sci_tech Владо Дамьяновски CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

Это 2-е издание популярной за рубежом и в России книги Владо Дамьяновски — всемирно известного эксперта в области видеонаблюдения и охранного телевидения, в которой обобщено около десяти лет теоретических исследований и более двадцати лет практического опыта. Книга ориентирована на довольно широкую читательскую аудиторию — менеджеров по системам безопасности, инсталляторов и интеграторов оборудования, консультантов, разработчиков и конечных пользователей. Кроме того, книга будет по достоинству оценена теми, кто собирается заняться системами видеонаблюдения и охранным телевидением.

ru en Станислав Поздняков Лариса Царук Ольга Шунь
FictionBook Editor Release 2.6.5, AlReader2 03 February 2015 4CCDA9BE-4AF0-4E1B-A3FE-978E84C9B5E6 1.0

1.0 — создание fb2 из pdf

ООО «Ай-Эс-Эс Пресс» Москва 2006 5-87049-260-2 Технический редактор: Анатолий Ермаченко Научные редакторы: Станислав Поздняков, Юрий Гедзберг Корректор: Татьяна Ермаченко Дизайн обложки: Павел Чистяков Компьютерная верстка: Анатолий Ермаченко * * * © Vlado Damjanovski, 1995-2006 © Перевод на русский язык. Журнал «CCTV Фокус» (ООО, «Ай-Эс-Эс Пресс»), 2002-2006 © Издание на русском языке, оформление. Журнал «CCTV Фокус» (ООО, «Ай-Эс-Эс Пресс»), 2002-2006 * * * По всем вопросам приобретения книги, рекламе в следующих изданиях и переизданию обращаться в редакцию журнала «CCTV Фокус»: Тел.: +7 (495) 225-3925, +7 (495) 744-3989 E- mail: sub@cctvfocus.ru Web-сайт: http://www.cctvfocus.ru

Владо Дамьяновски

«CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии»

Предисловие к русскому изданию

Книга, которую вы сейчас держите в руках, уже имеет свою историю. Еще в 2002 году издательство «Ай-Эс-Эс Пресс» (журнал «CCTV Фокус») получило исключительные права на перевод и издание на русском языке книги «CCTV» ведущего эксперта мирового уровня в области систем видеонаблюдения и охранного телевидения, австралийца Владо Дамьяновски. Российские специалисты давно ощущали острую нехватку информации в области теории и практики видеонаблюдения, ведь до сих пор таких книг на русском языке не издавалось. Поэтому мы были абсолютно уверены, что книга быстро найдет своего читателя.

Когда вышло первое издание этой книги, ее тираж составлял всего 1000 экземпляров. Нам казалось, что такой тираж сможет удовлетворить потребности сравнительно молодого российского рынка безопасности, и его хватит на несколько лет. Все наши предположения были моментально опровергнуты вами, наши читатели — тираж книги разошелся в течение двух месяцев. Для того чтобы удовлетворить потребности рынка, нам пришлось увеличить тираж первого издания, который в итоге составил 4000 экземпляров, что сопоставимо с англоязычным изданием, которое распространялось по всему миру.

Любопытно отметить, что этот приятный сюрприз не оказался неожиданным для самого автора книги.

Владо Дамьяновски на официальной презентации своей книги в России в ходе дискуссии со своими читателями заявил, что он ожидал очень многого от издания своей книги на русском языке, поскольку Россия по-прежнему остается самой читающей и любознательной страной.

Наше издательство постоянно ведет мониторинг зарубежных изданий (США, Германия, Великобритания, Франция), приобретает новые книги по аналогичной тематике, при этом до сих пор нам не удалось обнаружить ни одного издания, которое было бы сопоставимо по качеству, количеству и систематичности изложения представленного в ней материала. Конечно, на рынке присутствует немало полезных книг и публикаций с достаточно узкой специализацией (в частности, по видеонаблюдению), но лишь некоторая часть представленного материала вызывает интерес у российского читателя.

Книга содержит всесторонний анализ систем видеонаблюдения и охранного телевидения — чрезвычайно обширной области человеческой деятельности, объединяющей современные технологии в электронике, телекоммуникациях, оптике и оптоволокне, обработке и передаче видеоизображения, программировании. В книге рассматривается множество тем, связанных с технической стороной видеонаблюдения. Это и применение оптики, в частности, ряд вопросов и практических советов, связанных с использованием линз, общие характеристики телевизионных систем, средства передачи данных. Автор подробно объясняет принципы работы различного охранного оборудования (поворотных устройств, усилителей видеосигнала и т. п.). В книге рассматриваются также вопросы, связанные с передачей изображения по телефонным линиям и компьютерным сетям, особенностями видеомагнитофонов, мониторов, цифровой записи видеоизображения.

Помимо этого уделяется внимание вопросам проектирования систем видеонаблюдения и их эксплуатации. Автор опирается не только на собственный богатейший опыт работы, но и на многочисленные отзывы и рекомендации инсталляторов и пользователей систем видеонаблюдения.

Хорошо понимая, какая пропасть разделяет теорию и практику, Владо Дамьяновски попытался облегчить жизнь специалистам в области охранных технологий, включив в свою книгу множество рекомендаций.

Дополняют книгу подробный глоссарий терминов видеонаблюдения, список сайтов крупнейших производителей оборудования и мировых выставок по безопасности.

Новое издание книги представляет собой не простое переиздание популярной книги. Стремительное развитие цифровых и сетевых технологий привело к тому, что они быстро нашли применение и в системах видеонаблюдения. «Цифровая революция» в CCTV, которая свершилась буквально на наших глазах, нашла отражение и в новом издании книги. В него была включена подробнейшая информация о цифровых и сетевых технологиях, а также о практическом применении их в сфере видеонаблюдения. В предыдущих изданиях этот материал практически не был представлен. Также автор внес некоторые изменения и дополнения в уже публиковавшийся материал, что связано с развитием и других технологий, применяющихся в системах видеонаблюдения. Небольшое изменение претерпела и русскоязычная терминология. Некоторые менее употребительные термины, предложенные переводчиками книги, были заменены на более привычные и нашедшие большее распространение за последние три года среди специалистов на рынке систем безопасности.

Со времени первого издания книги она приобрела большую популярность в отечественной индустрии безопасности. Эту книгу используют многие компании рынка безопасности в своих учебных центрах для обучения новых сотрудников, а для многих книга стала настольной. Ее успешно распространяют компании рынка безопасности. Среди них такие крупные компании, как «БайтЭрг», «Тинко», ITV. Помимо традиционных распространителей рынка безопасности, книгу активно распространяют и крупные книготорговые компании, а также и Интернет-магазин Ozon.ru.

Книга «CCTV. Библия видеонаблюдения» Владо Дамьяновски ориентирована на довольно широкую читательскую аудиторию — менеджеров по безопасности, инсталляторов и интеграторов оборудования, консультантов, разработчиков, конечных пользователей. Кроме того, книга признанного «гуру» в области систем видеонаблюдения будет полезна всем, кто интересуется этим вопросом.

Вот лишь незначительная часть отзывов экспертов по безопасности о книге Дамьяновски:

• Les Simmonds — Les Simmonds & Associates, Австралия

«Это как дуновение свежего ветерка в индустрии безопасности. Это наиболее профессиональная книга по видеонаблюдению, которую я когда-либо читал. Она содержит материал как для начинающих, так и для профессионалов. Легко и быстро читается и содержит великолепную графику и фотографии. Необходимая вещь для всей индустрии безопасности…»

• Tracy Туе — Maxpro UK, генеральный директор

«…Я считаю, что эта книга — просто бесценный клад информации. Я и не подозревала, что знаю так мало о видеонаблюдении…»

• Jayant Kapatker — STAM, инструктор и автор «In Site CD-ROM»

«…У Владо есть дар объяснять технические вопросы действительно простым для понимания языком. Его превосходная книга — явный пример этому…»

• Rod Cowan — редактор «SECURITY INSIDER»

«…Первый тираж был распродан так быстро, что Дамьяновски выпустил второй, более крупный тираж и планирует продавать книгу за рубежом».

• Мурат Алтуев — президент компании ITV

«Хотя может показаться, что автор замахнулся на невозможное (обычно, при таком множестве тем читатели ожидают только поверхностного их освещения), Владо Дамьяновски удалось собрать исчерпывающий и в то же время понятный материал по каждой теме».

Особую благодарность наше издательство выражает таким специалистам отечественной индустрии безопасности, как М.К. Алтуев, Ю.М. Гедзберг, Н.Е. Уваров, благодаря которым и стало возможным появление этой книги на русском языке.

И, конечно, издательство выражает особую признательность спонсорам (рекламодателям) книги, таким известным на российском рынке безопасности компаниям, как ITV, DSSL, Samsung Electronics. Именно благодаря спонсорам издания удалось снизить стоимость книги на русском языке в два раза по сравнению с англоязычным изданием.

О книге Владо Дамьяновски

Книга, которую Вы держите в руках, по-своему уникальна.

Ее уникальность состоит в том, что автору удалось удачно собрать под одной обложкой столь разную и разнородную информацию из самых различных областей знаний, чтобы доступно и вместе с тем достаточно строго рассказать, что такое CCTV (охранное телевидение и видеонаблюдение).

Стиль этой книги едва ли можно отнести к какому-то одному традиционному стилю технической книги, поскольку в ней можно найти справочные материалы и математические выводы, полезные практические советы и исторические справки, описания работы устройств и обзор рынка видеооборудования. Но все дело в том, что специалист в области охранного телевидения действительно должен владеть знаниями самых различных наук: оптики, радиоэлектроники, радиотехники, телевидения, механики, электротехники, вычислительной техники, физики твердого тела, современных методов цифровой обработки изображений… И все это есть в книге в том объеме, который является необходимым и достаточным для специалиста в области видеонаблюдения.

Возможно, кто-то нетерпеливо перелистает какие-то страницы, сказав: «Зачем мне это нужно?». А вместе с тем, как показывает опыт, специалистам (о которых Козьма Прутков сказал, что они подобны флюсу) как раз не хватает широты и систематичности знаний, которые можно почерпнуть из этой книги.

Лично мне, как редактору книги, показалось, что, возможно, существует некоторая несбалансированность в объемах и сложности освещаемых проблем, но это скорее вопрос личных пристрастий.

Перевод и редактирование англоязычных технических материалов всегда связан с определенными трудностями. Ну, например, нередко можно встретить изложение одного и того же вопроса в разных главах — но в этом тоже есть свой резон (такую книгу можно читать как справочник, не рыская по ней в поисках перекрестных ссылок). Особую трудность обычно встречает адекватный перевод на русский язык коротких и образных англоязычных терминов. В силу того, что в настоящее время большая часть оборудования для охранного телевидения импортируется в Россию, в соответствующей терминологии ощущается определенный языковой прессинг англицизмов. Мне представляется, что использование языковых «калек», а то и англоязычных терминов, записанных русскими буквами — не самый лучший путь для российских специалистов, так как это усложняет их общение как между собой, так и с заказчиками.

Возвращаясь к книге, следует особо подчеркнуть ее практическую направленность: не голое теоретизирование и не бездумная эмпирика, а четко выстроенный путь от теории к практике, что находит логическое завершение книги главой «Проектирование систем видеонаблюдения».

Я уверен, что книга Владо Дамьяновски будет по достоинству оценена российскими читателями — теми, кто занимается или собирается заняться системами охранного телевидения.

Ю. М. Гедзберг (научный редактор) «Мост Безопасности»

http://www.security-bridge.com

Об авторе

Владо Дамьяновски родился в Македонии в 1956 г. Закончил университет Св. Кирилла и Мефодия в Скопье (Македония) по специальности электроника и телекоммуникации, в 1982 г. защитил диссертацию по телекамерам с ПЗС.

После окончания обучения он работал инженером по проектированию систем охранного телевидения в компании Video Engineering в Охриде (Македония). Там он и начал объединять теоретические знания по телевидению с практикой. Он занимался проектированием и изготовлением телекамер, видеомониторов, усилителей, блоков питания и другого оборудования для CCTV. Поработав там пару лет, перешел в республиканскую компанию радио и телевидения и работал там главным инженером на местной TV/FM станции.

Два года он вбирал в себя опыт по системам телевещания, а в 1985 г. участвовал в первом эксперименте по спутниковому приему в Македонии вместе с экспертами из Европейского союза радиовещания (EBU) и инженерами из Thomson LGT. Позже в этом же году Владо Дамьяновски предложили опытно-конструкторскую работу в другой компании в Охриде, где он разработал несколько коммерческих электронных продуктов. Эта работа включала все этапы проектирования — прототипы, проект механической сборки, тестирование и описание технических характеристик аппаратуры.

В 1987 г. вместе с семьей Владо Дамьяновски переехал в Австралию. Свою карьеру он начал в компании TCN Channel 9, в Сиднее, где работал инженером по эксплуатации. Это были великие времена, особенно когда в январе 1988 г. ему довелось участвовать в крупнейшем событии — массовом вещании, посвященном двухсотлетней годовщине открытия Австралии.

В следующем году Владо Дамьяновски предложили место сервис-менеджера в компании Vamarc, где он начал (опять) свою австралийскую карьеру в CCTV. Став сервис-менеджером, он вместе со своими техниками «прошел» через множество систем, старых и новых, разбросанных по всей стране, и многое узнал о наиболее распространенных ошибках при установке систем, а также о том, что такое хороший проект и инсталляция. Вскоре ему довелось работать с более крупными проектами в качестве инженера-проектировщика. Через два года компания Vamarc закрылась, и он перешел в National Fire and Security, где работал менеджером по продукции CCTV. В NFS Владо Дамьяновски мог высказывать свое мнение по поводу оборудования — что следует «сдать в архив», какое оборудование лучше всего включать в большие системы. Работая в NFS, он спроектировал множество важнейших систем. А также Владо Дамьяновски провел в компании множество семинаров по CCTV. Затем отдел безопасности NFS перешел к новому владельцу и был переименован в Security Warehouse. В основном, отдел продолжал концепцию NFS, но концентрировался только на оборудовании систем безопасности. Он продолжал работать консультантом по CCTV и менеджером по продукции, а в 1990 г. зарегистрировал свою собственную консультационную компанию.

Кроме независимого проектирования, консультаций и пусковых испытаний Владо Дамьяновски провел много семинаров по всей стране. В течение года множество специалистов по CCTV прошли через его двухдневные семинары; многие из них спрашивали, где можно достать полную книгу по CCTV. Это и подвигло его на мысль облечь все свои знания и опыт в письменную форму, чтобы другие тоже могли ими воспользоваться, не проходя через все перипетии, которые довелось пройти самому.

CCTV — это чрезвычайно быстрорастущая и изменяющаяся область знаний, и тут действительно справедливо высказывание: «чем больше знаешь, тем лучше понимаешь, насколько мало знаешь». Это одна из причин, почему он вложил столько усилий в подготовку книги «CCTV» и создание web-сайта в Интернете. Владо Дамьяновски надеется, что они ответят хоть на часть вопросов жаждущих знаний людей.

«Что отличает людей от животных? Дети познают жизнь не с нуля, они могут опираться на накопленные знания своих родителей и родителей их родителей. Хотелось бы думать, что я один из таких родителей», — считает Владо Дамьяновски.

Введение

Системы видеонаблюдения и охранного телевидения (CCTV) — интереснейшая область телевизионных технологий. Основная сфера применения — системы видеонаблюдения, но многие компоненты и концепции охранного телевидения с успехом можно реализовать в системах контроля промышленного производства, в больницах или студенческих городках. Поэтому, даже если большинство читателей воспринимает эту книгу как руководство по проектированию систем видеонаблюдения, автору не хотелось бы ограничиваться исключительно этой областью.

Книга, которую вы сейчас держите в руках, представляет собой переработанную и дополненную версию моей книги по CCTV, вышедшей в 1999 году. За последние пять лет в индустрии CCTV произошло столько изменений, что без нового издания уже нельзя было обойтись. Для меня было большой радостью получать благодарные отзывы моих читателей и видеть, как они выставляли неизменно высокие оценки (в том числе и высшую оценку «5 звезд» на популярном интернет-магазине Amazon.com) проделанной мной работе. Все это и подвигло меня продолжать работу над книгой, делать ее более совершенной и информативной. Разумеется, я не менял полностью содержание предыдущего издания, так как основы CCTV остались прежними, но некоторые главы и разделы я значительно дополнил и переработал, чтобы идти в ногу со временем. Немного изменился и иллюстративный материал, но, самое главное, я добавил обширные главы, посвященные цифровым и сетевым технологиям, а также их применению в CCTV.

Я постарался максимально полно охватить теорию и практику всех компонентов и основных принципов видеонаблюдения. Это очень обширная область, включающая в себя различные дисциплины и достижения в области электроники, телекоммуникаций, оптики, волоконной оптики, цифровой обработки изображения и программирования, а за последние несколько лет в эту область добавились сетевые технологии, IP-коммуникации и цифровые технологии.

Едва ли найдется книга, охватывающая все эти сферы, о чем мне неоднократно напоминали на многочисленных семинарах, которые я на протяжении нескольких лет проводил по всей Австралии, а в последние годы и в других странах. В том числе и поэтому я старался вложить в создание этой книги все мои знания и опыт, а также использовать данные всех проведенных мною исследований новых различных тенденций и продуктов.

Моей основной задачей было написание такой книги, которая бы охватывала все концепции и технологии, которые используются в системах видеонаблюдения, и в то же время подробно объясняла и снимала завесу таинственности с новых для видеонаблюдения цифровых и сетевых технологий.

