требует использования нескольких мониторов. При необходимости делитель экрана позволяет переходить в полноэкранный режим, когда на мониторе отображается картинка с одной выбранной камеры.

Мультиплексор, называемый также коммутатором, решает ту же проблему другим образом. Он имеет много видеовходов и один выход, что позволяет последовательно переключать изображение с нескольких камер на один монитор. При этом можно устанавливать длительность выдержки до последующего переключения,

исключать определнные камеры из общей последовательности или переключаться на любую заданную камеру. Более сложный, так называемый матричный коммутатор, имеет не только много видеовходов, но и ряд управляемых выходов. За счет этого можно направлять различные сигналы на заданные мониторы. Программируемые матричные коммутаторы обеспечивают гибкость, наращивание и оперативное управление структурой системы. Они обладают множеством дополнительных функций и легко интегрируются в системы охранной сигнализации и управления доступом, хотя и стоят дороже обычных коммутаторов.

Видеокамера является основным элементом как системы видеонаблюдения, так и телевизионного СО. Видеокамера состоит из объектива, диафрагмы, чувствительной матрицы, электронного блока обработки, устройства подогрева и кожуха. Объектив направляет световой поток на матрицу чувствительных элементов. Диафрагма ограничивает интенсивность света, падающего на матрицу. Матрица может быть выполнена по технологии КМОП или с использованием приборов с зарядовой связью (ПЗС). Блок обработки преобразует снимаемый с матрицы электрический сигнал в видеосигнал стандартной формы. Устройство подогрева служит против запотевания оптической системы и предотвращает уменьшение чувствительности приемной матрицы при низких температурах. Оно необходимо при использовании видеокамеры вне отапливаемых помещений. Кожух защищает камеру от внешних механических воздействий.

Видеокамеры делятся на черно-белые и цветные. В черно-белых используется одна матрица. Ее чувствительность без специальных фильтров распространяется за пределы видимого света. Для получения цветного изображения применяется два метода. В первом используется одна матрица и три оптических фильтра, каждый их которых выделяет один основной цвет (красный, зеленый или синий). Во втором используются три матрицы, каждая для своего цвета, и оптическая система, расщепляющая свет на три составляющие и направляющая их на различные матрицы. Второй метод обходится дороже, но он обеспечивает более точную цветопередачу и лучшее разрешение.

Видеокамеры характеризуются несколькими основными параметрами (табл. 2.28.1). Приведенные здесь же преимущественные значения параметров позволяют ориентироваться при выборе видеокамер. Кроме этих параметров есть ряд других, в основном неформальных, которые также влияют на процесс выбора.

Таблица 2.28.1 Основные параметры видеокамер

Под чувствительность видеокамеры понимают минимальную освещенность объекта, при которой на изображении камеры все еще можно различать переход от черного к белому. Точнее данный параметр следовало бы назвать порогом чувствительности. Чувствительность черно-белых камер составляет около 0,1 люкса (лк), цветных – 2 лк. Ее зависимость от длины волны света обычно повторяет характеристику человеческого глаза. Черно-белые камеры чувствительны также к ближнему ИК излучению, благодаря чему возможна невидимая ИК подсветка изображения при низкой освещенности (например, в ночное время). Иногда чувствительность камеры измеряется по освещенности на матрице, что дает существенно меньшие (до 10 раз) значения; в этом случае должна быть указана светосила объектива, с которым проводились измерения. Примерные значения освещенности при различных условиях наблюдения (нa улице на шиpoте Мocквы или в помещениях) приведены в таблице 2.28.2, а коэффициентов отражения поверхностей разных объектов в области видимого света – в таблице 2.28.3. Необходимо иметь в виду, что для обеспечения минимальной различимости изображения, освещенность должна превосходить чувствительность хотя бы в 10 раз. Значение максимально допустимой освещенности определяет (вместе с чувствительностью) полный интервал условий работы камеры. Для камер, работающих на улице, максимально допустимая освещенность должна быть не менее 100 000 лк.

