Охранные видеокамеры - как выбрать?

Системы видеонаблюдения в последние годы стали важной составляющей надежной системы безопасности. Оборудование системы охранного телевидения позволяет Вам не только наблюдать, но и здокументировать происходящие события. Кроме того, практика показывает, что человеку гораздо труднее решиться на преступление, если за его действиями наблюдает телекамера: т.е. на психологическом уровне система теленаблюдения выполняет активную охранную функцию.

Видеонаблюдение может осуществляться внутри помещений и снаружи, скрытно и открыто... Но. в любом случае, организация даже простейшей системы видеонаблюдения требует применения охранных видеокамер. В настоящий момент на рынке безопасности присутствует огромное количество подобных устройств, значительно различающихся как конструктивно, так и по своим техническим характеристикам. Следует также учесть, что нет единого международного стандарта на измерение параметров видеосистем вообще, и видеокамер в частности; многие параметры измеряются в разных фирмах по-разному, при различных условиях. Поэтому следует быть весьма осторожным в отношении параметров, указываемых в рекламных буклетах, каталогах и даже технических инструкциях.

Как же выбрать видеокамеру для бюджетной системы видеонаблюдения?

Сразу же надо отметить, что такие категории, как купольные, видеокамеры с трансфокатором, поворотные управляемые дистанционно и т.д. не принадлежат к бюджетным и в данном материале рассматриваться не будут.

Рассмотрим устройство и основные характеристики охранных видеокамер, а также проведём сравнительный анализ цветных и чёрно-белых камер нижнего и среднего ценового диапазона.

Основой любой видеокамеры наблюдения является ПЗС-матрица - прямоугольная (с отношением сторон 3:4) полупроводниковая пластинка, которая преобразует падающий на нее через объектив свет в электрический сигнал. ПЗС-матрица состоит из большого числа фоточувствительных ячеек, которые формируют элементы изображения - пикселы. Количество пикселов нередко указывается в паспорте на видеокамеру (например, 752 х 582). Чем больше пикселов, тем чётче и детальней изображение.

Качество камеры в значительной мере определяется качеством матрицы ПЗС. Компаний, производящих матрицы достаточно мало, ведущими являются – Sony, Panasonic, Samsung, LG. Поэтому практически все видеокамеры построены на базе матриц, произведенных этими компаниями. Однако остальные схемотехнические решения лежат на совести изготовителя камеры. Таким образом, качество изображения определяется не только ПЗС-матрицей, но и уровнем схемотехники (качеством обработки видеоcигнала), реализованной конечным производителем видеокамеры, а также правильным подбором и качеством изготовления объектива.

Как и диагональ телевизора, размер ПЗС-матрицы измеряется в дюймах. Этот параметр (формат ПЗС-матрицы) приводится в паспорте на камеру и необходим для правильного выбора объектива - если объектив поставляется отдельно, что очень редко для камер бюджетного диапазона. При прочих равных условиях предпочтительнее выбирать камеру с большей матрицей - пиксел большего размера позволяет захватить большее количество света. Поэтому даже в том случае, когда количество пикселов у двух камер одинаково, изображение, записанное пикселами большего размера чётче. (Правда, сказанное справедливо только для высоких уровней освещённости, так как уровень шумовых токов у такой матрицы также значительно выше). В то же время, как правило, камера с ПЗС-матрицей меньшего формата дешевле. Помимо цены и малых габаритов, малоформатные телекамеры имеют еще одно преимущество - уменьшенное энергопотребление (примерно пропорционально формату).

В настоящее время наиболее часто используются матрицы формата 1/3 (4.8 х 3.6мм) и 1/4" - (3,6 х 2,7) мм. Более популярна матрица 1/3 дюйма.

Для решения задач видеонаблюдения вполне достаточно того качества изображения, которое обеспечивается камерами формата 1/3. В телевизионных камерах формата 1/4 дюйма даже при хорошем уровне освещённости шум виден на всех фрагментах изображения. Если присмотреться, то все изображение кажется покрытым “рябью”. Однако шум не столь сильный как в камерах формата 1/5 и 1/6 дюйма и в целом не мешает различению мелких деталей. В сложных условиях наблюдения, либо, когда требуется максимальное качество изображения, нужно выбирать полдюймовые модели.

Цветные ПЗС-матрицы имеют аналогичную чёрно-белым структуру, но перед ячейками формируются микрофильтры основных цветов R, G, B (следовательно, для цветных видеокамер количество результирующих ячеек будет в 3 раза меньше, чем у черно-белых видеокамер).