Аналоговое телевидение — это достаточно сложная наука, особенно для тех людей, которые никогда с ней не сталкивались, но понимание цифровых технологий в телевидении будет очень затруднено без знания аналогового телевидения. Поэтому, если вы не обладаете базовыми знаниями по аналоговому телевидению, то даже и не пытайтесь сразу переходить к главам, посвященным цифровым и сетевым технологиям: многое будет вам непонятно. Но все сразу же станет на свои места, как только вы подробно изучите главу об аналоговом телевидении.

Как и в предыдущем издании, мне пришлось изучить и прочесть много нового для себя, прежде чем я смог обработать и донести материал в том стиле, в котором были написаны главы предыдущего издания.

Очевидно, что я не собирался заново изобретать колесо, так как моей задачей было объяснить в доступной форме большинство важных аспектов современных технологий. А это мне не удалось бы, если бы я не имел практического опыта работы с ними. Именно опыт работы в индустрии систем видеонаблюдения позволяет мне взглянуть на все эти новые технологии с практической точки зрения.

Существуют и более специализированные книги, посвященные конкретным аспектам новых технологий и их применения, но именно эта книга дает представление о том, как используются новые технологии в системах видеонаблюдения.

Как и в предыдущем издании, я намеренно упрощал объяснения некоторых концепций и принципов, но, чтобы понять их, читателям все же придется применить и логику, и технические познания.

Вероятно, я не смог бы так подробно осветить новые технологии и достижения в индустрии видеонаблюдения и охранного телевидения, если бы я не был главным редактором международного журнала по системам видеонаблюдения, который называется CCTV Focus (www.cctv-focus.com). И этот опыт действительно очень помог мне в написании книги. Все вопросы, посвященные новым технологиям, более подробно рассмотрены на страницах этого журнала, который был основан в 1999 году, когда появилось предыдущее издание этой книги. Сам же журнал в настоящее время считается одним из наиболее уважаемых на рынке. В настоящее время он издается на русском языке, и в ближайшее время будет выходить на китайском и немецком языках. Именно этот журнал и является самым лучшим дополнением и приложением к моей книге, так как его содержание постоянно пополняется новыми темами.

Еще один интернет-ресурс, связанный с данной книгой — это веб-сайт компании CCTV Labs (www.cctvlabs.com). Эта компания была основана мной и специализируется в оказании консультационных услуг, проектировании, обучении и издательском деле в индустрии видеонаблюдения.

Веб-сайт этой компании появился в 1995 году одновременно с публикацией первого издания моей книги. В настоящее время этот веб-сайт является одним из старейших и наиболее посещаемых интернет-ресурсов, посвященных видеонаблюдению. Я стараюсь размещать на нем как можно больше полезной информации, и помимо этого, стараюсь поддерживать список всех известных сегодня в мире производителей систем видеонаблюдения. Посещая сайт CCTV Labs, вы получаете мгновенный доступ практически к любому продукту и производителю систем видеонаблюдения. Конечно, я не могу включить в этот список производителей, еще не представленных в Интернете, но если вы, читатель, являетесь производителем, но не можете найти свое имя на странице ссылок, свяжитесь со мной по электронной почте, и я включу вас в список.

Книга предназначена и будет весьма полезна для инсталляторов систем видеонаблюдения, торговых представителей, руководителей службы безопасности, консультантов, производителей, конечных пользователей и всех, кто интересуется системами видеонаблюдения и охранного телевидения и обладает базовыми техническими знаниями.

Имея практический опыт работы с различными системами и в различных ситуациях и в полной мере осознавая разницу между простотой теории и многочисленными проблемами, с которыми приходится сталкиваться на практике, я постарался хотя бы немного облегчить жизнь инсталляторам, разработчикам и консультантам. С этой целью я снабдил книгу различными полезными подсказками, советами, контрольными таблицами, проектами систем, и, наконец, специально разработанной испытательной таблицей для систем видеонаблюдения.

Напечатанная на последней странице обложки испытательной таблица для систем видеонаблюдения — оригинальная разработка автора — поможет проводить различные испытания качества. Ею очень удобно пользоваться для оценки параметров телекамер и видеомониторов, качества передачи видеоинформации, а также качества систем видеозаписи. Эту испытательную таблицу широко используют во всем мире. В настоящее время ею пользуются более 1500 компаний, многие из которых являются производителями компонентов и систем видеонаблюдения. Правила пользования таблицей подробно изложены в книге. Читателям, которым требуется более подробная и совершенная испытательная таблица, мы предлагаем ту же таблицу с высоким разрешением в формате A3.

За последние пять лет, прошедшие со времени предыдущего издания, которое выпустило американское издательство Butterworth-Heinemann (теперь оно называется Elsevier), в индустрии видеонаблюдения произошло столько изменений, что вопрос стоял не о том, выпускать ли новое издание, а о том, когда же это, наконец, случится.

Я искренне благодарен всем читателям, которые обратили внимание на предыдущие издания книги и благосклонно о ней отзывались, создавая ей репутацию во всем мире. Мне лестно слышать, что многие называют ее «Библией видеонаблюдения». Конечно, я постараюсь сделать все, чтобы быть достойным этого комплимента, но, в то же время, мне хотелось бы услышать критические комментарии и предложения от всех вас, моих прежних и новых читателей. Спасибо всем тем читателям, кто уже высказал многочисленные предложения и замечания.

Также я хотел бы поблагодарить коллег из компании Les Simmonds, которые мне предоставили очень точные иллюстрации к разделу по измерению осциллографом.

Я хотел бы выразить благодарность издательской компании Elsevier и ее сотрудникам, а в особенности Пэм Честер, Дженнифер Суси и Саре Хайдук.

Эта книга увидела свет благодаря поддержке издателя, а также тех производителей оборудования для систем видеонаблюдения, которые верили в меня и выступали спонсорами этого издания. Это очень известные компании на рынке систем безопасности: Ademco Video Systems, Axis Communications, Bosch Security Systems, Dallmeier Electronic, Elbex, Fast Video Security, Guetebrueck, ITV и Pelco.

Отдельную благодарность я приношу компании CCTV Labs и журналу CCTV Focus, так как во время написания книги я не могу уделять им все свое время.

Владо Дамьяновски, В.Е. Electronics

Сидней, 2005 год

E-mails: vlado@damjanovski.com

Web-сайт: http://www.cctvlabs.com; http://www.cctv-focus.com

Вступление

Книга состоит из 14 глав, расположенных в логическом порядке.

В главе 1, «Единицы измерения СИ», представлены основные единицы измерения, используемые в сфере видеонаблюдения. Несмотря на то, что они не являются исключительной прерогативой систем видеонаблюдения и охранного телевидения, а, скорее, общетехническим достоянием, я считаю важным их упомянуть. Многие изделия, термины и концепции из области видеонаблюдения должны упоминаться рядом с соответствующими единицами измерения. Единицы СИ введены Международной Организацией Стандартизации ISO, и, принимая их за универсальные, мы получаем более ясное и точное представление о продуктах и их спецификациях. В тексте приведены также общие метрические приставки, с которыми, насколько мне известно, многие технические специалисты не знакомы. Для инженеров или людей с базовым техническим образованием эта глава, возможно, не представит никакого интереса. Этим читателям мы предлагаем сразу переходить ко второй главе.

Глава 2, «Свет и телевидение», начинается с краткого исторического обзора, позволяющего получить более ясное представление о революции в области телевидения. Затем мы знакомим вас с фундаментальными основами действия человеческого зрения: света и человеческого глаза. Поскольку в основе телевидения лежит физиология человеческого глаза, необходимо уяснить, как устроен и как работает человеческий глаз. Интересным представляется сравнение функционирования глаза и телевизионной камеры.

Глава 3, «Оптика в системах видеонаблюдения», посвящена одному из основных элементов видеонаблюдения — линзе. Кроме описания принципа работы линзы и ее важнейших особенностей мы также практически объясняем, как настраивается объектив (ALC и Level — АРО и Уровень), как определяется фокусное расстояние для определенного угла зрения, и, что очень важно для видеонаблюдения, как следует настраивать задний фокус. В заключении главы рассказывается о С- и CS-креплении.

Глава 4, «Общие характеристики телевизионных систем», имеет особую важность, и, в частности, для читателей, не знакомых с принципами работы телевидения. В главе рассматриваются два главных стандарта, PAL и NTSC. Мы представляем также общую концепцию разрешения и, что еще важнее, объясняем различия между широковещательным сигналом и видеосигналом охранного телевидения. В главе в самых общих чертах упоминаются инструменты, используемые в телевизионной системе.

Наконец, в нее включены таблицы с указанием отличий различных подгрупп телесистем, а также список всех стран мира с принятыми у них ТВ-системами.

Пожалуй, пятая глава«Телекамеры в системах видеонаблюдения», — самая интересная. В ней подробно обсуждаются концепции ПЗС-камер, различных конструкций и спецификаций камеры. В этой главе также рассматриваются проблемы блоков питания и перепадов напряжения и приводятся связанные с ними расчеты. На мой взгляд, это очень важная проблема, интересующая многих практиков.

Пусть кому-то она кажется тривиальной, но часто отказы системы и многие другие проблемы вызваны именно неправильным электропитанием камеры (нерегулируемым блоком питания, тонкими проводами, высоким перепадом напряжения). Я посчитал уместным рассмотреть эту проблему в разделе «камеры», поскольку блоки питания являются частью комплектации телекамеры. В конце главы представлен очень важный в практическом отношении контрольный список, пользуясь которым вы без проблем сможете установить систему видеонаблюдения.

Видеомониторы, как черно-белые, так и цветные, рассматриваются в главе 6. Понятно, что главное место отведено ЭЛТ-мониторам, поскольку сегодня они наиболее распространены в системах видеонаблюдения. В главе объясняются такие, связанные с мониторами, важные проблемы, как гамма-коррекция, переключатели полного сопротивления, условия наблюдения и др. В конце главы описываются некоторые основные новшества в технологии отображения. Если в предыдущем издании книги многие из этих технологий упоминались лишь как любопытные технические новинки, то сегодня некоторые из них уже получили широкое распространение.

В главе 7, «Устройства обработки видеосигналов», рассматриваются «старые добрые» последовательные коммутаторы, а также матричные коммутаторы — в качестве представителей «аналогового» обрабатывающего диапазона, и, конечно, квадраторы, мультиплексоры, видеодетекторы движения и кадровая память — в качестве представителей «цифрового» ряда.

Важная роль в видеонаблюдении принадлежит устройствам видеозаписи. Им посвящена глава 8.

Мы описываем не только самый распространенный формат VHS, но и усовершенствованный стандарт S-VHS. Цифровой способ хранения видеоизображений, который приобретает все большую популярность, рассматривается в отдельной главе.

Глава 9, посвященная вопросам цифрового видеонаблюдения и записи, является одной из основных причин появления нового издания этой книги. Со времени предыдущего издания (1999), когда цифровое видео только начинали использовать в системах видеонаблюдения, очень многое изменилось. К моменту выхода этого издания (2005) уже практически ни одна новая система видеонаблюдения не обходится без цифровых видеорегистраторов и сетевых коммуникаций. В этой главе речь пойдет о различных аспектах цифрового видеоизображения, а также объясняются причины использования сжатия видеоизображения. Также в главе дается анализ различных стандартов сжатия, которые расположены в логическом порядке.

Глава 10, «Средства передачи видеосигнала» — одна из самых объемных, поскольку в видеонаблюдении используется большое количество передающих сред. Очевидно, что, поскольку коаксиальный кабель имеет самое широкое распространение, ему посвящена большая часть главы.

Знаю по практическому опыту и полагаю, что со мной согласятся многие читатели, что большинство проблем в системах видеонаблюдения возникает из-за плохо уложенного кабеля и/или плохой концевой заделки проводов. Поэтому существующие методы заделки проводов рассматриваются отдельно. В остальной части главы вы найдете описания других средств передачи информации, таких, как витая пара, микроволновые, беспроводные, радиочастотные, инфракрасные, телефонные линии; и самого важного на ближайшее будущее средства (по крайней мере, по моему мнению) — волоконной оптики.

Что касается последнего, то мы объясняем концепцию волоконной оптики, даем описание используемых источников света, кабелей и методов установки. Эта технология не столь нова, как некоторые считают; скорее, она стала в последнее время очень доступной и более легкой в использовании и, следовательно, получила более широкое распространение в больших системах охранного телевидения.

Глава 11 посвящена сетевым технологиям в системах видеонаблюдения, то есть в ней рассказывается еще о нескольких новых технологиях, приобретающих все большую популярность. Сетевые технологии очень близко связаны с цифровыми, но логически они относятся к коммуникациям, поэтому я поместил эту главу после главы 10, которая была посвящена средствам передачи видеосигнала. Глава о сетевых технологиях не призвана заменить собой соответствующую литературу по сетевым технологиям и IT, a такой литературы сейчас издано предостаточно. Основная задача данной главы — дать общее представление человеку, далекому от IT, о сетевых и информационных технологиях, важность которых увеличивается с каждым днем для индустрии видеонаблюдения.

В главе 12, «Дополнительное оборудование в системах видеонаблюдения», обсуждаются скоростные поворотные камеры, корпуса, осветительная аппаратура, инфракрасный свет, корректоры заземляющих контуров, молниезащита, видеоусилители и усилители-распределители.

Если первые 12 глав посвящены оборудованию видеонаблюдения, то в главе 13 я представляю свое понимание того, как проектировать систему видеонаблюдения. Эта глава написана полностью на основе практического опыта, в том числе опыта и рекомендаций специалистов по установке и пользователей систем видеонаблюдения. Предлагаемый способ проектирования системы не следует принимать за единственный, но, на мой взгляд, он, несомненно, очень эффективен и точен. В эту главу также включено описание действий, предпринимаемых после того, как системная конструкция закончена и установлена. Это: ввод в действие, обучение и сдача в эксплуатацию. Профилактическим обслуживанием часто пренебрегают, а между тем это важная часть в работе системы охранного телевидения. Даже несмотря на то, что профилактическое обслуживание осуществляется после завершения установки системы, оно является важной частью в общей картине видеонаблюдения.

В главе 14, «Тестирование систем видеонаблюдения», представлены рекомендации читателям относительно использования испытательной таблицы, разработанной специально для этой книги и расположенной на последней странице обложки. Многие читатели, знакомые с таблицей по предыдущему изданию, нашли ее очень полезной, поэтому я решил расширить и усовершенствовать ее, добавив несколько полезных параметров. Теперь с помощью тестовой диаграммы можно не только определять разрешение камеры, но и рассчитать, удастся ли разглядеть объект с определенного расстояния. Для более требовательных специалистов та же таблица формата A3 напечатана на неотражающей химически стабильной бумаге с устойчивыми красками. Также в последней главе (и на нашем сайте в Интернете) приводятся правила пользования тестовой диаграммой.

Приложение 1, «Основные термины, используемые в видеонаблюдении», в точности соответствует заголовку. Я постарался включить в него все термины, акронимы и названия, которые встречаются в связи с системами охранного телевидения в смежных областях. Термины не только перечисляются, но и объясняются их значения.

В предыдущем издании книги одна из глав называлась «Некоторые примеры систем видеонаблюдения». То были типовые чертежи, на которые не распространяются авторские права и которые можно также найти на нашем сайте. Сейчас, три года спустя, я уже не вижу в них большой необходимости, поэтому в настоящее издание они не включены. Вместо них я предлагаю нечто иное, на мой взгляд, более полезное для читателей, а именно, список изготовителей оборудования для видеонаблюдения (Приложение 3). Опыт предыдущего издания показывает, что эту книгу читают во всем мире, встреча с продуктами какого-либо неизвестного ранее производителя систем видеонаблюдения вызывает у меня удивление. Я думаю, что вы, читатель, будь вы пользователем, дистрибьютором, консультантом или специалистом по установке, заслуживаете того, чтобы знать всех производителей. Вся эта информация со ссылками размещена и на сайте CCTV Labs. Когда я говорю «вся», я имею в виду всю ту информацию, которую мне удалось найти в различных журналах, выставочных каталогах и получаемой мною электронной почте. Эта база данных постоянно обновляется, поэтому за новейшей информацией обращайтесь на сайт CCTV Labs.

Надеюсь, эта книга будет очень полезна и информативна для всех, кто интересуется системами видеонаблюдения и охранным телевидением.

Надеюсь также, что эта книга займет постоянное место на ваших книжных полках и рабочих столах.

Благодарю за покупку книги и желаю приятного чтения.

1. Единицы измерения СИ

Основные единицы

Законы Физики выражают фундаментальные взаимосвязи между определенными физическими величинами.

В Физике много различных величин. Чтобы упростить измерения и построить физические теории, некоторые из этих величин принимаются за основные, а все остальные выводятся из них. Измерения производятся путем нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения.

В Физике, а также в Электронике и Телевидении, которые являются ее частью, принята международная система единиц или СИ (от французского Systeme Internationale).

Ниже приведены семь основных единиц СИ:

Единица — Обозначение — Измерение

Метр — [м] — Длина

Килограмм — [кг] — Масса

Секунда — [с] — Время

Ампер — [А] — Электрический ток

Кельвин — [К] — Температура

Кандела — [кд] — Сила света

Моль — [моль] — Количество вещества

Эти основные единицы определяются международно-признанными стандартами.

Например, до 1983 года стандарт метра определяли как конкретное число длин волн определенного излучения в спектре криптона. В октябре 1983 определение метра было изменено на следующее: метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

А стандарт килограмма, например, равен массе цилиндрической гири из платиноиридиевого сплава, хранящейся в Международном бюро мер и весов, в Севре, во Франции.