Тaблицa 2.28.2 Оcвeщeннocть при различных условиях

Количество точек матрицы представляет собой произведение числа точек (светочувствительных ячеек) в каждой строке на число строк. Матрица камеры видеонаблюдения обычно имеет от 600×450 = 270 000 до 750×580 = 440 000 точек (пикселов). Точные значения количества пикселов по горизонтали и по вертикали определяются производителем матрицы и алгоритмом работы камеры. Они редко оканчиваются на ноль или на пять. Их отношение чаще всего равно 4:3, то есть соответствует отношению горизонтального размера кадра к вертикальному. Однако встречаются и отклонения в меньшую сторону, когда размер пиксела по горизонтали превышает его размер по вертикали. Кроме того, не все пикселы могут быть активны, используясь для формирования изображения. В любом случае, чем больше количество точек матрицы, тем выше качество и разборчивость изображения.

Разрешающая способность видеокамеры (по горизонтали) определяется максимально различимым количеством вертикальных линий. Оно оценивается с помощью специальных таблиц и измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ). Разрешение в 380…420 ТВЛ считается стандартным для черно-белых камер, 520…600 ТВЛ – высоким. Соответствующие параметры цветных камер несколько ниже (примерно на 20%): около 320 ТВЛ для обычного разрешения и 450 – для высокого. Разрешение определяется не только количеством пикселов матрицы, но и электронной схемой обработки; оно примерно равно (0,65…0,8) от числа пикселов в одной строке (0,55…0,65 – для цветных камер). Например, от матрицы 752×582 в среднем можно ожидать разрешения 752×0,72 = 540 ТВЛ. Для целей видеонаблюдения достаточно обычного разрешения 380…420 ТВЛ, высокое разрешение 520…600 ТВЛ позволяет различать мелкие детали изображения, лица людей, номера машин.

Размер матрицы определяется величиной ее диагонали. Он называется также форматом матрицы. Величина диагонали обычно принимает ряд стандартных значений в дюймах: 1/4", 1/3", 1/2", 2/3", 1". При отношении сторон кадра 4:3 величина диагонали в 1,25 раза превосходит горизонтальный размер матрицы. Исходя из этого, для наиболее распространенного формата 1/3" можно было бы теоретически получить величину диагонали в миллиметрах 1/3" = 25,4/3 = 8,47 мм и размер матрицы 6,77×5,08 мм. Реальные размеры чувствительной области матрицы оказываются несколько меньше (табл. 2.28.4), они составляют около 2/3 от полученных теоретических значений. С увеличением размера матрицы повышается ее чувствительность, но также возрастает стоимость.

Тaблицa 2.28.4 Размеры матриц

Фокусное расстояние объектива f должно соответствовать размеру матрицы. Поскольку матрица размещается в фокальной плоскости объектива, оно определяет такую важную характеристику камеры, как угол обзора θ. Если обозначить горизонтальный размер светочувствительной области матрицы за a, тогда очевидно tg(θ/2) = a/2f = A/2L (рис. 2.28.1), где A – горизонтальный размер поля зрения объектива на расстоянии L от камеры. Отсюда получаем формулу для определения угла θ = 2arctg(a/2f). Рассчитанные по ней значения для матрицы формата 1/3» приведены в таблице 2.28.5. Знание угла важно при выборе объектива таким образом, чтобы обеспечивать заданное поле зрения A на выбранной дальности A = 2Ltg(θ/2). Например, если необходимо наблюдать за выходом в холл из коридора, имеющего поперечные размеры 4×3 м, а камера может быть установлена на противоположной стороне холла на расстоянии L = 10 м от выхода, то угол θ = 2arctg(A/2L) = 2arctg(4/20) = 0,39 рад = 23°, следовательно, для матрицы 1/3" (a = 4,8 мм) потребуется объектив с фокусным расстоянием f = a/(2tg(θ/2)) = aL/A = 12 мм (или немного меньше).