Основным достоинством цветных камер является то, что они позволяют получить больше информации о наблюдаемом объекте, на цветном изображении можно увидеть то, что незаметно на черно-белом. Однако черно-белые видеокамеры более чувствительны (могут работать при меньшей освещенности, почти в полной темноте, в условиях небольшого тумана) и имеют лучшую (в полтора-два раза) разрешающую способность. К тому же, что немаловажно, черно-белые видеокамеры стоят в полтора раза дешевле цветных. Конечная же стоимость цветной телевизионной системы получается в 2-2,5 раза выше черно-белой, с учетом использования цветных видеомониторов и других компонентов -(для эффективного применения цветного телевидения ночью необходимо обязательно включать в состав ТВ-системы дополнительные средства освещения).

Из сказанного можно сделать следующий вывод: цветные камеры следует устанавливать только при наличии достаточного освещения и если цветное изображение действительно необходимо: например в бюро пропусков, супермаркетах, для идентификации цвета транспортного средства.

Одной из важнейших характеристик видеокамер является их разрешающая способность (Resolution). Она характеризует способность видеосистемы различать мелкие детали и удаленные предметы. Разрешающая способность видеокамер измеряется в так называемых телевизионных линиях (ТВЛ) - количестве различимых на экране видеомонитора вертикальных черных и белых штрихов минимальной толщины. (То есть, речь идет о разрешающей способности по горизонтали, поскольку по вертикали число элементов жестко привязано к телевизионному стандарту. Общепринятыми являются стандарты ССIR для черно-белых и PAL для цветных камер. Оба стандарта подразумевают 625 строк по вертикали). Чем выше значение разрешающей способности, тем мельче детали и более удаленные предметы можно наблюдать. Как правило, этот параметр не превышает число пикселей в строке, умноженное на 0,75. Среднее разрешение черно-белых телекамер составляет 380-420 ТВЛ, высокое - 550-570 ТВЛ. Цветные камеры среднего разрешения имеют разрешение от 280 до 330 ТВЛ; повышенного имеют разрешение до 460 ТВЛ. Реальное разрешение камеры может меняться при различных условиях освещенности, при низкой освещенности оно обычно снижается.

Недорогие камеры среднего разрешения обычно применяют для оценки общей обстановки, то есть для большинства случаев видеонаблюдения. При простых условиях наблюдения (внутренние помещения, коридоры, постоянно освещенные зоны) вполне достаточным является разрешение 380...420 ТВЛ. Для примера, телевизор мы смотрим с 400 ТВЛ — это определяется стандартом телевизионного вещания. Камеры с разрешением 420 ТВЛ достаточно практически всегда. Если требуется определение мелких деталей (например, чтение номеров автомобилей), чёткое опознавание людей - нужны камеры повышенного разрешения. Тем не менее, нужно отметить, что заметное улучшение четкости изображения в телевизионной системе с камерами высокого разрешения происходит только тогда, когда все элементы системы поддерживают высокое разрешение. Если мониторы, устройства документирования видеоинформации, и прочие компоненты системы видеонаблюдения не обладают высокими характеристиками, то изображение, формируемое камерой стандартного разрешения, может даже превосходить по качеству изображение с камеры высокого разрешения.

Ещё один важный параметр ПЗС-матрицы, и, следовательно, камеры в целом - её чувствительность (Sensitivity). Чувствительность измеряется в люксах – лк и определяет качество работы камеры в условиях низкой освещенности. Параметр может приводиться в документации как минимальная освещенность - Minimum illumination. Эта такой уровень освещённости на объекте, измеренный в стандартных условиях, при котором можно различить переход от черного к белому. Чем меньше её значение, тем выше качество видеокамеры (обстановка на объекте становится все темнее, а изображение остается еще различимым).

Чувствительность большинства современных черно-белых видеокамер охранного наблюдения лежит в пределах 0.01 - 1 люкс (при F1.2). Много ли это? Приведём некоторые типичные уровни освещённости (таблица 1).

Ясный солнечный день	100000 лк
Облачный день	10000 – 100 лк
Хорошо освещённый офис, комната	1000 – 200 лк
Сумерки	5 лк
Полнолуние, ясная ночь	0,2 – 0,1 лк
Молодой месяц	0,01 лк
Ясная безлунная ночь	0,001 лк

Для получения качественного видеосигнала в условиях недостаточной освещённости необходимо применять дополнительные источники освещения. Около 75 процентов энергии при нагревании нити накаливания из вольфрама излучается в инфракрасной области, в виде теплового (инфракрасного) излучения. По сравнению с человеческим глазом чувствительность черно-белых видеокамер также существенно сдвинута в инфракрасную область. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, но прекрасно фиксируется видеокамерами. Это обстоятельство позволяет при недостаточной освещенности использовать в охранных видеокамерах инфракрасную подсветку, или же специальные инфракрасные прожекторы.