Основная единица времени, секунда, была определена в 1967 г. как «время, требующееся атому цезия-133 для 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями основного состояния».

Шкала градусов Кельвина имеет такие же деления, как и шкала градусов Цельсия, только точка отсчета 0° К эквивалентна -273 °C и называется абсолютным нулем.

Все остальные единицы в физике определяются комбинацией вышеупомянутых основных единиц.

Например, площадь прямоугольного земельного участка определяется уравнением:

S = а х b,

где а — это ширина участка, a b — его длина. Если а и b выражены в метрах [м], то их произведение S будет выражено в [м2].

Мы все хорошо знаем, что скорость определяется в [м/с], хотя довольно часто используем [км/ч]. Мы можем легко перевести [м/с] в [км/ч], так как знаем, сколько метров в километре и сколько секунд в часе.

Единицы СИ приняты в науке и промышленности практически во всем мире, и все мы должны хорошо понимать, что измерения типа: «дюйм» как мера длины, «мили в час» как мера скорости, «фунты» или «стоуны» как мера веса следует использовать как можно реже. Они нередко обескураживают людей различных профессий или из различных частей света. Если использовать единицы СИ, то больше людей поймут вас и характеристики ваших продуктов. К тому же, гораздо проще сравнивать продукты из различных частей света, если они характеризуются одними и теми же единицами измерения.

Есть еще одна важная вещь: каждый символ в системе СИ имеет точное значение, связанное с тем, как использован символ (прописная или строчная буква). Так, километр пишется как [км], а не [Км] или [клм].

Мегабайт пишется [Мбайт], а не [мбайт]. Нанометр пишется как [нм], а не [Нм] и т. п. И мы, занимаясь вопросами видеонаблюдения, будем придерживаться этих правил.

Производные единицы

Все физические процессы могут быть описаны и измерены при помощи основных единиц. Мы не будем вдаваться в детали того, как выводятся производные единицы, и, к тому же, это не входит в цели данной книги, но здесь важно понимать, что между основными и производными единицами существует четкая взаимосвязь.

Ниже приводится ряд производных единиц СИ, некоторые из них будут использованы в этой книге.

Величина — Единица — Обозначение/определение

Площадь — квадратный метр — м2

Объем — кубический метр — м3

Скорость — метр в секунду — м/с

Ускорение — метр на секунду в квадрате — м/с2

Частота — герц — Гц=1/с

Плотность — килограмм на кубический метр — кг/м3

Сила — ньютон — Н=кг∙м/с2

Давление — паскаль — Па=кг/м∙с2

Энергия, работа — джоуль — Дж=н∙м

Мощность — ватт — Вт=Дж/с

Электрический заряд — кулон — Кл=А∙с

Электрическое напряжение — вольт — В=Ом/А

Электрическое сопротивление — ом — Ом=В/А

Электрическая емкость — фарада — Ф=Кл/В

Электрическая проводимость — сименс — См=А/В

Магнитный поток — вебер — Вб=В∙с

Магнитная индукция — тесла — Т=Вб/м2

Индуктивность — генри — Г=Вб/А

Освещенность — люкс — лк=лм/м2

Световой поток — люмен — лм=кд-стерадиан

Яркость — нит — нт=кд/м2

Метрические приставки

Если число единиц конкретного измерения (т. е. значение) очень велико или очень мало, то можно использовать соглашение об использовании определенных символов (обозначений) перед основной единицей, причем каждый из этих символов имеет особое значение. Ниже приведены метрические приставки, принятые международным научным и промышленным сообществом, которые вы можете встретить не только в системах видеонаблюдения, но и в других областях техники:

Приставка — Коэффициент — Обозначение

экса — 1018Э

пета — 1015П

тера — 1012Т

гига — 109Г

мега — 106М

кило — 103к

гекто — 102 г

дека — 10 — да

единица — 100=1

деци — 10-1д

санти — 10-2с

милли — 10-3м

микро — 10-6мк

нано — 10-9н

пико — 10-12п

фемто — 10-15фм

атто — 10-18а

Используя эти приставки, мы можем сказать 2 км, имея в виду 2000 метров. А если мы говорим 1.44 Мбайт, мы думаем о 1440000 байт. (Прим. пер. 1.44 Мбайт = 1.44 х 1024 кбайт -1.44 х 1024 х 1024 байт =1.44 х 220 байт). Нанометр — это 0.000000001 метра. Частота 12 ГГц — это 12∙10 = 12 000 000 000 Гц и т. д.

Теперь, когда мы заложили фундамент технически корректной дискуссии, т. е. ввели основные единицы измерения, мы можем приступить к рассмотрению основ всего зримого, включая фотографию, кинематографию и телевидение — к свету.

2. Свет и телевидение

Да будет свет.

Немного истории

Свет — это одно из основных и величайших явлений природы, свет является не только необходимым условием жизни на планете, но и играет важную роль в техническом прогрессе и изобретениях в сфере визуальной коммуникации: фотографии, кинематографии, телевидении и недавно появившихся мультимедийных средствах.

Хотя явление это «базовое», и мы видим его все время и всюду, но в науке — это самый большой камень преткновения. Физика, которая в конце XIX века представляла собой довольно простую, непосредственную науку, стала сложной и мистической. Ученым в начале XX века пришлось ввести постулаты квантовой физики — «принципы неопределенности» и многое другое. И все это для того, чтобы получить теоретический аппарат, который объяснил бы множество экспериментов и, в то же время, имел бы разумный смысл.

В этой книге мы не намерены углубляться во все эти теории: мы обсудим только те вопросы, которые связаны с телевидением и передачей видеосигналов.

Основная «проблема», с которой сталкиваются ученые, изучающие свет, заключается в том, что свет имеет двойственную природу: он ведет себя как волна (нематериальная природа) — это явления рефракции и отражения — и обладает также свойствами материальной природы — широко известный фотоэффект, открытый Генрихом Герцем в XIX веке и объясненный Албертом Эйнштейном в 1905 г. Поэтому в последнее время в физике принято полагать, что свет имеет «двойственную» природу.

На этом этапе следует отдать должное, по крайней мере, нескольким самым крупным ученым-физикам, и, в частности, специалистам по теории видимого излучения, без работ которых современный уровень технологий был бы невозможен.

Одним из первых физиков, объяснивших многие природные явления, включая и свет, был Исаак Ньютон. В XVII веке он доказал, что свет имеет корпускулярную природу. И так считалось до Христиана Гюйгенса, который позже, но тоже в XVII веке, выдвинул волновую теорию света. Многие ученые глубоко уважали Ньютона и не изменили своих взглядов до самого начала XIX века, когда Томас Юнг продемонстрировал интерференцию света. Август Френель тоже проделал ряд убедительных экспериментов, четко демонстрирующих волновую природу света.

Важной вехой стало появление на научной сцене Джеймса Кларка Максвелла: в 1873 г. он доказал, что свет представляет собой высокочастотную электромагнитную волну.

С помощью его теории удалось оценить величину скорости света, как она известна нам сегодня: 300 000 км/сек. Эксперименты Генриха Герца подтвердили теорию Максвелла. Герц открыл явление, которое известно как фотоэффект: свет может выбивать электроны с освещаемой металлической поверхности. Однако ему не удавалось объяснить тот факт, что энергия испускания электронов не зависит от интенсивности света, что в свою очередь противоречило волновой теории. С точки зрения волновой теории, большая интенсивность света должна увеличивать энергию испускаемых электронов.

Этот камень преткновения удалось обойти Эйнштейну: он использовал разработанную Максом Планком теорию квантования энергии фотонов, представляющих минимальную порцию переносимой светом энергии. В рамках этой теории свет обрел свою двойственную природу, т. е. сочетание волновых и корпускулярных свойств.

Таким образом, эта теория наилучшим образом объясняет большинство световых явлений, и поэтому в CCTV (замкнутое, кабельное охранное телевидение или видеонаблюдение) мы будем использовать теорию «двойственного подхода».

При анализе линз, используемых в системах видеонаблюдения, мы будем в большинстве случаев опираться на волновую теорию света, но при этом не следует забывать и о том, что есть такие понятия, как функционирование ПЗС-матриц, например, отражающее корпускулярную природу света, т. е. его материальную природу. Поэтому в этих случаях мы будем использовать корпускулярный подход.

Естественно, что в реальности свет требует применения обоих подходов, и мы всегда должны помнить о том, что они не являются взаимоисключающими.

Основы теории света и глаз человека

Свет — это электромагнитное излучение. Человеческий глаз может реагировать на это излучение и различать частоты, которые воспринимаются глазом как цвет. Посмотрите на рис. 2.1 электромагнитное излучение включает все частоты, или длины волн. Видимый свет занимает лишь небольшое «окно» этого диапазона. Это окно лежит в диапазоне от 380 нм до 780 нм. Чтобы легче было запомнить, мы приближенно примем границы диапазона равными 400 нм и 700 нм. 400 нм соответствует фиолетовому цвету, а 700 нм — красному. По мере увеличения длины волны цвет непрерывно переходит от фиолетового к голубому, зеленому, желтому, оранжевому и красному. Для определения средней чувствительности человеческого глаза было проделано множество экспериментов и тестов, и, как видно из рисунка, не все цвета оказывают одинаковое воздействие на сетчатку глаза.

Рис. 2.1. Электромагнитный спектр и чувствительность человеческого глаза

Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Другими словами, если собрать все длины волн с равной энергией, то зеленый будет иметь наибольший «выход» на сетчатке. Частоты выше фиолетового (длины волн короче 400 нм) и ниже красного (длины более 700 нм) не воспринимаются «средним» человеческим глазом. Я подчеркиваю здесь «средним», потому что чувствительность человеческого глаза — это статистическая величина. Есть люди с «цветовой слепотой», чья спектральная чувствительность отличается (обычно уже) от показанной на рисунке. Некоторые люди с «цветовой слепотой» не видят красный цвет, другие не различают голубой. Натренированный профессиональный глаз художника или фотографа может развить очень высокую чувствительность, различая такие частоты (цвета), которые другим могут казаться одинаковыми. Некоторые могут даже выйти за минимальный и максимальный предел воспринимаемых частот, то есть различать темно-фиолетовый или красный цвет, невидимый для других индивидов.

Есть один интересный вопрос, который мы можем задать сами себе: почему максимум спектральной чувствительности лежит в зеленом цветовом диапазоне (около 555 нм)? Возможно, это связано с тем фактом, что большая часть солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, сконцентрирована на длинах волн порядка 555 нм.

В течение миллионов лет, когда проходила эволюция жизни на планете, у нас (и почти у всех животных) развивалось зрение, способное воспринимать те длины волн, которые были наиболее доступны (по крайней мере, в дневное время). Альтернативой является ночное зрение животных, которые охотятся на теплокровных млекопитающих. Тепло, излучаемое телом, — это и есть инфракрасная радиация. Вот типичные представители: змеи, кошки и совы. Некоторые змеи, к примеру, кроме глаз для общего зрения, обладают инфракрасно-чувствительными органами, при помощи которых змея может определить температурные изменения менее 0.5 °C (1° F). Кошки, в том числе и дикие — леопард, пума и другие члены семейства кошачьих, известны своим прекрасным ночным зрением, а это означает, что их реакция в ближнем инфракрасном диапазоне намного лучше, чем реакция человеческого глаза.

Мы остановимся на глазе человека, а для этого важно понимать его «конструкцию».

Эти вопросы и сами по себе интересны, но, кроме этого, мы найдем еще и массу концептуальных аналогий между устройством глаза и ТВ-камеры.

На рис. 2.2 мы видим глазную линзу (хрусталик), которая и фокусирует изображение на сетчатке.

Сетчатка — это на самом деле «фоточувствительная область», состоящая из миллионов клеток — колбочек и палочек. Эти клетки можно рассматривать как часть нашей нервной системы. Колбочки чувствительны к средней и яркой интенсивности света и воспринимают цвета. Палочки чувствительны к низким уровням света и не способны различать цвета. Ночью мы видим благодаря палочкам, поэтому в темноте мы не можем различать цвета.

Число колбочек в каждом глазе приблизительно составляет 10 млн., а палочек — около 100 млн. Колбочки сконцентрированы вокруг области прохождения оптической оси. Эта область окрашена желтым пигментом и называется желтым пятном. Желтое пятно является основной областью, которую обрабатывает наш мозг, и, хотя она очень мала, концентрация колбочек в ней составляет около 50 000. Среднее фокусное расстояние глаза (то есть расстояние между хрусталиком и сетчаткой при разглядывании бесконечно удаленного объекта) составляет около 17 мм. Такое фокусное расстояние дает резкое изображение в пространственном угле, равном примерно 30°. Это также и размер области, где больше всего колбочек. Именно поэтому угол в 30° считается стандартным углом зрения.

Концентрация колбочек возрастает по направлению к центру оптической оси, достигая максимума лишь на 10°. Каждая из клеток-кол бочек соединяется с мозгом отдельным зрительным нервом, по которому электрические импульсы посылаются в мозг. Конечно, глаз видит и под гораздо большим углом, так как сетчатка охватывает пространственный угол почти в 90°, и колбочки есть и вне желтого пятна, но к одному нерву в этом случае подсоединена группа колбочек. В этой области мы видим не так четко, как в области, где к каждой колбочке подсоединен отдельный нерв, поэтому эта часть сетчатки называется областью периферического зрения.

Рис. 2.2. Схема устройства глаза

Рис. 2.3. Аналогии между устройством глаза и камерой

«Секция обработки изображения» в головном мозге сконцентрирована на 30°, хотя видим мы лучше примерно на 10°. Обработка поддерживается постоянными движениями глаза во всех направлениях, что аналогично панорамной головке в видеонаблюдении.

В SLR-камерах (однообъективных зеркальных фотоаппаратах) стандартный угол зрения в 30° достигается при помощи 50-мм объектива, для 2/3" камеры — это 16-мм объектив, для 1/2" камеры — 12-мм и для 1/3" камеры — 8-мм объектив. Другими словами, изображения, полученные при помощи любого типа камер с соответствующими стандартными объективами, будут иметь довольно близкие размеры и перспективу, похожую на то, что мы видим своими глазами.

Объективы с меньшим фокусным расстоянием дают более широкий угол зрения и называются широкоугольными объективами. Объектив с большим фокусным расстоянием сужает угол зрения, и поэтому кажется, что он приближает удаленные объекты, отсюда и название: телеобъектив («теле» означает далекий). Еще один интересный вопрос, касающийся видеонаблюдения, связан с тем, что, зная фокусное расстояние глаза и максимальный диаметр раскрытия радужной оболочки, равный примерно 6 мм, мы можем найти эквивалентное F — число глаза (которое мы обсудим позже в этой книге):

Fглаза= 17/6 = 2.8

С полностью раскрытой радужной оболочкой мы можем довольно хорошо видеть в полнолуние (освещенность объектов равна примерно 0.1 люкса). Помните это число, когда будете сравнивать минимальные характеристики освещенности для разных камер.

Фокусировка, которую выполняет глаз, чтобы человек мог видеть объекты на различных расстояниях, достигается за счет изменения толщины хрусталика (линзы). Толщина хрусталика меняется цилиарными мышцами. Если глаз в порядке, он может фокусироваться от бесконечности до минимального расстояния, равного примерно 20 см в раннем детстве, 25 см — в возрасте 20 лет, 50 см — в 40 лет и 5 м — в 60 лет. Если мы смотрим на очень удаленный объект, то есть глаз фокусируется на бесконечность, цилиарные мышцы расслабляются, и линза становится тонкой.

Если же глаз не может фокусироваться на бесконечности, то такой дефект зрения называется близорукостью или миопией. В этом случае нужны очки, которые помогут «дефективной» глазной линзе сфокусировать изображение на сетчатке. Такие очки иногда называют уменьшающими очками, потому что они имеют отрицательный фокус (или диоптрии).

Диоптрия — это величина, обратная фокусному расстоянию линзы, где фокус выражен в метрах.

Уменьшающие очки имеют отрицательные диоптрии. Итак, «уменьшающие» очки в -0.5 диоптрий, например, имеют отрицательный фокус, равный 1/(-0.5) = -2 м.

Другой дефект глаза заключается в том, что глаз не может сфокусироваться на очень близком изображении, то есть глазная линза по тем или иным причинам не может стать достаточно толстой. Этот дефект называется дальнозоркостью или гиперметропией.

Людям с гиперметропией, чтобы разглядеть близкие предметы, требуются очки. Такие очки должны иметь характеристики, противоположные рассмотренным выше, то есть они должны увеличивать изображение и иметь положительный фокус (или диоптрии).

Когда мы смотрим на объект двумя глазами, то в мозг проецируется зрительный образ, создающий стереоскопический эффект, и мы воспринимаем объемность пространства. Если прикрыть один глаз, то будет очень трудно воспринимать «трехмерность» окружающего нас пространства.

Рис. 2.4. Как работает глаз

Рис. 2.5. Корректирование дефектов зрения при помощи очков

Расстояние между глазами (60–70 мм) обеспечивает наше восприятие трехмерного пространства вплоть до 10–15 метров. На более далеком расстоянии очень трудно судить, какой из двух предметов ближе. Вы можете провести такой эксперимент: посмотрите на два достаточно удаленных от вас, но удаленных на разные расстояния, находящиеся в воздухе объекта. Если мы смотрим, скажем, на два дерева, мозг делает заключение о расстоянии на основе земли и перспективы того, что находится перед нами, но перспективное «решение» в этом случае будет сделано не на основе «стереоскопического механизма» глаза.

Когда задумываешься о сложности строения глаза и мощности мозга при «обработке изображений», не перестаешь удивляться. Мы проделываем эти операции сотни раз на дню и даже не думаем об этом.