Рис. 2.28.1 Угол обзора камеры

Тaблицa 2.28.5 Угол обзора по горизонтали в зависимости от фокусного расстояния f для матрицы формата 1/3˝

По величине фокусного расстояния объективы делятся на обычные (стандартные), короткофокусные (широкоугольные) и длиннофокусные (телеобъективы). Широкоугольные объективы с небольшим фокусным расстоянием необходимы для наблюдения на малых дальностях или для обзора больших площадей, крупных объектов, стадионов, открытых концертных площадок, автомобильных стоянок. Они обеспечивают общий обзор большого пространства, но не дают детального изображения. Длиннофокусные объективы с малым углом θ приближают и укрупняют изображения удаленных объектов, они позволяют различать лица или номера автомобилей. Длиннофокусные объективы обладают узким полем зрения и могут использоваться для наблюдения за пространством вдоль забора или за въездными воротами с большого расстояния. Объектив, являющийся длиннофокусным для матрицы малого размера, может стать короткофокусным при использовании с более крупной матрицей. Совместить преимущества широкого обзора и разборчивости мелких деталей позволяют поворотные устройства и трансфокаторы. Поворотные устройства нацеливают камеру (с длиннофокусным объективом) в том или ином на-

правлении в зависимости от складывающейся обстановки. Трансфокаторы (объективы с переменным фокусным расстоянием) дают возможность удалять или приближать изображение. Поворотные устройства и трансфокаторы требуют управления оператором и удорожают стоимость камеры. Они плохо сочетаются с видеодетекторами.

Тип крепления объектива определяется его присоединительным размером. Он важен для камер со сменными объективами. В видеонаблюдении применяются три типа крепления: резьба 12×0,5, C и CS. Резьба 12×0,5 (диаметр 12 мм с шагом 0,5 мм) предназначается преимущественно для миниатюрных камер. Крепления C и CS имеют одинаковую резьбу диаметром 1» (25,4 мм) с шагом 1/32» (0,794 мм) и отличаются расстоянием от задней плоскости объектива до фокальной плоскости. У объектива CS это расстояние меньше на 5 мм, поэтому видеокамера CS может работать и с объективом C – через переходное удлинительное кольцо. В настоящее время наиболее растпространено крепление CS.

Быстродействие камеры определяется временем выдержки отдельного кадра. Обычно оно устанавливается в пределах от 1/50 до 1/10000 с, хотя существуют и более быстродействующие (дo 1/100000 секунды и менее). Большой диапазон времени выдержки позволяет камере подстраиваться под различные условия освещенности.

Важное значение имеет наличие в камере автодиафрагмы и электронного затвора. Они позволяют без вмешательства человека поддерживать оптимальную освещенность на матрице за счет изменения величины входного отверстия и времени выдержки. Их применение предпочтительно в условиях меняющейся освещенности (например, на улице). При этом максимально закрытая диафрагма обеспечивает наибольшую глубину резкости.

Еще один важный параметр камеры – наличие компенсации встречной засветки, или по другому, компенсации заднего света. Данная функция необходима, когда камера направлена против источника света (например, на окно или дверь, выходящую на улицу). Обычная камера подстраивается под среднюю освещенность, поэтому на ее изображении будет темный силуэт человека на светлом фоне улицы. Наличие функции компенсации встречной засветки (автоматической) подстраивает изображение по его центральной части, поэтому будет виден не общий силуэт, а детальное изображение человека.

Собственно детектор движения, который является небольшим фрагментом в системе видеонаблюдения, представляет собой ту цель, ради которой велось все предшествующее изложение. Принцип действия видеодетектора состоит в сравнении последующего кадра изображения с предыдущим. При изменении изображения, связанном с движением какого-либо предмета в поле зрения камеры, активируется сигнал тревоги. Обычно можно задать на картинке прямоугольную область анализа изменений (или несколько областей) и порог срабатывания. Области анализа выбираются в

тех частях изображения, где появление посторонних людей наиболее нежелательно. Тогда видеодетектор будет реагировать только на исчезновение определенного предмета или на появление человека вблизи от определенной двери, игнорируя передвижение людей в других местах внутри поля зрения камеры.