В черно-белых видеокамерах высокой чувствительности в условиях недостаточной освещённости происходит переключение в режим пониженной разрешающей способности или возрастания времени накопления зарядов на элементах матрицы. Наиболее чувствительные (0,001- 0,01 люкс) камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК - подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света. Для помещений минимальная чувствительность камер может составлять 0,5 лк.

Цветные видеокамеры имеют значительно меньшую чувствительность в видимом диапазоне, а также у них отсутствует чувствительность в инфракрасной области спектра. Поэтому при низкой освещенности цветные видеокамеры автоматически переходят в режим черно-белого изображения.

Следует учитывать, что при недостаточной освещенности объектов (в тёмное время суток) амплитуда полезного видеосигнала камер обычно падает. Поэтому важно при оценке минимальной освещенности обращать внимание на указанное отношение «сигнал/шум» на выходе видеокамеры. Оно говорит о качестве выходного сигнала камеры. Параметр "отношение сигнал / шум" (S/N = signal to noise) измеряется в децибелах. Его значение не должно быть ниже 30 дБ, иначе шумы на экране начинают сильно влиять на качество видеосигнала ("снег" на изображении). При отношении сигнал/шум 45 дБ шум практически не заметен. При 40 дБ - шум уже заметен, 30 дБ - сильные шумы, 20 дБ - изображение теряется в шумах.

Следует, конечно, учитывать, что в технических характеристиках камер значения сигнал/шум указываются для оптимальных условий.

Вторым по важности компонентом камеры является объектив. Камеры нижнего ценового диапазона поставляются в комплекте с объективом, более дорогие – обычно отдельно. Наиболее важным параметром объектива является его фокусное расстояние (Focal Length), оно измеряется в миллиметрах. Фокусное расстояние определяет угол обзора видеокамеры, и тем самым, детализацию. Широкий угол обзора не позволяет разглядеть мелкие детали, но позволяет лучше оценить обстановку в целом. Узкий угол - высокая детализация.

Как видно из рисунка, с увеличением фокусного расстояния (объектив 2) угол обзора камеры уменьшается, что позволяет рассматривать более отдалённые предметы, так как объект наблюдения при прочих равных условиях занимает большую часть экрана. Также необходимо отметить, что матрицы малого формата требуют применения объективов с меньшим фокусным расстоянием.

Изображения близко расположенных объектов при использовании короткофокусных объективов будут более контрастными и резкими, в сравнении с изображением удаленных объектов при использовании длиннофокусных объективов.

Объектив выбирается в соответствии с назначением камеры. Видеокамера, объектив котрой имеет фиксированное фокусное расстояние, имеет зону обзора в строго ограниченных углах по горизонтали и вертикали.

Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка 3,5 мм. При этом угол зрения камеры (Angle of view) будет около 90°. Длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием, например 12 мм и углом зрения 30° в основном используют при наблюдении периметра объекта. Отметим, что угол обзора видеокамеры по горизонтали существенно шире угла обзора по вертикали, что следует учитывать при анализе "мертвой зоны" под видеокамерой.

Следует учитывать, что различимость деталей на экране зависит от того, какую его часть занимает интересующий объект. Чем больше объектов в кадре, тем они мельче и их труднее различить.

В Интернете можно найти следующие эмпирические соотношения для систем охранного видеонаблюдения:

- для распознания силуэта человека требуется, чтобы на экране монитора он занял 1/10 часть.

- для уверенного распознания знакомого вам человека его фигура должна занимать 1/3 экрана монитора.

- для идентификации не известного вам лица нужно как минимум в полный экран «поместить» 2/3 высоты человека.

- для распознания номера автомобиля – его отображение необходимо разместить в 1/4 части экрана.

Из сказанного следует, что практически невозможно обеспечить узнаваемость деталей по всему полю обзора камеры - нужно продумать правильную расстановку видеокамер наблюдения, стратегию и тактику их применения. А также их необходимое количество.

В таблице 2 приведены расчётные (приблизительные) данные углов обзора для видеокамер популярного формата 1/3 при различных фокусных расстояниях объектива.