Не говоря уже о том, что изображение на сетчатке перевернуто, ведь такова природа оптической рефракции, и мы совершенно не замечаем мелких движений глаза, которые происходят во всех направлениях, когда мы смотрим на что-то. Все это расшифровывается и контролируется мозгом.

Конфигурация «глаз/мозг» намного совершеннее любой камеры, которую человек изобрел или изобретет в будущем. Но как люди техники, мы можем сказать, что понимание «работы» глаза и использование непрерывно усовершенствующихся визуальных технологий как на уровне технического, так и на уровне программного обеспечения, позволяет нам получать более совершенные изображения и более полную информацию об окружающем мире. Мы можем видеть вещи, недоступные человеческому глазу, и отслеживать объекты в таких местах, где человек не может находиться.

Рис. 2.6. Разрешающая способность человеческого глаза

Многочисленные эксперименты и тесты показали, что человеческий глаз может различить самое большее 5–6 пар линий на миллиметр. Этот показатель подразумевает оптимальное расстояние между глазом и объектом 30 см, то есть, когда мы, например, читаем достаточно мелкий текст. Это дает минимальный угол примерно в 1/60 градуса. Таким образом, это значение 1/60 градуса считается пределом угловой разрешающей способности для нормального зрения. Мы можем использовать угловую разрешающую способность глаза для лучшего понимания того, как человек воспринимает мелкие детали, что затем позволит нам применить наши теоретические познания на практике.

При расчете оптимальной дистанции между наблюдателем и монитором существует простая рекомендация, которая предписывает умножать высоту экрана монитора на семь. Подробнее о мониторах читайте в соответствующей главе этой книги. Вообще, необходимо понимать, что расстояние до монитора — это крайне важный аспект психофизиологического восприятия деталей в изображении. Человеку, который смотрит в монитор, совершенно не нужно находиться слишком близко к экрану, но и очень далеко от экрана располагаться зрителю тоже не стоит.

Световые единицы

Свет — это физическое явление, интерпретируемое психологическими процессами в нашем мозге. И поэтому его сложнее оценивать или измерять, чем любой другой физический процесс. Чтобы проделать объективные измерения, необходимы некоторые предварительно заданные условия.

Одно из них — это полоса рассматриваемых частот излучения, обычно лежащая в пределах от 400 нм до 700 нм. Все частоты вносят свой вклад в световую энергию, излучаемую источником.

Для начала давайте рассмотрим различные типы источников света.

Обычно их делят на две основные группы:

— первичные источники (солнце, уличное освещение, лампы накаливания, ЭЛТ-мониторы);

— вторичные источники (все объекты, которые не генерируют свет, а только отражают).

Для измерения количества света, излученного, например, лампой накаливания, и света, отраженного от объекта, мы применяем различные способы. И если мы анализируем свет, испускаемый источником во всех направлениях и в узком телесном угле, — то это совсем не одно и то же. Есть несколько причин того, почему мы используем различные единицы измерения света.

Наука, изучающая все эти аспекты, называется фотометрией, а соответствующие единицы измерения — фотометрическими единицами.

Различные ученые, в зависимости от своих взглядов, вводили различные единицы света. Поэтому возникают определенные трудности при попытке понять или описать характеристики телекамер. Но давайте все-таки попробуем пролить свет на эти вопросы и объяснить, что есть что. Начнем в логическом порядке, то есть вначале рассмотрим источники света, затем распространение света в пространстве, падение на объект и, наконец, отражение.

Сила света (/) характеризует световую энергию первичного источника, излучающего во всех направлениях. Единица измерения силы света — кандела (кд). Одна кандела примерно равна количеству световой энергии, испускаемой обычной свечой. В 1948 г. появилось более точное определение канделы: кандела — это сила света, излучаемая черным телом, нагретым до температуры перехода платины из жидкого в твердое состояние.

Световой поток (F) — это сила света в некотором телесном угле. И, следовательно, единица светового потока получается делением силы света на 4π радиан (в сфере 4π = 12.56 стерадиан) и измеряется в люменах (лм). Один люмен — это световой поток, испускаемый источником с силой света в 1 кд внутри единичного телесного угла (угла в 1 стерадиан).

Поскольку ощущение яркости зависит от чувствительности человеческого глаза, то световой поток зависит также и от длины волны. Например, свет мощностью в 1 ватт на 555 нм (зеленый цвет) дает световой поток приблизительно равный 680 лм, а все другие длины волн с такой же силой света дают меньший световой поток (см. кривую спектральной чувствительности глаза). Поэтому бессмысленно выражать энергию света в ваттах, несмотря на то, что теоретически световая энергия, как и любой другой вид энергии, может быть выражена в ваттах.

Освещенность (Е) — это наиболее часто используемый в видеонаблюдении термин, особенно при описании характеристик минимальной освещенности камер. Освещенность очень похожа на яркость, за исключением того, что в этом случае имеются в виду объекты, являющиеся вторичными источниками света.

Итак, освещенность поверхности — это величина светового потока, приходящегося на единицу площади.

Если световой поток в 1 люмен падает на поверхность площадью в 1 м2 (квадратный метр), он измеряется в люменах на квадратный метр или метр-свечах, более известных под названием люкс (лк). Это означает, что если у нас есть сфера радиусом 1 метр и источник света с силой света в 1 канделу, расположенный внутри сферы, то освещенность на внутренней поверхности сферы будет равна 1лк. Математически это соотношение может быть записано следующим образом:

E = Flux/Area = F/A [лк] (1)

Поток Fпо определению равен силе света, умноженной на телесный угол, то есть:

F = I∙ω [лм] (2)

Предполагая, что источник света является точечным, и, опираясь на формулы сферической тригонометрии, мы можем выразить ω через освещаемую площадь А и расстояние до источника d:

ω = A/d2[рад] (3)

Подставив (2) и (3) в (1), получаем:

E = I/d2 [лк] (4)

Это означает, что освещенность перпендикулярной площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Если же площадка расположена под некоторым углом к падающему свету, то мы можем оценить действительную поверхность, сделав проекцию на угол θ как на схеме на рис. 2.7. В этом случае формула (4) принимает вид:

E = I∙cos θ/d2 [лк] (5)

Типичные уровни освещенности приведены на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Некоторые типичные уровни освещенности

Очень редко, в малых областях пространства и при очень сильных источниках света могут обеспечиваться уровни освещенности выше 100 000 лк (например, вблизи сильной импульсной лампы).

Для описания таких освещенностей иногда используются другие, более крупные единицы — фоты.

Один фот равен 10 000 лк.

В американской терминологии, где все еще широко используется квадратный фут вместо единиц СИ, освещенность выражается в канделах на квадратный фут, или фут-свечах. Поскольку соотношение между квадратным метром и квадратным футом равно примерно 10 (или точнее 9.29), то довольно просто перевести люксы в фут-свечи и наоборот. Если освещенность задана в фут-свечах, достаточно разделить эту величину на 10, и вы получите приблизительное значение в люксах, а если значение задано в люксах, то, чтобы перевести его в фут-свечи, умножьте его на 10.

Термин Яркость (L) характеризует свечение поверхности первичного или вторичного источника света. Поскольку свечение имеет субъективный подтекст, то в качестве объективного, научного термина используется понятие «яркость». Яркость зависит от силы света самой поверхности и от угла наблюдения, поэтому рассчитывается на единицу перпендикулярной направлению взгляда площадки. Существует всего несколько единиц яркости. Предпочитаемся в мире метрическая единица яркости — это нит. Один нит равен одной канделе на квадратный метр спроектированной площадки (I/A). Если для измерения светового потока источника вместо кандел использовать люмены, то яркость будет выражена в апостильбах (асб). Все становится несколько более сложным, если мы имеем дело с поверхностью, на которую световой поток падает под углом θ к нормали (или отражается); в этом случае световой поток прямо пропорционален cosθ. Тогда со всех направлений будет казаться, что поверхность имеет одинаковую яркость, потому что и отраженный свет, и спроектированная поверхность подчиняются одним и тем же тригонометрическим законам. Такой тип поверхности называется ламбертовским радиатором или рефлектором (в зависимости от того, является ли поверхность первичным или вторичным источником света) и обычно описывается как равномерно рассеивающая поверхность. Для измерения яркости в этом случае в метрическую систему была введена еще одна единица — ламберт. Эквивалентная американская единица — фут-ламберт.

То, какова будет освещенность, воспринимаемая камерой, на самом деле зависит от силы света самого источника и от отражательной способности освещаемого объекта. Объект может быть черным или белым и, понятно, что это не одно и то же. Если объекты белые, то, естественно, при одном и том же количестве света мы сможем видеть больше. Поэтому, говоря об освещенности, необходимо ввести еще один фактор: коэффициент отражения, выраженный в процентах. Определение коэффициента отражения можно задать следующим простым соотношением:

р = отраженный от поверхности свет/падающий на поверхность свет = E/L [%] (6)

На практике эта величина меняется от очень низкого значения в 1 % для черного бархата, 32 % для обычной поверхности почвы до 93 % для чистого белого снега. Кожа человека европеоидной расы имеет коэффициент отражения от 19 до 35 %. Испытательная таблица CCTV Labs, которая напечатана на обложке этой книги, имеет коэффициент отражения около 60–70 %.

Этот фактор очень важен при определении минимальной освещенности камеры, так как при одинаковом уровне освещенности, но различных коэффициентах отражения, объекты будут иметь различную яркость, косвенно влияя на производительность камеры.

Измерение освещенности с помощью экспонометра

Очень часто нам необходимо измерить освещенность того или иного объекта. Для этого мы можем воспользоваться люксметром, который предназначен именно для таких измерений. Когда вы пользуетесь люксметром, то первое, на что следует обратить внимание, это его диапазон измерений. С помощью типичного люксметра вы можете проводить измерения освещенности не более 1 люкса (для большинства случаев этого вполне достаточно).

При низком уровне освещенности менее 1 люкса (в условиях ночной видимости) мы уже не сможем пользоваться таким люксметром, но вместо него можно взять более качественный и дорогой фотоэкспонометр. В продаже имеется несколько известных марок, таких, как Sekonic, Minolta и Gossen, и некоторые из них выдают результаты измерения сразу в люксах.

Впрочем, если у вас не оказалось под рукой люксметра, то можно обойтись и обычным зеркальным фотоаппаратом, а точнее — его встроенным экспонометром, хотя результаты измерений и не будут выражаться в люксах.

Это может оказаться очень удобным инструментом, поэтому далее я объясню принципы и формулы, по которым вы сможете перевести полученные результаты в люксы.

Стоит заметить, что большинство зеркальных фотоаппаратов имеют встроенный люксметр, тогда как в других типах фотоаппаратов его может и не оказаться. Поэтому если на вашем фотоаппарате нет никаких индикаторов для exposure and aperture, то для измерения освещенности он непригоден. Также следует напомнить, что для более аккуратных измерений логично использовать фотокамеру с таким же полем зрения, как и у предполагаемой телекамеры, для которой мы проводим измерения.

По этой причине лучше иметь трансфокатор, что позволит нам подобрать поле зрения примерно такое же, как и у предполагаемой телекамеры.

Для начала давайте немного освежим нашу память и вспомним некоторые общие принципы экспозиции фотографической пленки.

На всех фотоаппаратах индикаторы выдержки указывают время в секундах, а точнее сказать — в долях секунды. Таким образом, когда мы видим, что индикатор выдержки показывает число 125, это на самом деле означает, что установлена выдержка длительностью 1/125 секунды. Чтобы избежать путаницы при длительной выдержке, когда время указывается в секундах, после числа ставится буква «s», то есть «2 s» обозначает выдержку длительностью 2 секунды. Стандартным временем выдержки считаются следующие значения: 1; 2; 4; 8; 15; 30; 60; 125; 250. Все это, разумеется, доли секунды. Впрочем, существуют и модели фотоаппаратов, которые позволяют выставить выдержку более 1 секунды и менее 1/1000 секунды. Как вы уже, вероятно, заметили, значения выдержки выбраны таким образом, что каждое следующее значение примерно в два раза короче предыдущего.

Индикатор диафрагмы показывает значения в F-числах. Так число «5.6» обозначает F-5.6. Чем больше это число, тем меньше раскрыта диафрагма. Стандартными значениями здесь будут 1.0; 1.4; 2; 2.8; 4; 5.6; 8; 11; 16; 22; 32 и 44. Для каждого последующего F-числа раскрытие диафрагмы будет в два раза меньше, чем у предыдущего, то есть каждое последующее F-число будет пропускать в два раза меньше света, чем предыдущее в приведенной последовательности.

Для выбора правильной экспозиции в вашем фотоаппарате имеется экспонометр, который выставляет корректные значения выдержки и диафрагмы. В автоматическом режиме оба значения определяются автоматически. В режиме приоритета диафрагмы мы выбираем F-число, а электроника фотоаппарата рассчитывает и устанавливает длительность выдержки. И, наконец, в режиме приоритета выдержки все происходит наоборот. Здесь мы вручную выбираем длительность выдержки, а F-число устанавливается автоматически.

Имеются разные комбинации времени выдержки и F-числа, при которых, тем не менее, на пленку будет попадать равное количество света. Например, если на вашем фотоаппарате установлена комбинация 1/30 с и F-5.6, то на пленку попадет примерно такое же количество света, как и при комбинации 1/60 с и F-4. Конечно, в последнем случае у нас будет немного меньшая глубина резкости с меньшим F-числом, но в остальном пленка будет экспонирована корректно. Учитывая факт равенства количества света с разными комбинациями выдержки и F-числа, эксперты из области фотографии рекомендовали специальную таблицу экспозиционных чисел (EV, Exposure Value) для вычисления количества света, которое и измеряют экспонометры. Мы не будем вдаваться в подробности того, каким образом производятся измерения в фотоаппарате, так как это потребовало бы отдельной книги, но в общих чертах можно сказать, что существуют экспонометры интегральные, точечные, матричные и другие. В рамках данной книги нет смысла рассматривать их отличия, отметим лишь, что в большинстве фотоаппаратов используется как минимум интегральный экспонометр. Это вполне подходит для нашей сферы, так как в видеонаблюдении уровни освещенности могут быть определены только приблизительно.

Рис. 2.9. Индикация экспонометра в современном зеркальном фотоаппарате

Таблица 2.1. Перевод экспозиционного числа в люксы

В инструкции пользователя фотоаппарата обычно имеется таблица экспозиционных чисел, которая выглядит примерно так же, как и приведенная в нашей книге таблица.

В большинстве случаев таблица экспозиционных чисел относится к фотопленке (или к матрице, если у нас цифровой фотоаппарат) с чувствительностью 100 единиц ISO, а это достаточно стандартная фотопленка. По этой причине в наших дальнейших вычислениях мы будем считать, что в нашем фотоаппарате заряжена пленка именно с такой чувствительностью. Конечно, мы можем использовать пленку и с другой чувствительностью, но это потребует небольшой корректировки наших расчетов.

Таблицу экспозиционных чисел понять несложно.

Например, комбинация 1/30 с и F-5.6 дает экспозиционное число 10. То же самое число получится с комбинацией 1/60 с и F-4. Таблица экспозиционных чисел получается при суммировании порядковых номеров (Reference Numbers) для времени выдержки и F-чисел (RNt + RNf). Для удобства мы приводим и таблицу с порядковыми номерами выдержки и F-чисел. Например, в этой таблице длительности выдержки 1 секунда и диафрагме F-1.0 соответствует порядковый номер «О». Порядковый номер «1» соответствует длительности выдержки 1/2 секунды и диафрагме F-1.4, порядковый номер «2» — длительности выдержки 1/4 секунды и диафрагме F-2 и так далее по порядку.

Экспозиционные числа (EV) получаются сложением этих двух порядковых чисел. Например, экспозиционное число для комбинации выдержки 1/30 секунды и диафрагмы F-2.8 будет равно 8, так как порядковый номер для выдержки 1/30 секунды будет 5, а для диафрагмы F-2.8 это 3.

Приведу несколько простых формул (о них я уже писал в журнале «CCTV Фокус»), которые я вывел для приблизительного расчета порядковых номеров, если нет соответствующей таблицы под рукой:

RNf = 6.7∙lg(F — чиcло) (7)

F-число здесь соответствует тому, что нам выдает экспонометр фотоаппарата.

RNt = -3.32∙lg(t) (8)

t здесь соответствует реальной длительности выдержки, то есть если экспонометр нам показывает 125, то в формулу мы должны подставлять 1/125 секунды вместо t.

При желании можно подставлять и более привычное число 125 (назовем эту переменную «Т») вместо реальной длительности выдержки t, но тогда знак минуса перед логарифмом пропадает, и формула будет выглядеть так:

RNT = 3.32∙lg(T) (8a)

Не забудьте, что мы используем десятичные логарифмы.

Экспозиционное число (EV) вычисляется сложением двух полученных значений:

EV = RNf + RNt = 6.7∙lg(F — число) — 3.32∙lg(t) (9)

или, если мы используем Τ вместо t:

EV = RN1 + RNT (9а)

Рассмотрим, как это делается, на практике.

Допустим, в мой фотоаппарат заряжена пленка с чувствительностью 100 единиц ISO, а встроенный экспонометр показывает значение выдержки 1/250 секунды и диафрагмы — F-8. В этом случае порядковые номера для выдержки и диафрагмы и экспозиционное число считаются следующим образом:

EV = RN1 + RNt = 6.7∙lg(8) — 3.32∙lg(1/250) = 6.7∙0.9 + (-3.32)∙(2.398) = 6 + 8 = 14

(результат мы округляем).