Работа видеодетекторов подвержена воздействию большого количества помех. К ним относятся изменения освещенности, связанные с восходом, заходом солнца или выходом его из-за туч, включением, выключением или миганием искусственного освещения, попаданием света от фар проезжающих автомобилей, бликами на стеклах или лужах. Кроме этого, в поле зрения появляется множество движущихся объектов, таких как опадающая листва, животные, птицы, качающиеся под действием ветра деревья. Мешает работе детекторов вибрация камеры и колебания кронштейна, на котором она закреплена. Изображение меняется также во время дождя, тумана, снегопада, запотевания объектива, покрытия его инеем или пылью, что требует тщательной настройки порога срабатывания видеодетектора. Поэтому телевизионные СО еще далеки от совершенства, они имеют пониженную помехоустойчивость при работе на улице. Видеодетекторы встраиваются в современные видеокамеры или видеорегистраторы, но в основном служат для облегчения работы операторов, принимающих окончательное решение о наличии или отсутствии ОО.

Для повышения эффективности системы видеонаблюдения и снижения числа ложных срабатываний видеодетекторов необходимо соблюдать определенные правила при установке компонентов системы. Прежде всего, камеры должны быть надежно закреплены для стабилизации изображения. В условиях низкой освещенности необходимо установить дополнительные осветительные приборы или ИК подсветку. Для защиты от солнечного света или фар проезжающих автомобилей служат козырек над камерой, шторы или жалюзи на окнах. Своевременная замена ламп освещения избавит от неожиданного ложного срабатывания после перегорания одной из них. Необходимо по мере возможностей убрать из поля зрения все подвижные объекты – деревья, кусты, флаги, животных. Если источники меняющегося света или подвижные объекты невозможно убрать или заэкранировать, то следует хотя бы направить камеру таким образом, чтобы они не попадали в ее поле зрения (в непосредственной близости от контролируемых областей анализа). Но даже после соблюдения всех предосторожностей возможно появление неожиданных источников ложных срабатываний – насекомых, ползущих по объективу, отражений от стеклянной двери или открываемого окна. Избавиться от них поможет тщательный выбор порога срабатывания видеодетектора.

Основные достоинства телевизионных СО:

—высокая информативность видимого изображения, анализируя которое можно определить наличие человека, скорость и направление движения, а также идентифицировать его личность и получить много других данных; в связи с этим, а

также с возможностью менять направление и угол обзора камеры, телевизионные СО обладают потенциально высокими показателями обнаружения и помехоустойчивости; пока эти показатели достигаются при работе внутри помещений или совместно с оператором;

—обширная ЗЧ, позволяющая одновременно наблюдать за большой площадью, стоянкой автомобилей, длинным прямолинейным рубежом или подходом к стене здания;

—изменяемая ЗЧ камеры; можно быстро повернуть камеру в нужном направлении, приблизить изображение наблюдаемого объекта или дать общий план;

—работоспособность аппаратуры внутри помещений и на улице;

—возможность записи видеосигналов и последующего многократного их просмотра; возможность наблюдения сигналов оператором и управления параметрами камер;

—обнаружение изменений видеосигнала в произвольной области кадра; ее можно оперативно менять при изменении расстановки предметов внутри помещения, путей передвижения людей, степени опасности различных действий или положения камеры; обнаружение передвижения различных объектов: отдельного человека, групп людей, автомобилей;

—определение текущего местоположения ОО и его направления движения;

—непрерывный контроль работоспособности телевизионного СО; любая неисправность проявится в изменении изображения и будет мгновенно зарегистрирована; при наличии оператора для подтверждения исправности достаточно просто посмотреть на экран;

—возможность маскировки камер; небольшие камеры легко закамуфлировать под окружающие предметы, камеры с малым входным отверстием (pin-hole) вмуровываются в стену, крупные камеры маскируются установкой большого количества муляжей, ничем не отличающихся от настоящих камер;

—большой выбор аппаратуры на рынке; всегда можно подобрать комплекс или составные части по необходимым параметрам, условиям эксплуатации и стоимости; совместимость составных

частей и возможность наращивания комплекса. Основные недостатки телевизионных СО:

—снижение вероятности обнаружения при пониженной освещенности, при загрязнении или запотевании оптики или при воздействии метеорологических факторов – тумана, дождя, снегопада, дымки;

—ложные срабатывания при изменениях освещенности, при появлении посторонних предметов, насекомых, вибрации; снижение помехоустойчивости особенно сильно проявляется на улице в ненастную ветреную погоду; стабильную работу видеодетекторов обеспечивает пра-