Таблица 2

Фокусное растояние объектива, мм	Угол обзора по вертикали, градусов г	Угол обзора по горизонтали, градусов	Угол обзора по диагонали, градусов	Дистанция распознавания, метров
2,5
2,9
3,4				3,4
3,5				3,5
3,6				3,5
3,7				3,8
4,3
5,5
6,0
8,0
12,0
16,0
25,0
50,0		5,5

В документации иногда указывается одно значение угла обзора. В этом случае, обычно, указывается значение угла по диагонали матрицы.

Анализ таблицы позволяет выделить ещё одну закономерность – дистанция уверенного распознавания, выраженная в метрах примерно соответствует фокусному расстоянию видеокамеры, выраженному в миллиметрах. Это очень важный практический вывод, позволяющий не вдаваясь в сложные вычисления подобрать камеру под конкретные задачи.

Например, для 1/3 видеокамеры с популярным объективом 3,6 мм на расстоянии 3 метра размер наблюдаемой зоны равен примерно 4 метра по горизонтали и 3 по вертикали. Человеческая фигура в полный рост займёт при этом примерно 2/3 экрана по вертикали, что позволяет уверенно провести идентификацию и хорошо согласуется с приведёнными выше данными.

Рассмотрим также ряд дополнительных параметров и сервисных возможностей видеокамер, которые в большинстве моделей регулируются автоматически.

Глубина резкости (Depth of field) – диапазон расстояний, на которых объекты наблюдения остаются хорошо сфокусированными. Короткофокусные объективы имеют большую глубину резкости. С увеличением расстояния до объекта увеличивается глубина резкости. Длиннофокусный объектив даже при съёмке удалённых объектов имеет ограниченную глубину резкости.

Хотя в паспортах на видеокамеры обычно указывается значение выходного видеосигнала (Video Output) 1 В на нагрузке 75 Ом, практически ни один производитель не выдерживает эту норму. Значения этого параметра разнятся весьма существенно и могут быть равны 0,5 В и даже меньше.

Автоматическая регулировка усиления. Так как в процессе работы видеокамера преобразует интенсивность светового потока в размах напряжения и может работать в широком диапазоне освещённостей, для выравнивания амплитуды выходного видеосигнала по всему диапазону применяется автоматическая регулировка усиления. Благодаря режиму АРУ, имеется возможность осуществлять непрерывную съемку планов с разной яркостью, значительно выравнивая её значения на экране монитора. Автоматическая регулировка усиления позволяет повысить резкость изображения при чрезмерной освещённости (ослабить эффект засветки).

Электронный затвор (Electronic Shutter) – свойство камеры регулировать время накопления заряда на ПЗС-матрице. Позволяет обеспечить постоянную среднюю яркость изображения. Для современных видеокамер стандартным является диапазон его регулировки в пределах от 1/50 до 1/100,000 с, что позволяет отрабатывать изменения уровня освещённости в 2000 раз! Кроме того, при высоких уровнях освещённости увеличения скорости электронного затвора позволяет получить более чёткое изображение.

Компенсация встречной засветки (Backlight Compensation). Как видно из названия, функция находит применение при необходимости откорректировать изображение, когда какой-либо объект в поле зрения камеры представлен на ярком фоне. Это может быть человек в тёмном коридоре на фоне открытого дверного проёма, либо едущий навстречу камере автомобиль с включёнными фарами, и т.д. В режиме компенсации встречной засветки видеокамера позволяет выровнять по яркости изображение в целом – ослабить чересчур яркие участки и передать на монитор картинку примерно одинаковой яркости по всему кадру.

Гамма-коррекция – изменение выходного сигнала видеокамеры таким образом, чтобы на мониторе получилось изображение с верной контрастностью. В некоторых моделях чёрно-белых видеокамер имеется специальная схема, позволяющая увеличить число градаций при передаче полутонов чёрного и серого цветов. При максимальном значении коэффициента гамма-коррекции (1,0) полутона изображения получаются наиболее контрастными, «глубокими». При минимальном (0,4) – обеспечивается воспроизведение наиболее «мягких» полутонов.

Баланс белого (White Balance). Параметр цветных видеокамер. Изменение освещённости может приводить, к значительным искажениям цветопередачи, если камера не содержит специальной схемы "баланса белого". Схема обеспечивает пропорциональное изменение электронными методами коэффициентов усиления в каналах красного и синего цвета относительно зелёного. Такое решение позволяет верно передавать цвет объекта, независимо от источника освещения. Недорогие цветные камеры имеют лишь автоматический "баланс белого" для данного источника света. Внутри более качественных камер, как правило, имеются регулировки для адаптации к разным источникам света.