Зависимость между экспозиционным числом и освещенностью описывается следующим уравнением:

Iлк = 2.5 ∙ 2(RNf — RNt) = 2.5∙2EV (10)

В правой части приведенного уравнения 2 возводится в степень экспозиционного числа (EV), полученное значение умножается на 2.5, и в результате мы получаем освещенность Ілк, выраженную в люксах. Например, если экспозиционное число фотокамеры будет 15, то соответствующая этому числу освещенность вычисляется как:

Iлк = 2.5∙215 = 81,192 лк

Конечно, в наших измерениях такая точность невозможна, так как мы не учитываем множество факторов, включая отражательную способность окружающих объектов, первичные источники света в поле зрения, которые сильно влияют на средний уровень освещенности, и т. д.

Поэтому полученный результат мы округляем до 82,000 лк.

Следует заметить, что «динамический диапазон» встроенных экспонометров может варьироваться в зависимости от модели фотоаппарата. Чем лучше фотоаппарат, тем шире диапазон его экспонометра. Также при применении наших инструкций по измерению чувствительности на практике не следует забывать о чувствительности фотопленки, которая должна быть 100 единиц ISO. Конечно, можно использовать фотопленку и с чувствительностью 200 единиц ISO, но при этом экспозиционное число будет сдвинуто на +1 значение, так как фотопленка 200 ISO в два раза чувствительнее фотопленки 100 ISO. Фотопленка 400 ISO в четыре раза чувствительнее фотопленки 100 ISO, и соответственно экспозиционное число будет сдвинуто на +2 значения. Например, если мы будем проводить наши измерения с фотопленкой 200 ISO и получим экспозиционное число 16, то это будет эквивалентно 15 с фотопленкой 100 ISO.

В заключение мы рассмотрим еще один практический пример.

Допустим, встроенный экспонометр моего фотоаппарата показывает выдержку 1/15 с и диафрагму F-2.8. В фотоаппарат заряжена фотопленка с чувствительностью 100 единиц ISO. В результате мы получаем экспозиционное число:

EV(F-2.8+1/15) = 6.7∙lg(2.8) — 3.32∙lg(1/15) = 3 + 4 = 7

Что даст нам освещенность

Iлк = 2.5∙27 = 320 лк

Чтобы перевести это значение в фут-канделы, нужно разделить его на 10, что даст нам приблизительно 32 фут-канделы.

Большинство из нас, вероятно, знают, что в солнечный день уровень освещенности составляет примерно 100,000 лк, в обычном офисе — примерно от 100 до 1000 лк, а лунной ночью — около 0.1 лк и т. д.

В яркий солнечный день мы получим экспозиционное число порядка 15–16, тогда как для видеонаблюдения ночью при нормальном уличном освещении экспозиционное число будет 3, что при переводе даст нам 20 лк.

Не забывайте об ограниченном диапазоне измерений экспозиционного числа. У большинства фотоаппаратов диапазон измерений экспозиционного числа лежит в интервале от 1 до 20. Это означает, что самый низкий уровень освещенности, который вы сможете измерить таким фотоаппаратом, равен 5 лк. Этого будет вполне достаточно при проектировании большинства систем видеонаблюдения, но если вам необходимо измерить и более низкие уровни освещенности, то я рекомендую приобрести профессиональный люксметр или фотоэкспонометр.

Вычисление количества света, падающего на фотоприемник

Чтобы как следует себе представить «световой вопрос» с точки зрения камеры, нам нужно знать, какое количество света действительно падает на фотоприемник.

Величина освещенности на ПЗС-матрице (ИС на ПЗС) (или лицевой панели) Епзс в первую очередь зависит от яркости объекта L, а также от F-числа, т. е. собирающей способности линзы. Чем ниже F-число, тем больше света проходит через объектив (ниже мы еще рассмотрим этот вопрос). Эта величина также пропорциональна коэффициенту пропускания объектива т. А именно, в зависимости от качества стекла и производителя, а также от механики внутренних поверхностей, определенный процент света теряется в самом объективе.

Все вышеупомянутые факторы можно представить следующим соотношением:

Епзс = L∙τ∙π/4∙F2) [лк] (11)

Ниже мы покажем, как выводится это соотношение, чтобы люди, используя эти формулы, могли четко понимать, что здесь предполагается, а что аппроксимируется (11). Но поскольку для этого требуются более сложные математические выкладки, то читатели, не испытывающие к этому интерес или не имеющие соответствующей базы, могут просто воспользоваться соотношением (11) как оно есть, помня при этом, что L — это средняя яркость объекта (в люксах), — это коэффициент пропускания объектива (в процентах), F— это F-число и равно 3.14.

Объект, находящийся в поле зрения камеры и освещенный источником света, испускает свет практически во всех направлениях, в зависимости от функции отражения. На практике объект с гладкими поверхностями в большинстве случаев может считаться ламбертовской равномерно рассеивающей поверхностью.

Тогда можно рассматривать поток, проходящий через полусферу радиуса r с центром ds. Пусть — это приращение угла θ к нормали, тогда поток в объеме, образованном вращением угла проходит через окружность на поверхности сферы, причем радиус окружности равен r dθ, длина — 2π∙r2∙sinθ∙dθ.

Рис. 2.10. Ламбертовская рассеивающая поверхность

Эта элементарная площадка на поверхности сферы задается следующим соотношением:

dA = 2π∙r2∙sinθ∙dθ (12) и тогда телесный угол ω, стягиваемый конусом в центре сферы, задается соотношением:

ω = dA/r2 = 2π∙r2∙sinθ∙dθ/r2 = 2π∙sinθ∙dθ [стерадиан] (13)

поскольку сила света на ламбертовской поверхности (поток в стерадиане) в заданном направлении пропорциональна косинусу угла к нормали, а сила света полной поверхности в направлении нормали равна I, то под углом θ она будет равна I∙cosθ

Сила света dI элементарной площадки ds равна:

dI = I∙cosθ∙ds /s [люмен/стерадиан = кандел] (14)

поскольку I/s это действительная освещенность L в перпендикулярном направлении, то вышеприведенное соотношение принимает вид:

dI = Lcosθ∙ds [кд] (15)

Элементарный поток dF равен элементарной силе света dI, помноженной на телесный угол:

dFLcosθ∙ds∙2π∙sinθ∙dθ [лм] (16)

Общий поток в конусе, образованном углом θ можно найти интегрированием от 0 до θ:

[лм] (17)

Если мы хотим найти полный световой поток, испускаемый во всех направлениях, то нужно положить угол θ равным 90°, тогда получим:

Ft L∙π∙ds [лм] (18)

Теперь, если нам надо сосчитать поток в телесном угле, меньшем 90°, как это происходит в случае, когда камера направлена на объект, общий поток Ft задается формулой:

F0 = π∙L∙ds0∙sin2θ0 [лм] (19)

Если коэффициент пропускания линзы равен τ, то поток, падающий на плоскость ПЗС (или лицевую панель), равен:

FПЗС = F0∙τ = τ∙π∙L∙ds0∙sin2θ0

Освещенность ПЗС-матрицы (или лицевой панели) будет равна потоку, деленному на площадь, т. е.

EПЗС = τ∙π∙L∙ds0∙sin2θ0/dsПЗС [лк] (21)

Рис. 2.11. Вычисление светового излучения с помощью ламбертовской рассеивающей поверхности

Отношение (dsПЗС/ds0), обратное которому использовалось в предыдущей формуле, известно как коэффициент увеличения объектива m. Коэффициент увеличения может быть также аппроксимирован как отношение между фокусным расстоянием линзы и расстоянием от линзы до объекта

m = (f/D)2 = dsПЗС/ds0 (22)

Когда мы произведем подстановку этих отношений в нашу основную формулу, то получим:

EПЗС = π∙τ∙L∙sin2θ0∙(D/f)2 [лк] (23)

Здесь потребуется ввести еще одно отношение, связанное с объективом (d/f), которое также известно как F-число объектива. Для объектов, которые расположены достаточно далеко от телекамеры (а это типично в большинстве случаев для систем видеонаблюдения) будет справедливо следующее:

tgθ0 = d/2D = sinθ0/cosθ0 = sinθ0 (24)

Рис. 2.12. Вычисление количества света, падающего на ПЗС-матрицу

Такое допущение имеет право на существование, потому что для очень больших расстояний до объекта угол θ0 будет крайне мал, а значение косинуса этого угла будет стремиться к 1.

Таким образом, мы можем заменить sin2θ0 на (d/2D)2, и наше уравнение примет следующий вид:

EПЗС = π∙τ∙L∙(d/2D)2∙(D/f)2 [лк] (25)

Это уравнение можно упростить:

EПЗС = π∙τ∙L∙(d2/4D2)∙(D2/f2) = π∙τ∙L∙(d2/4f2) (26)

И, наконец, это уравнение преобразуется в упрощенную формулу для расчета количества света, попадающего в фотоприемник:

EПЗС = π∙τ∙L∙(4F2) [лк] (27)

Это очень удобная и полезная формула для приблизительного расчета освещенности фотоприемника, поскольку в ней используется только две переменные (яркость объекта и F-число объектива). Впрочем, не следует забывать: формула эта приблизительная, ее следует использовать только для грубых расчетов и только в тех случаях, когда выполняются условия, справедливые для вышеупомянутых допущений, то есть телекамера должна быть направлена на объект, рассеивающий свет примерно так же, как ламбертовская рассеивающая поверхность (в реальности так ведут себя большинство объектов, кроме зеркал и им подобных поверхностей), а сам объект должен быть расположен достаточно далеко (по сравнению с фокусным расстоянием) от телекамеры. Обычно коэффициент пропускания объектива меняется в пределах от 0.75 до 0.95.

Если производитель его не указывает, то для вычислений можно принимать значение 0.8.

Давайте рассмотрим пример. Пусть освещенность плоскости объекта составляет около 300 лк, как примерно в любом помещении офиса (пусть это будет Eobject), яркость можно найти, используя коэффициент отражения окружающих объектов, т. е. L = Eobject·р. Как уже упоминалось выше, различные объекты имеют различные коэффициенты отражения, но мы не далеко уйдем от реальности, если примем его равным 50 % для условий офиса. Если диафрагма объектива установлена на F/16, то освещенность ПЗС-плоскости будет составлять приблизительно Епзс = 0.8–3.14 — 300∙0.5/(4 — 256) = 0.З блк. Это вместе с АРУ (AGC) камеры вполне реалистичная освещенность плоскости ПЗС-матрицы полного видеосигнала. Если же диафрагма объектива установлена на F/1.4, например, то освещенность ПЗС-плоскости будет равна примерно 48 лк (согласно соотношению (17)). Это значение гораздо выше необходимого для ПЗС-матрицы, и на практике она может дать узнаваемое изображение, только если используется автоустановка диафрагмы или если камера снабжена электронной встроенной (или ПЗС) диафрагмой. Если используется ручная установка F/1.4 и АРУ камеры отключена, 48 лк на чипе даст интенсивное или размытое белое изображение.

Базовое практическое правило заключается в том, что даже с низким F-числом объектив ослабляет свет в десятки раз. Чем выше F-число, тем ниже количество света, достигающего ПЗС-плоскости. Фактически оно обратно пропорционально квадрату F-числа.

Полученные результаты приводят нас к очень интересному вопросу, связанному с ПЗС-камерами (особенно ч/б): если освещенность объекта такая же, как в солнечный день (примерно 100 000 лк), то F-число должно быть очень велико. Это порядка 0.1–0.3 лк (или около того) для полного видеосигнала. Такое F-число действительно столь велико, что объектив должен ослаблять сигнал в 1 000 000 раз. Используя приближенную формулу (16) и предполагая такие же значения для τ = 0.8 и р = 0.5, а также имея в виду, что ПЗС-матрица камеры требует 0.2 лк на 1 Vpp сигнал, мы получим F-число, равное 886.

Это очень большое число для механических средств (листового затвора). Точность его движения ограничена, и, что еще более важно, при малых раскрытиях диафрагмы становится заметен нежелательный оптический эффект, называемый краевой рефракцией Френеля. На практике это означает, что очень высокие F-числа не могут быть достигнуты при использовании лишь механических методов. Поэтому используются специальные оптические фильтры нейтральной плотности (neutral density filter, ND), чтобы помочь затвору обеспечить высокие F-числа, требуемые для чувствительных ПЗС-матриц.

Для обеспечения полностью насыщенного сигнала в 1 Vpp на выходе камеры (с отключенной АРУ) в случае ч/б ПЗС-матриц Епзс должно быть около 0.1 лк. Некоторые производители приводят более низкие значения, ссылаясь обычно лишь на процент видеосигнала.

Цвет и телевидение

Цвет — очень важная и сложная проблема в видеонаблюдении. Хотя многие все еще предпочитают монохромные (ч/б) камеры, которые имеют более высокую чувствительность и реагируют на невидимый инфракрасный спектр, цветные камеры получают все более широкое распространение. За последние несколько лет, прошедшие со времени предыдущего издания книги, немало производителей стали предлагать так называемые камеры «день/ночь», которые автоматически переключаются в черно-белый режим, когда уровень освещенности падает ниже определенного значения.

Цвет дает ценную дополнительную информацию о наблюдаемых объектах. Но важнее то, что человеческий глаз фиксирует цветовую информацию быстрее, чем мелкие детали объекта. Впрочем, недостатком цветных телекамер были худшие (по сравнению с черно-белыми телекамерами) эксплуатационные показатели в условиях слабой освещенности. Это связано с использованием инфракрасного отсекающего фильтра на ПЗС-матрицах цветных телекамер, который ослабляет свет и убирает невидимое излучение инфракрасного диапазона. На этом мы остановимся более подробно в соответствующей главе, посвященной телекамерам, а сейчас отметим, что постоянное усовершенствование технологии ПЗС значительно улучшает работу цветной камеры при минимальном освещении. Если еще несколько лет назад мы имели показатель 10 лк @ F1.4, то сегодня могут «видеть» при 1 лк @ F1.4 на объекте и даже меньше.

Как уже говорилось, цвета, которые мы видим, соответствуют волнам света разной длины.

Например, видимый нами красный цвет — это излучение с соответствующими длинами волн, отраженное от красного объекта, на который падает белый свет. Черный поглощает волны почти любой длины, тогда как белый большинство из них отражает.

Наука цветов очень сложна, и становится еще сложнее, когда окружающие нас естественные цвета воспроизводятся при помощи покрытия ЭЛТ люминофором.

Идея создания цветов в телевизоре заключается в смешении путем сложения (аддитивном) соседних люминесцентных точек трех основных цветов. Эти крошечные точки очень малы и представляют собой элементы маски экрана ЭЛТ-монитора. Такая же концепция используется и при смешивании цветов в плазменных панелях и ЖК-мониторах, но, поскольку в видеонаблюдении по-прежнему наиболее распространены ЭЛТ-мониторы, мы детально рассмотрим именно их.

Фактическое смешивание цветов происходит тогда, когда мы смотрим на монитор с нормального расстояния (в пару метров), и глаз воспринимает итоговый цвет каждой из этих трех точек.

Для сравнения, в живописи и печати цвета получаются в результате смешения путем вычитания цветов (субстрактивного).

При аддитивном смешении цвет получается путем покрытия ЭЛТ люминофором, и сложение цветов делает итоговый цвет ярче. Поэтому, чтобы получился белый, должны присутствовать все три цвета в соответствующей пропорции. Получающиеся в результате цвета производятся путем сложения цветов.

Когда цвета смешиваются путем вычитания, мы используем бумагу или акриловое волокно в качестве вторичного источника света (отраженного), и цвета смешиваются в нашем глазу после того, как они отражаются от поверхности. Если мы смешиваем (путем сложения) все основные цвета, то получаем более темные цвета, а не более яркие. Цвета смешиваются отраженным светом, чей цвет определяется пигментом, который поглощает (вычитает) длину волны его поверхности.

Но вернемся к телевизору. В качестве основных, как уже упоминалось, используются три цвета: красный, зеленый и синий (RGB).

Рис. 2.13. Цветное изображение в телевидении создается при помощи тройных точек из кристаллического люминофора (RGB)

Теория телевидения и многочисленные эксперименты демонстрируют, что с помощью этих трех основных цветов можно передать большинство естественных цветов (но не все).

Очевидно, внутри цветной ЭЛТ имеются три разных люминесцентных слоя, каждый из которых излучает собственный цвет во время электронного облучения.

Три основных люминесцентных слоя имеют различные свойства яркости, то есть равная интенсивность пучка производит неравную яркость. Чтобы компенсировать эти несоответствия основных люминесцентных слоев, все цветные телевизоры и мониторы оснащены специальной матричной схемой, которая умножает каждый цветовой канал на соответствующее корректирующее число.

Это демонстрирует самое известное уравнение яркости цветного ТВ, которое с помощью электроники применяется к трем основным сигналам в ЭЛТ:

L = 0.3R + 0.59G + 0.11B (28)

Рис. 2.14. Теневая маска RGB

Синий люминофор производит больше света, чем другие два, и поэтому, чтобы уменьшить его яркость и уравнять с двумя другими элементами, его надо умножить на 0.11. В этой книге мы не будем слишком углубляться в теорию цветов в телевизоре, поскольку это тема отдельной книги, но читателю важно оценить сложность проблемы и понять, что все цвета в телевизоре получаются путем визуального аддитивного смешения (сложения) трех основных цветов люминофора ЭЛТ: красного, зеленого и синего.

Цветовая температура и источники света

В телевидении и фотографии, когда говорят об источниках света, пользуются термином «цветовая температура».

Цветовая температура — это температура, до которой нагрето воображаемое абсолютно черное тело, излучающее свет вследствие нагрева.

Согласно физической теории, спектр света, произведенного нагреванием, зависит главным образом от температуры тела, а не от материала. Это важнейшее утверждение было доказано Максом Планком, который вывел формулу, объясняющую взаимосвязь между максимальными длинами излучаемых волн и температурой, до которой нагрето тело:

λm = 2896/T (29)

Здесь λm  — длина волны, а Т — температура в градусах Кельвина.

Рис. 2.15. Типичный источник света 3200° К с вольфрамовой лампой, используемый при фотосъемках

Из диаграммы на рис. 2.16 видно, что максимальные значения различных температур находятся вне видимого спектра, то есть в инфракрасной области. Для нити накаливания из вольфрама рабочая цветовая температура приблизительно равна 2800° К, и больше чем 3/4 энергии излучается в инфракрасной области в виде теплового излучения. Тепло — это не что иное, как инфракрасный свет. Более высокую температуру для вольфрамовой лампы использовать нельзя, потому что точка плавления вольфрама равна примерно 3500° К. Увеличение температуры выше 2800° К значительно сократит срок службы вольфрамовой лампы. Чтобы минимизировать горение нити, в современных вольфрамовых лампах воздух из лампочки выкачивается.

Рис. 2.16. Спектральная характеристика черного тела при различных температурах

Вольфрамовые лампы годятся для ч/б камер, так как они более чувствительны к инфракрасной части спектра. Цветным камерам нужно обеспечивать компенсацию желтого/красноватого цвета, производимого источником света в 2800° К.

Для более точного тестирования камер очень часто используются источники света с цветовой температурой примерно 3200° К. Их можно приобрести в магазинах, торгующих профессиональной фототехникой. Имеется достаточно простое правило, которое позволит вам посчитать цветовую температуру и световой поток таких источников света:

— вольфрамовая лампа 500 Вт → 3200° К (примерно 27 люменов/Вт)

— вольфрамовая лампа 200 Вт →2980° К (примерно 17.5 люменов/Вт)

— вольфрамовая лампа 75 Вт → 2820° К (примерно 15.4 люмена/Вт)

В фотоаппаратах это компенсируется синими (дополнительный цвет) оптическими фильтрами, помещенными непосредственно на объектив, тогда как в электронных камерах это делается с помощью электроники: информация об основных цветах меняется до определенного процентного соотношения.

Большинство телекамер, которые используются для видеонаблюдения, имеют функцию «автоматический баланс белого» (automatic white balance, AWB). Это означает, что цветовая температура автоматически настраивается при включении телекамеры, когда она «увидит» достаточную область белого цвета. Более совершенные телекамеры умеют перенастраивать баланс белого «на лету».

Для этого не требуется выключения и повторного включения телекамеры. Такая функция обычно называется автоматическим отслеживанием баланса белого (automatic tracking white, ATW), и она особенно полезна в поворотных телекамерах, которые ведут наблюдение за большими площадями, где, например, могут быть зоны, освещенные как вольфрамовыми, так и неоновыми лампами.

Рис. 2.17. Стандартные источники света

Солнце, как естественный источник света, имеет очень высокую физическую температуру, но эквивалентная цветовая температура света, которую мы получаем на поверхности Земли, колеблется в зависимости от времени суток и погодных условий. Это происходит в результате отражения и преломления света в атмосфере. Как видно из рис. 2.19 «Цветовая температура для различных источников света», в ясный полдень цветовая температура достигает более 20000° К, тогда как в облачный день она понижается почти до 6000° К. Именно поэтому фотографии, снятые на закате, кажутся красноватыми.

Чем ниже цветовая температура, тем более красными будут снимки, и чем выше цветовая температура, тем больше будет синего цвета.

Искусственные источники света имеют различные цветовые температуры, в зависимости от источника. Вышеупомянутая формула (29) применима только к тепловым источникам, то есть к источникам света, в которых металл нагрет до высокой температуры. Однако существуют и газовые источники света, в которых происхождение света имеет другой характер. Например, свечение неона или паров ртути возникает под воздействием электромагнитного поля. Атомы возбуждаются энергией, достаточной для того, чтобы вызвать определенные реакции атома, и энергия высвобождается в форме света. Вследствие квантового поведения атомов этот свет имеет дискретный характер. Длины волн будут зависеть от используемого газа. Некоторые стеклянные электронные лампы, в которых используются такие газы, изнутри покрыты флуоресцентным порошком, который способен поглощать некоторые основные волны и затем восстанавливать непрерывный вторичный спектр видимого света.

Газовые источники света можно также описать их цветовой температурой, только в этом случае мы используем так называемую корреляционную цветовую температуру.

В целях получения контрольной точки и правильного воспроизведения цветов были определены стандартные источники белого света. На практике используется несколько определений (стандартов). Эти стандартные источники белого света обозначаются как А, В, С, D6500 и W.

Источник А — самый обычный стандарт, поскольку он представлен вольфрамовой лампой, которая для уменьшения горения нити заполняется газом. Именно поэтому большинство других, позднее разработанных, стандартов основано на источнике А.

Как уже упоминалось, при определенной температуре характеристики вольфрамовой лампы во многом совпадают с излучением абсолютно черного тела. Это означает, что спектр источника А, при определенной температуре, может быть представлен только одной характеристикой — температурой, равной температуре абсолютно черного тела. Если быть точными, реальная температура вольфрама и абсолютно черного тела, при которой их спектры считаются идентичными, не совсем одинакова. Абсолютно черное тело приблизительно на 50° К горячее. Характеристика спектра стандартного источника А определяется как цветовая температура 2854° К, тогда как реальная температура нити — приблизительно 2800° К. Однако это различие незначительно, и теоретическое приближение правомерно и принимается в качестве дескриптивного фактора для цветовой температуры таких источников.

Источник стандарта В излучает белый свет, аналогичный прямому солнечному полуденному свету.

Источник В можно получить, фильтруя свет из источника А через специальный светофильтр.

Точно так же, используя другой тип светофильтра, можно получить стандартный источник света С.

Как видно из диаграммы, характеристики источников В и С нельзя представить в виде цветовой температуры абсолютно черного тела. Однако если цвет абсолютно черного тела выглядит аналогично источнику В или С, мы пользуемся термином «корреляционная цветовая температура». Так, корреляционная температура источника В равна 4880° К, источника С — 6740° К.

В 1965 г. Международный комитет по свету (CIE) предложил новый стандартный источник света, который, предположительно, представлен средней цветовой температурой дневного света и обозначается как стандарт D. Рекомендуемая корреляционная цветовая температура для стандарта D равна 6500° К, поэтому данный стандарт обозначается D6500. Этот источник света нельзя получить посредством изменения источника А, но его спектральная характеристика приближается к некоторыми другим физическим источникам, как в случае соразмерного смешения трех люминесцентных слоев ЭЛТ цветного монитора. Говоря о системах видеонаблюдения, нам важно помнить этот факт, поскольку D6500 часто рекомендуется для цветных мониторов.

Рис. 2.18. Рассеяние спектральной энергии различных источников света

Рис. 2.19. Цветовая температура различных источников света

Наконец, существует еще один, фиктивный источник света с однородным распределением излучаемой энергии, которая внешне напоминает плоскую горизонтальную линию. Он используется только для вычислений и обозначается кодом W. Человеческий глаз легко приспосабливается к разнице цветовых температур, и наш мозг автоматически компенсирует цветовые вариации различных источников света. Светочувствительные слои пленки, ЭЛТ и ПЗС-матрицы несколько отличаются друг от друга. При использовании пленочных фотоаппаратов для корректировки цветовой температуры нужно пользоваться специальной пленкой или оптическими фильтрами. При работе с телекамерами компенсация производится при помощи электроники (вручную или автоматически).

Наконец, как уже упоминалось, необходимо учитывать цветовую температуру экрана монитора. Температура большинства ЭЛТ равна 6500° К, но некоторые могут иметь более высокую (9300° К) или низкую (5600° К) температуру.

Инерционность зрения и концепция кинофильмов

Говоря о системах видеонаблюдения, нам очень важно знать, как работает человеческий глаз, и как будет видно далее из текста, фактически мы используем аномалию человеческого глаза, чтобы «обмануть» мозг, заставив его думать, что мы смотрим «фильмы». Эта аномалия заключается в инерционности человеческого зрения. Инерционность — самый важный «дефект глаза», используемый в кинематографии и телевидении. Глаз не сразу реагирует на изменения интенсивности света. Происходит задержка в несколько миллисекунд, в течение которых мозг получает информацию относительно наблюдаемого объекта. Это отставание тем больше, чем лучше освещен объект.

Не все области сетчатки имеют одинаковую инерционность. Центральная область вокруг желтого пятна имеет большую инерционность. Инерционность зависит также от спектральных характеристик источника света, то есть от его цвета и яркости.

Все вышесказанное имеет большое значение для идеи кинофильма. Как видно из графика на рис. 2.20, инерционность зрительного восприятия очень сильно зависит от интенсивности света, или яркости той области, на которую мы смотрим. Чем ярче эта область, тем быстрее нужно менять картинки, чтобы мерцание не было заметно.

Рис. 2.20. Кривая инерционности зрительного восприятия.

В основе первых кинофильмов начала XX века, мультипликационных фильмов и даже «перекидных книжек», которыми мы играли в детстве, лежит концепция инерционности зрения. Когда расположенные в логической последовательности картинки мелькают у нас перед глазами со скоростью, равной инерционности зрения или превышающей ее, мы видим непрерывно движущуюся картинку, хотя она состоит из отдельных изображений.

Кинокамера записывает изображения со скоростью 24 кадра в секунду. Обычно этого достаточно для пленки, которая заряжается в проекторы с очень слабой интенсивностью света — подобно тем, какие использовались на заре существования кинематографа. Для большой аудитории необходимы более сильные проекторы большого размера и более яркие экраны (такие, которыми мы пользуемся сегодня). Поэтому необходимость увеличения первоначальной скорости 24 кадра в секунду очевидна.

С точки зрения фотографии, которая во многом совпадает с кинематографической, непрактично увеличивать частоту смены кадров в кинокамере больше 24 кадров в секунду, поскольку тогда придется сокращать время экспонирования каждого кадра пленки. Это возможно либо при условии более высокой чувствительности пленки, что приводит к увеличению ее зернистости, либо при увеличении отверстия диафрагмы объектива, в результате чего получаются не очень качественные снимки при более низком уровне освещенности, а также уменьшенной глубине резкости. Для кинематографистов ни одно из этих двух условий неприемлемо, поэтому был найден другой выход: увеличение частоты кинопроекции (а не записи) с 24 до 48 кадров. Просто, как все гениальное.

Это оказалось возможным благодаря так называемому затвору «Мальтийский крест», который представляет собой круговой лепесток диафрагмы, вырезанный в форме мальтийского креста. Он вращается перед проекционной лампочкой и не только блокирует свет, когда пленка движется от одного

— Система цветного ТВ PAL: 625 строк развертки / 50 чересстрочных изображений в секунду.

— Система цветного ТВ NTSC: 525 строк развертки / 60 чересстрочных изображений в секунду.

— Система цветного ТВ SECAM: 625 строк развертки (раньше было 819) / 50 чересстрочных изображений в секунду.

Хотя в этих системах число строк в кадре и кадров в секунду различно, с точки зрения создания кадров используется общая идея — кадр за кадром и строка за строкой разворачиваются на высокой скорости, и благодаря концепции инерционности зрения мы видим фильм. Система NTSC (525 строк и 30 кадров в сек.) распространена, главным образом, в Соединенных Штатах, Канаде, Гренландии, Мексике, на Кубе, Филиппинах, в Панаме, Японии, Пуэрто-Рико и большинстве стран Южной Америки. Стандарт NTSC был разработан в 1941 г., первоначально — для черно-белого (монохромного) телевидения. Система ТВ-передачи цвета впервые была осуществлена в США в 1953 г.

Больше половины стран в мире используют одну из двух систем с 625 строками и 25 кадрами: PAL (Phase Alternating Line) или SECAM (Sequential Couleur Avec Memoire или Sequential Color with Memory).

Стандарт PAL был представлен в начале 1960-х гг. и принят в большинстве европейских стран, Австралии, Новой Зеландии, Китае, Индии и во многих странах Африки и Ближнего Востока. Стандарт PAL использует более широкую полосу пропускания канала, чем система NTSC, что позволяет получать более качественную картинку. Кроме того, кодирование цвета в PAL разрабатывалось позднее NTSC и обеспечивает более точное воспроизведение цвета и обладает лучшей помехозащищенностью.

Стандарт SECAM также появился в начале 1960-х гг. и распространен во Франции и других странах Европы, включая страны бывшего СССР. Система SECAM использует ту же ширину полосы, что и PAL, но передает цветовую информацию последовательно. Дополнительные 100 строк в системах SECAM и PAL придают видеоизображению больше четкости и яркости, но смена всего 50 разверток в секунду (в сравнении с 60 развертками в NTSC) может оставлять на экране небольшое мерцание.

С появлением новых цифровых стандартов телевидения (DTV) стало возможным использование как чересстрочной, так и прогрессивной развертки. В этом случае они обычно обозначаются латинскими буквами «i» (чересстрочная развертка) или «р» (прогрессивная развертка). Так, например, сокращение «1080i» обозначает формат телевидения высокой четкости (HDTV) с форматом кадра 1920x1080 пикселов и чересстрочной разверткой.

3. Оптика в системах видеонаблюдения

Некоторые считают качество оптики в системах видеонаблюдения доказанным. С повышением разрешающей способности телекамер и с миниатюризацией ПЗС-матриц мы все ближе подходим к пределу разрешающей способности, определяемому оптикой, поэтому нам требуется знать несколько больше, чем среднему технику. В этой главе обсуждаются, опять же в упрощенном виде, наиболее общие оптические термины, концепции и устройства, используемые в системах видеонаблюдения.

Преломление

Самая первая и основная концепция, с которой следует ознакомиться, это концепция преломления и отражения.

Когда луч света, распространяющийся в воздухе или вакууме, попадает в плотную среду, вроде воды или стекла, его скорость снижается в η раз (η всегда больше 1); η называется показателем преломления. Различные среды (прозрачные для света) имеют различные показатели преломления. Например, скорость света в воздухе составляет 300000 км/с (и почти столько же в вакууме). А когда луч света проходит через стекло, показатель преломления которого равен 1.5, скорость уменьшается до 200000 км/с.

Согласно волновой теории света уменьшение скорости света отражается в уменьшении длины волны. Это явление представляет собой основу концепции преломления. Если луч света падает на поверхность стекла перпендикулярно, длина световой волны уменьшается, но когда луч покидает стекло, скорость восстанавливается до нормального значения, т. е. восстанавливается начальная «воздушная длина волны», и свет продолжает распространяться в том же направлении. Однако же, если луч света падает на поверхность стекла под любым другим углом, получаются интересные вещи: луч (в этом случае он рассматривается с точки зрения волновой природы света) имеет фронт, который не одновременно пересекает стекло (потому что падает под углом). Часть фронта, которая первой попадает в новую среду, «замедляется» первой. Конечным результатом становится преломление луча света, т. е. луч слегка отклоняется от первоначального направления. Величина отклонения зависит от оптической плотности среды.

Чем плотнее среда, т. е. чем выше показатель преломления, тем больше луч отклоняется от первоначального направления.

Существует очень простое соотношение между углами падения и отражения и показателями преломления двух различных сред. Это соотношение было открыто голландским физиком Виллеброр-дом Снелиусом в начале XVII века. Используя простые вычисления, мы можем определить углы отражения в различных средах. Мы рассмотрим это позже, при вычислении углов полного отражения и числовой апертуры в волоконной оптике.

На рис. 3.1 основы преломления пояснены графически; здесь предполагается, что на стекло падает монохроматический (одной частоты) луч света. На рисунке также показано, что определенный процент падающего света всегда отражается обратно в воздух (или вакуум), но в случае стекла этот процент очень мал.

Теория преломления и отражения будет использоваться в последующих разделах, когда мы будем рассматривать теорию линз и волоконной оптики.

Рис. 3.1. Рефракция света и закон Снелиуса

Линзы как оптические элементы

Есть два основных типа линз: выпуклые и вогнутые.

Линзы первого типа, выпуклые, имеют положительное фокусное расстояние, т. е. действительный фокус, и называются такие линзы увеличивающими, так как они увеличивают изображение объекта.

Линзы второго типа, вогнутые, имеют отрицательное фокусное расстояние, т. е. мнимый фокус, они уменьшают изображение объекта.

Каждая линза характеризуется следующими основными параметрами:

• оптическая плоскость (плоскость, проходящая через центр линзы);

• оптическая ось (ось, перпендикулярная оптической плоскости и проходящая через ее центр);

• фокус (точка пересечения лучей, падающих параллельно оптической оси);

• фокусное расстояние (расстояние между оптической плоскостью и фокусом в метрах);

• диоптрии (величина, обратная фокусному расстоянию, выраженному в метрах).

В зависимости от физических размеров и типа поверхности существует множество различных типов линз: плосковыпуклые, выпукло-вогнутые, плосковогнутые и т. д. Название типа многое говорит о физическом строении линз, при этом «плоско» означает, что одна из двух поверхностей линзы плоская.

Чтобы скорректировать различные искажения (аберрации), вызванные рядом факторов, приходится объединять различные типы линз.

В качестве примера, поясняющего необходимость коррекции, давайте рассмотрим солнечный луч, падающий на призму (рис. 3.5).

Нам всем знаком эффект радуги, возникающей на второй стороне призмы. Эффект возникает из-за того, что «белые» солнечные лучи содержат все длины волн (т. е. цвета), которые только может различать человеческий глаз. Поскольку все эти лучи входят в стекло призмы с показателем преломления п^^, то различные длины волн меняются в несколько разной степени (пропорционально их частоте), таким образом создавая радугу на второй стороне призмы. Это реальное разложение белого света. Красному цвету соответствует самая большая длина волны (низкая частота), и поэтому его преломление наименьшее. Фиолетовому цвету соответствуют самые короткие волны (наибольшая частота), и поэтому он больше всего преломляется.

Рис. 3.3. Выпуклая и вогнутая линзы

Аналогичный эффект возникает в изумительной радуге после дождя, когда происходит преломление и отражение солнечных лучей в капельках дождя.

Несмотря на впечатляющий эффект этого явления, оно нежелательно при создании линз.

Выпуклая линза может быть аппроксимирована большим количеством маленьких призм, прилегающих друг к другу и образующих мозаику. Понятно, что изображение, созданное такой линзой на основе дневного света (что происходит наиболее часто), будет разлагаться на основные цвета так же, как это происходит в случае разложения света призмой.

Это означает, что когда белые лучи падают на простую выпуклую линзу, то разным цветам будут соответствовать разные фокусные расстояния. Это нежелательный эффект, называется он цветовым искажением линзы или хроматической аберрацией.

Итак, следует четко понимать, что причины хроматической аберрации кроются не столько в недостатках изготовления линзы (хотя и это не исключено), сколько в физическом процессе разложения белого света на основные длины волн при прохождении света сквозь единичный элемент линзы.

Рис. 3.4. Различные оптические элементы

Рис. 3.5. Разложение белого света призмой

Хроматическая аберрация может быть минимизирована объединением выпуклых и вогнутых линз, при этом белый луч вначале разделяется выпуклой линзой на «дисперсную радугу», а затем «собирается обратно» вогнутой линзой благодаря обратному эффекту вогнутой линзы (относительно угла падения).

Если две линзы (выпуклая и вогнутая) тщательно подобраны (по толщине и фокусным точкам), то лучи всех цветов собираются в одном и том же фокусе. Этого можно достичь лишь благодаря тщательному подбору выпукло-вогнутых пар, сохраняющих требуемое фокусное расстояние, как у одноэлементной линзы. Для скрепления двух линз используется специальный прозрачный клей.

Мы привели здесь самый простой пример того, почему для создания линзы с определенным фокусным расстоянием требуются многочисленные оптические элементы.

Имеется множество других оптических искажений, не только хроматическая аберрация, но и геометрическая («подушкообразное» и «бочкообразное» искажения), сферическая и пр. Название само подсказывает, какой тип искажения накладывается на изображение. Эти искажения могут быть исправлены добавлением в систему дополнительных оптических элементов.

При проектировании линз оптикам приходится балансировать между максимально возможной коррекцией (чтобы получить изображение высокого качества) и минимальным числом оптических элементов (с целью экономии и технологической приемлемости).

Можете себе представить, сколько возможных комбинаций придется перебрать, если вы проектируете объектив с заданным фокусным расстоянием, состоящий из полудюжины (или более) различных оптических элементов. Раньше оптикам при проектировании линз с заданным фокусным расстоянием и размерами приходилось работать совместно с математиками и проделывать сотни и сотни вычислительных операций вручную. Физические размеры, фокусное расстояние, абсолютное и относительное расположение элементов — это все переменные. Единственный способ найти подходящую комбинацию для известного фокусного расстояния — это мучительно долгий итерационный процесс.

Рис. 3.6. Коррекция хроматической аберрации

Рис. 3.7. Система линз с диафрагмой

Очевидно, желаемым результатом было получение объектива хорошего качества с минимальным количеством оптических элементов. Поскольку задача эта довольно непростая, то производители регистрировали конкретную конструкцию объектива, выполненного по их «рецепту»: сколько линз использовано, чему равно фокусное расстояние, как расположены оптические элементы. Вот почему в кинематографии и фотографии мы все еще можем встретить линзы конкретных производителей, вроде «Planar», «Xenar». Такие имена — это запатентованные проекты объективов для конкретных размеров и фокусного расстояния.

Сегодня, в век компьютеров, существует множество профессиональных программ для оптического моделирования. Оптимальные результаты вы можете получить всего за несколько минут, при этом в систему будет включено лишь необходимое число оптических элементов, но достаточное для корректировки всех оптических искажений.

Вот почему объективы с определенным фокусным расстоянием (одинаковым углом зрения) имеют столь разные цены, размеры и качество изображения.

Качество объектива зависит от многих факторов и не стоит считать его гарантированным. Особенно важно это для вариообъективов, ведь при их проектировании так много переменных. Вариообъективы широко используются в наиболее крупных системах видеонаблюдения, так что при их выборе нужно быть очень внимательным.

Простых правил на этот счет не существует, и лучшее, что можно предложить — провести тестирование и сравнение.

Рис. 3.8. Типичная маркировка объектива для видеонаблюдения

Факторы, определяющие качество объективов, можно свести к ряду моментов:

1. Конструкция объектива:

• число элементов;

• взаимное расположение;

• коррекция аберрации на этапе проектирования.

2. Производство оптических элементов:

• тип стекла;

• технология и тип стеклопроизводства (нагревание, охлаждение, беспримесность);

• точность шлифовки и полировки (это очень важно);

• просветляющее покрытие стекла (микронное покрытие, минимизирующее потери, вызванные отражением).

3. Механическая конструкция объектива:

• фиксация положения объектива и стабильность (к ударам, температуре…);

• механические движущиеся части объектива (особенно, трансфокатор, фокусировка, лепестки диафрагмы);

• внутреннее отражение света (черное поглощающее покрытие);

• шестерни для объективов с сервоприводом (пластмасса, металл, точность).

4. Электроника (у автодиафрагм и объективов с сервоприводом):

• качество электроники автоматической диафрагмы (усиление, стабильность, точность);

• энергопотребление (для автоматической диафрагмы, как правило, низкое, но некоторые старые модели могут требовать больше, чем может дать телекамера, поскольку телекамера питает объектив с автодиафрагмой);

• схема трансфокатора и фокусировки (напряжение: 6 В, 9 В или 12 В, трех или четырехпроводный кабель управления).

Рис. 3.9. Механика вариообъектива

Рис. 3.10. Вариообъектив в разобранном виде

Геометрическое построение изображений

Изображения могут быть построены при помощи простых правил оптики и геометрии.

Как можно увидеть из рис. 3.11, для построения изображения объекта требуется, как минимум, два луча.

Рис. 3.11. Проекции изображений объектов, находящихся на различных расстояниях

При построении изображений следует придерживаться следующих трех правил:

• Объекты, находящиеся на различных расстояниях, на схеме должны одним концом касаться оптической оси.

• По определению, лучи, проходящие через центр линзы, не меняют своего направления, т. е. в центре линза ведет себя как плоскопараллельная стеклянная пластина, не вызывая преломления.

• По определению, лучи, параллельные оптической оси, проходят через фокус.

Вспомним теперь основную формулу линзы, которую мы используем при расчете количества света, падающего на ПЗС-матрицу:

1/D + 1/d = 1/f (30)

здесь D — расстояние от объекта до линзы, d — расстояние от линзы до изображения f — фокусное расстояние линзы.

Отметим, что d здесь относится к изображению не бесконечно удаленного объекта, и поэтому оно больше, чем 1; а в случае бесконечно удаленного объекта d будет равно 1.

Обратите, пожалуйста, внимание на изображения объектов, находящихся на различном расстоянии. Фокусировка линзы достигается за счет изменения расстояния между линзой и плоскостью изображения (где расположена ПЗС-матрица). Итак, проекция изображения совпадает с фокальной плоскостью только в том случае, когда линза сфокусирована на бесконечно удаленный объект. Во всех остальных случаях расстояние между линзой и изображением больше, чем фокусное расстояние линзы.

Следует также отметить, что (как упоминалось выше) на практике объектив состоит из нескольких оптических элементов. Следовательно, их можно представить эквивалентной одноэлементной линзой, расположенной в главной точке. Рис. 3.13 поясняет этот момент.

Объектив, образованный из нескольких оптических элементов (единичных тонких линз), имеет две главных точки — первую и вторую главные точки. Для тонкой линзы эти точки совпадают и расположены в центре линзы.

Плоскости, пересекающие эти главные точки и перпендикулярные оптической оси, называются главными плоскостями.

Рис. 3.12. Концепция фокусировки

Рис. 3.13. Основные точки и плоскости

Главные плоскости обладают следующими свойствами:

• Луч, падающий на первую главную плоскость (параллельно оптической оси), покинет вторую главную плоскость на той же высоте, распространяясь в направлении точки фокуса.

• Луч, падающий в направлении первой главной точки, покинет вторую главную точку под тем же углом.

• Фокусное расстояние такой линзы принимается равным расстоянию от второй главной плоскости до фокуса.

Пользуясь этими свойствами, можно построить геометрическое изображение таким же образом, как в случае линзы, состоящей из одного оптического элемента.

Следует отметить, что вторая главная точка может попасть за объективов с маленьким фокусным расстоянием. Чем меньше пределы системы линз — в случае фокусное расстояние, тем больше оптических элементов необходимо добавлять для коррекции различных искажений, что увеличивает стоимость объектива. С уменьшением формата ПЗС-матриц (от 2/3" до 1/2" и 1/3", a теперь и до 1/4". В настоящее время выпускаются телекамеры с ПЗС-матрицами 1/6". Прим. ред.) приходится производить объективы с более коротким фокусным расстоянием, чтобы сохранить тот же по ширине угол зрения.

Это, в свою очередь, вынудило промышленность уменьшить расстояние от фланца объектива до плоскости изображения, которое для «С» типа крепления равно 17.5 мм с тем, чтобы оптика стала проще, меньше, дешевле.

Новый формат расстояния равен 12.5 мм, и поскольку он меньше, он называется стандартом CS (S-small).

Рис. 3.14. Поперечное сечение объектива с ручной установкой диафрагмы

Рис. 3.15. Поперечное сечение объектива с ручной установкой диафрагмы

Асферические линзы

Как уже упоминалось выше, сферическая аберрация — это общий тип искажения, присущий большинству линз сферического типа. Линзы сферического типа наиболее распространены, поскольку изготавливаются они при помощи самых простых механических способов шлифовки и полировки, подчиняющихся сферическим законам. Полировка выполняется круговой машиной, в результате чего линза имеет сферическую форму. Можно показать, что кроме хроматической аберрации, присущей простому оптическому элементу («разложение на цвета» белого света), есть еще и сферическая аберрация, вызванная сферическим профилем линзы. Фокус не является в точности одной точкой.

На основе физических законов преломления можно показать (но мы не будем вдаваться в эти детали), что колоколоподобная линза (не сферическая) является идеальной для получения единой фокусной точки без сферических искажений. Поперечное сечение такой линзы представляет собой кривую, несколько отклоняющуюся от формы окружности и имеющую форму колокола.

Это продемонстрировано на рис. 3.16, и чтобы было понятнее — в преувеличенной форме. Такая линза называется асферической.

Рис. 3.16. Сферическая и асферическая линзы

Понятно, что такую форму трудно воспроизвести при помощи стандартных полировочных технологий, но, если все-таки обеспечить качественное изготовление, она даст ряд преимуществ в сравнении с традиционными сферическими линзами, включая больший раскрыв диафрагмы (что отражается в меньших значениях F-числа), больший угол зрения, более короткое минимальное расстояние до объекта, меньшее количество оптических элементов, так как приходится исправлять меньше аберраций (в результате объектив становится меньше и легче).

Однако такая технология дороже — из-за сложной техники полировки.

Оптические компании начали выпускать литые асферические линзы, избегая критического процесса шлифования. Этот процесс, правда, не обеспечивает стекла такого качества, как при обычном процессе, но позволяет сделать производство асферических объективов более экономичным.

Качество таких объективов еще нуждается в доказательствах, но они существуют и доступны на рынке оборудования для систем видеонаблюдения.

Рис. 3.17. Асферический объектив с автодиафрагмой

Частотно-контрастная характеристика и функция передачи модуляции

Что нам нужно от объектива — это резкое и четкое изображение, свободное от искажений.

Как уже упоминалось, объективы обладают ограниченной разрешающей способностью, и об этом особенно важно помнить, когда мы используем их в видеосистемах высокого разрешения.

Разрешающая способность связана со способностью линзы воспроизводить мелкие детали. Чтобы измерить эту способность, используется испытательная таблица, состоящая из черных и белых полосок с различной плотностью (пространственным периодом), обычно выражаемую в линиях на миллиметр (линий/мм). При подсчете разрешающей способности линзы (линий/мм) мы учитываем и белые, и черные линии.

Рис. 3.18. Частотно-контрастная характеристика — 4KX (CTF, contrast transfer function) и функция передачи модуляции — ФПМ (MTF, modulation transfer function)

Характеристика, демонстрирующая «отклик» линзы на различную величину плотности в линиях/мм, называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ).

С теоретической точки зрения лучше оценивать параметры линзы при непрерывном переходе от черного к бепому (в виде синусоиды), а не на полосках, которые резко переходят от черного к бепому. В особой мере это относится к объективам, используемым в телевидении, так как оптический сигнап в этом спучае преобразуется в эпектрический, который пегче описывается и оценивается при помощи синусоидапьных характеристик. Эта характеристика называется функцией передачи модуляции (ФПМ).

Однако на практике оказывается гораздо проще сделать тестовую таблицу с черно-белыми полосками, а не с синусоидапьным переходом от черного к бепому. ЧКХ и ФПМ — это не одно и то же, но при помощи ЧКХ гораздо проще измерить и с достаточно большой точностью можно описать обобщенные характеристики линзы.

Самая простая анапогия, которая поможет нам понять, что такое ФПМ, — это спектральный отклик аудиосистемы. В аудиосистеме мы рассматриваем уровень выхода (напряжение или звуковое давление) в зависимости от частоты аудиосигнала. В оптике мы депаем то же самое, только ФПМ выражается в виде зависимости контрастности (от 0 до 100 %) от пространственной ппотности (в пиниях/мм), как мы видели на рис. 3.18.

Различные объективы имеют различные ФПМ-характеристики в зависимости от качества стекла, оптической конструкции и применения. Например, фотографические объективы будут иметь лучшую ФПМ, чем объективы для видеонаблюдения. Причина проста: структура фотопленки может регистрировать более 120 линий/мм, и производителям приходится выпускать объективы более высокого качества, чтобы минимизировать ухудшение картинки при увеличении изображения на пленке до размеров постера.

ПЗС-матрицы имеют меньшую разрешающую способность, чем ту, которую обеспечивает кристаллическая структура пленки. С технической точки зрения нет никакой необходимости переходить на производство дорогих объективов намного большего разрешения, чем разрешающая способность ПЗС-матрицы. Однако с миниатюризацией ПЗС-матриц мы все ближе и ближе подходим к границам пленочного разрешения, так что в будущем потребуются объективы с улучшенными параметрами.

Например, черно-белая ПЗС-матрица формата 1/2" среднего разрешения имеет примерно 500 пиксел (элементов изображения) по горизонтали. Если мы учтем физическую ширину 6.4 мм ПЗС-матрицы формата 1/2", то придем к заключению, что максимальное возможное число вертикальных линий (черно-белых пар) равно (500:6.4):2 = 39 линий/мм. Это разрешение легко достигается большинством ТВ-объективов, так как оптическая технология может легко обеспечивать более 50 линий/мм. Но для черно-белой ПЗС-матрицы формата 1/3" с той же плотностью в 500 пикселов по горизонтали мы уже говорим о (500:4.4):2 = 57 линий/мм. Это значит что ПЗС-телекамера формата 1/3" требует объектива большего разрешения, чем телекамера формата 1/2".

Различные объективы имеют различные ФПМ-характеристики, и иногда на основе этих характеристик приходится решать, какой объектив следует использовать.

Рассмотрим пример, представленный на графике. Мы можем трактовать его следующим образом: ФПМ объектива А распространяется на область высоких пространственных частот, а это означает, что он может передать более мелкие детали, чем объектив В. Объектив В имеет лучший отклик на низких частотах. Если нам нужен объектив для получения высокой разрешающей способности, например, для пленки, то лучше выбрать объектив А, а для видеонаблюдения, где ПЗС-матрица не может различить более 50 линий/мм, лучше обойтись объективом В, с ним будет выше контраст.

Рис. 3.19. ФПМ-кривые для двух различных объективов

F и Τ числа

Кроме ФПМ и ЧКХ есть и другая важная характеристика объективов: F-число (F-number, F-stop). F-число характеризует яркость сформированного линзой изображения. Оно обычно нанесено на объективе в виде F/1.4 или иногда в другой форме 1:1.4 (Величина, обратная числу F, называется относительным отверстием, то есть, например, если F=1.4, то относительное отверстие 1:1.4. Однако на практике нередко относительным отверстием называют само число F, то есть в нашем примере, 1.4. Прим. ред.). F-число зависит от фокусного расстояния объектива и эффективного диаметра области, через которую проходят лучи света. Эта область может изменяться передвижением механических лепестков, которые мы обычно называем ирисовой диафрагмой.

Следует отметить, что эффективный диаметр объектива — это отнюдь не действительный диаметр объектива, а диаметр изображения диафрагмы, если смотреть на него с передней стороны объектива.

Первый диаметр обычно называется входным зрачком. А есть еще и выходной зрачок, как показано на рис. 3.21. Сама ирисовая диафрагма расположена между этими двумя зрачками и между двумя главными точками.

Чем меньше F-число, тем больше отверстие диафрагмы и тем больше света проходит через объектив. Минимальное F-число для данного объектива нанесено на самом объективе и характеризует способность объектива собирать свет.

Часто объективы с низким F-числом (F-stop) называются светосильными объективами или быстрыми объективами (faster lens). Это потому, что на заре фотографии пытались сократить время экспозиции пленки путем увеличения количества света (низкое F-число); это позволяло сделать снимок быстро и получить картинку без потери четкости, вызванной дрожанием камеры.

Допустим, 16 мм-объектив имеет минимальное F-число, равное 1.4, тогда это записывается так: 16 мм/1.4 или 16 мм 1:1.4. Максимальное эффективное отверстие диафрагмы эквивалентно кругу с диаметром 16/1.4 = 11.43 мм — эквивалентно потому, что лепестки диафрагмы образуют треугольное, квадратное, пятиугольное или шестиугольное отверстие.

Рис. 3.20. Положение и размер диафрагмы зависят от типа и конструкции объектива

Рис. 3.21. Определение положения диафрагмы

Чтобы понять, почему именно такова последовательность F-чисел, нам придется проделать ряд вычислений.

Начнем с предыдущего примера — рассмотрим объектив 16 мм/1.4 — и найдем площадь полностью открытого отверстия (т. е. при F/1.4):

A1.4 = (d/2)2∙π = (11.43/2)2∙π = 32.66∙3.14 = 102.5 мм2 (31)

Давайте теперь уменьшим эту площадь вдвое, т. е. пусть она будет равна 51.25 мм2, и подсчитаем диаметр отверстия диафрагмы:

Aх = (х/2)2∙π => х = 2∙SQRT(Aх/π) = 8 мм (32)

Где SQRT означает корень квадратный. Теперь F-число с 8-мм отверстием будет равно 16/8 = 2, т. е. F/2.

Здесь F/2 представляет площадь, равную половине площади, соответствующей F/1.4. Если мы продолжим действовать так же, то получим следующие знакомые числа: 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д.

Все эти числа стандартны для всех типов объективов, и смысл их таков: каждое большее F-число пропускает половину светового потока по сравнению с предыдущим F-числом.

Теперь становится намного понятнее, почему телекамера с объективом 16 мм/1.0 более чувствительна, чем та же телекамера с объективом 16 мм/1.4.

Для вариообъективов приведенные здесь F-числа относятся к отверстию диафрагмы на минимальном фокусном расстоянии вариообъектива. Очевидно, что при этом получается наилучшее «светособирающее число» для любого объектива. Для вариообъектива при установке наибольшего фокусного расстояния F-число всегда меньше, чем на минимальном фокусном расстоянии. Но было бы ошибкой предполагать линейную зависимость между F-числом и фокусным расстоянием. В частности, объектив 8-80 мм/1.4 обеспечивает эффектакого же отверстия при фокусном расстоянии 80 мм F-число, казалось бы, будет равно 80/5.7 = 14.

На самом деле это не так, поскольку многое будет зависеть от конструкции вариообъектива. Место расположения диафрагмы может перемещаться в зависимости от движения частей вариообъектива, подчиняясь нелинейному закону. В большинстве случаев на больших фокусных расстояниях F-числа будут значительно лучше (меньше), чем будет получаться, если пользоваться вышеприведенными расчетами, но они всегда будут хуже, чем на малых фокусных расстояниях.

Объективно говоря, каждый участок стекла, независимо от его качества, привносит свой вклад в потери света. Эти потери могут составлять очень маленький процент от общей световой энергии, но если мы хотим получить точные характеристики объектива, то их тоже нужно учитывать. Характеристикой уровня пропускания света объективом является коэффициент пропускания, который всегда меньше 100 %.

Поэтому многие профессионалы предпочитают использовать не F-числа, аТ-числа. В определении Т-числа учитывается и F-число, и пропускание объектива:

Т-число = 10·F-число/SQRT(Пропускание) (33)

Поскольку пропускание объектива, как уже упоминалось, всегда меньше 100 % (обычно от 95 % до 99 %), то очевидно, что Т-число будет несколько больше, чем F-число.

Рис. 3.22. Вариообъективы становятся все более популярными

Глубина резкости

Теоретически при фокусировке на объект вся плоскость, проходящая через объект и перпендикулярная оптической оси, должна быть в фокусе.

Практически, объекты, находящиеся немного впереди и позади объекта в фокусе, тоже будут резкими. Эта «дополнительная» ширина зоны резкости и называется глубиной резкости.

Большая глубина резкости может быть нежелательной характеристикой, как, например, в фотографии, когда мы хотим, чтобы фотографируемый объект был отделен от переднего или заднего плана. Это очень характерно для портретной съемки телеобъективом, у которого глубина резкости невелика.

В системах видеонаблюдения, однако, часто требуется противоположный эффект. Мы хотим, чтобы как можно больше объектов было в фокусе, независимо от того, где в действительности расположена фокальная плоскость.

Глубина резкости зависит от фокусного расстояния объектива, F-числа и формата объектива (2/3", 1/2" и т. д.). Общее правило заключается в следующем: чем меньше фокусное расстояние, тем больше глубина резкости; чем больше значение числа F, тем больше глубина резкости, и чем меньше формат объектива, тем больше глубина резкости.

Эффект глубины резкости объясняется так называемым допустимым пятном рассеяния.

Рис. 3.23. Глубина резкости при различных значениях числа F Например, если объектив 16 мм/1.4 имеет пропускание 96 %, то Т-число будет равно 1.43.

Рис. 3.24. Объяснение глубины резкости

Допустимое пятно рассеяния — это пятно проекции зоны резкости. Если наименьший элемент изображения (пиксел) ПЗС-матрицы равен или больше допустимого пятна рассеяния, то, понятно, мы не сможем увидеть детали, меньшие этого пятна. Другими словами, все объекты и их детали, в пределах пятна, будут выглядеть одинаково резкими, так как это реальный размер пиксела. Отсюда понятно, что размер допустимого пятна рассеяния для телекамеры определяется размерами пиксела ПЗС-матрицы, другими словами, разрешающей способностью ПЗС-матрицы.

Теперь мы можем понять, почему некоторые короткофокусные объективы, используемые в системах видеонаблюдения (например, 2.6 мм или 3.5 мм), вообще не имеют фокусировочного кольца, а только регулировку диафрагмы. Это потому, что даже при наименьших для данного объектива F-числах (будь то 1.4 или 1.8), глубина резкости столь велика, что объектив действительно дает резкие изображения с практически любого расстояния: от нескольких сантиметров до бесконечности. Здесь действительно нет необходимости в фокусировке.

Как будет объяснено позже в этой книге, глубина резкости — это эффект, о котором мы ни в коем случае не должны забывать, особенно при регулировке так называемого заднего фокуса (back-focus). Если задний фокус не настроен должным образом, и телекамера установлена при дневном свете (т. е. автодиафрагма объектива максимально прикрывает отверстие от избыточного света), глубина резкости обеспечит резкость даже в тех областях, которые на самом деле не в фокусе.

Практический опыт показывает, что глубина резкости в таком случае (когда задний фокус настроен некорректно) — это самый большой источник разочарования при 24-часовом функционировании системы. Причины становятся очевидны ночью, когда отверстие диафрагмы раскрывается из-за низкого уровня освещенности (при условии нормального функционирования автодиафрагмы), глубина резкости снижается, и получаются несфокусированные изображения, несмотря на то, что днем они были в фокусе. Не понимая причин этой проблемы, оператор жалуется специалистам, установившим или обслуживающим систему, но они обычно наносят визит в дневное время. Понятно, что днем благодаря большой глубине резкости никаких проблем не будет, а вот ночью опять проявятся «необъяснимые» эффекты.

Рис. 3.25. Фотографии с низким и высоким значением числа F (объектив сфокусирован на центральный объект)

Мораль отсюда такова: регулировка заднего фокуса (это мы тоже обсудим позже) должна быть проведена при полном раскрытии диафрагмы. Самый простой способ получить максимальное отверстие — настраивать при малом уровне света, что доступно вечером (или ночью), или можно искусственно снизить количество дневного света при помощи внешнего фильтра нейтральной плотности (ND) (обычно его помещают перед объективом). Все это делается ради того, чтобы уменьшить глубину резкости и таким образом сделать регулировку заднего фокуса проще и точнее.

Довольно часто при использовании черно-белых телекамер с инфракрасным светом возникает другой эффект. Из-за того, что инфракрасный свет имеет довольно большую длину волны (по сравнению с обычным светом) и меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного изображения размещается немного позади плоскости ПЗС-матрицы. Для дальнейшего пояснения феномена сошлемся на раздел разложение света призмой. Если днем изображение резкое, то в ночное время объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. Это довольно заметный и нежелательный эффект. Чтобы минимизировать его, необходим специальный объектив с компенсацией инфракрасного света (некоторые производители для этой цели выпускают специальные стеклянные линзы). Однако, вот более практичное и общее решение: настроить задний фокус объектива телекамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а объекты — в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете.

Фильтры нейтральной плотности

Выше, обсуждая F-числа, мы упоминали ряд F-чисел: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д. Этот список можно продолжить: 44, 64, 88, 128 и т. д. Чем выше F-число, тем меньше отверстие диафрагмы, мы уже говорили об этом.

Для фотографической или кинопленки F/32 — это довольно большое число. Чувствительность эмульсии пленки такова, что даже в солнечный день такое F-число в совокупности с доступной скоростью затвора достаточно для компенсации избыточного света.

Чувствительность пленки измеряется в единицах ISO, а обычно используемая в повседневных целях пленка имеет чувствительность 100 единиц ISO.

ПЗС-матрицы гораздо более чувствительны, чем пленка в 100 единиц ISO, особенно черно-белые матрицы. Зная уровень света, F-число и скорость затвора фотокамеры, типичное время экспозиции ПЗС-телекамеры (1/50 с для CCIR) и установку диафрагмы, мы можем посчитать чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы — она близка к значению в 100 000 единиц ISO. Это довольно высокая чувствительность.

Рис. 3.26. Встроенный в объектив нейтрально-серый фильтр

В переводе на обычный язык это означает, что ПЗС-матрица настолько чувствительна, что низкий уровень света не будет проблемой (хотя Вы могли не раз слышать от потребителей: «Насколько чувствительна ваша телекамера?»), а проблемой скорее будет сильный свет.

Поскольку телекамеры имеют только одно время экспозиции, 1/50 секунды в CCIR и SECAM и 1/60 секунды в NTSC (не учитывая электронный затвор ПЗС-телекамер), то в целях уменьшения количества света мы можем манипулировать только F-числом.

Для формирования полного видеосигнала на черно-белой ПЗС-матрице средней чувствительности требуется 0.1 лк. Ясный солнечный день на пляже или снег дает больше 100 000 лк на объекте.

Чтобы снизить эту величину до 0.1 лк требуется использование очень больших значений F-числа (порядка F/1200). Опираясь на основное определение F-числа для среднего объектива 16 мм/1.4, мы получим, что F/1200 соответствует эффективному отверстию диафрагмы в 16/1200=0.013 мм.

Механическими способами такого маленького отверстия с требуемой точностью достичь невозможно, а кроме этого мы столкнемся с новыми проблемами — краевой дифракцией света (известной как эффект Френеля), что весьма ухудшит качество изображения.

Решение было найдено в использовании внутренних фильтров нейтральной плотности.

Это очень тонкая пленка с круговым покрытием нейтрального цвета, размещаемая посередине объектива, близко к плоскости диафрагмы. Фильтр делается менее прозрачными по направлению к середине концентрических колец. Нужное F-число, таким образом, достигается путем комбинации средств механической диафрагмы (положение лепестков) и оптического нейтрально-серого фильтра (оптическое ослабление). Это очень простой и эффективный способ борьбы с сильным светом.

Фильтры называются нейтральными, потому что они ослабляют все длины волн (цвета) равномерно, таким образом не меняя световой композиции изображения.

Рис. 3.27. ND-фильтр в объективе с автодиафрагмой

Следует отметить, что очень важна оптическая точность таких тонких пленок, так как при увеличении F-числа должны сохраняться ФПМ-характеристики объектива. Теоретически, разрешающая способность любого объектива максимальна в середине диапазона установок механической диафрагмы и уменьшается по мере увеличения или уменьшения F-числа (это отличается от эффекта глубины резкости), но нейтрально-серый фильтр может его еще более снизить. Будет это заметно, либо нет, зависит от общих качеств объектива.

Кроме внутренних фильтров существуют и внешние нейтрально-серые фильтры, которые выполнены более просто. Это полупрозрачные стеклянные пластинки или, по-другому, оптические фильтры, ослабляющие свет в х раз. Ослабление может быть в 10000 или 1000 раз. Можно комбинировать два или три фильтра, так, например, 10 и 1000 вместе дадут фильтр с ослаблением в 10 000 раз.

Иногда, и, пожалуй, это более корректно, ослабление внешним нейтрально-серым фильтром выражается в F-числах. Зная, что каждое следующее диафрагменное число уменьшит светособирающую силу в два раза (50 % от предыдущего значения), мы можем построить следующую логическую цепочку: 100-кратный фильтр соответствует «полпути» между 26 и 27 (26 = 64, 27 = 128). Это означает, что ослабление в 100 раз — это примерно 6.5 F-чисел. Ослабление в 1000 раз — это примерно 210 или порядка 10 F-чисел.

Этот тип фильтров, как уже говорилось, очень удобен для минимизации глубины резкости при регулировке заднего фокуса или настройке уровня автодиафрагмы в дневное время.

Объективы с ручной диафрагмой, автодиафрагмой и диафрагмой с сервоуправлением

Некоторые объективы имеют диафрагму с ручным управлением. Такие объективы обычно используются в помещениях с постоянным уровнем освещенности: торговых центрах, подземных гаражах, библиотеках и пр. Обычно это помещения, где естественный свет не оказывает заметного влияния на основную освещенность наблюдаемой зоны, и, следовательно, мы имеем почти постоянную величину освещенности, создаваемую искусственным светом. Небольшие случайные вариации освещенности компенсируются автоматической регулировкой усиления телекамеры.

С появлением ПЗС-телекамер с электронным затвором объективы с фиксированной диафрагмой используются и в зонах с переменной освещенностью, так как электронный затвор автоматически выбирает время экспозиции, компенсируя вариации света.

Есть два основных фактора, определяющих F-число объектива с ручной установкой диафрагмы для его оптимального функционирования:

• Интенсивность света.

• Глубина резкости.

Они противоречат друг другу, и вот почему ручная установка диафрагмы всегда является компромиссом. Если делать установку в условиях очень низкого уровня освещенности или если телекамера имеет низкую чувствительность, общая тенденция сводится к максимальному раскрыву отверстия диафрагмы (низкое F-число). Очевидно, что в этом случае глубина резкости и ФПМ, как выше объяснялось, будут минимальны. Не следует забывать, что разрешающая способность объектива на самых малых F-числах обычно самая низкая, не говоря уж о глубине резкости. Компромисс — это наилучшее решение (если позволяет минимальная освещенность телекамеры), и объектив устанавливается на одно или два значения F-числа выше наименьшего возможного, т. е. F/2 или F/2.8.

Объективы с автодиафрагмой снабжены электронной схемой, которая обрабатывает выходной видеосигнал телекамеры и решает, исходя из уровня видеосигнала, нужно ли открывать или закрывать отверстие диафрагмы.

Рис. 3.28. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и ручной установкой диафрагмы

Рис. 3.29. Типичная схема подключения объектива с автодиафрагмой, управляемой видеосигналом

Автодиафрагма работает по принципу автоматической электронно-оптической обратной связи. Если уровень видеосигнала низкий, электроника сообщает диафрагме, что необходимо раскрыть отверстие, а если слишком высок, то — прикрыть.

Для работы в таком режиме с телекамеры на объектив с автодиафрагмой поступает питающее напряжение (обычно 9 В постоянного тока), а также видеосигнал (кроме того, между объективом и телекамерой должен быть третий провод (называемый нулевым, отрицательным или общим)). Нередко объективы имеют экранированный кабель, что нужно для защиты видеосигнала от сильных внешних электромагнитных помех. Экранирующий провод не обязательно подсоединять к самой телекамере, так как соединение уже существует — через металлическое кольцо объектива при насадке его на телекамеру. Нежелательные наводки в видеосигнале можно снизить, делая этот кабель насколько возможно более коротким. Это соответствует тенденции уменьшения размеров телекамер. Но при этом следует помнить о пластиковых C/CS-адаптерах, которые изолируют объектив от корпуса телекамеры.

Обычно приняты следующие коды цветов проводов для объективов с автодиафрагмой:

— Черный — общий.

— Красный — питание (от телекамеры).

— Белый — видео.

Рис. 3.30. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и автодиафрагмой «ССTV Фокус»

Некоторые производители для снижения производственных затрат начали использовать двухпроводные кабели для объективов с автодиафрагмой (красный — питание, белый — видео) с экранирующей оплеткой, которая используется в качестве общего провода.

Часто встречаются объективы с четырьмя кабелями, где четвертый провод — зеленый. В большинстве случаев этот провод не используется, но в некоторых объективах он обеспечивает дистанционное управление диафрагмой, известное как сервоуправление. В этом случае диафрагма открывается и закрывается напряжением с пульта управления (контролируемого оператором), примерно также, как управляются трансфокатор и фокусировка.

Последний тип объективов предпочтителен для систем с телекамерами с электронным затвором.

Причина состоит в том, что электронный затвор и автодиафрагма вместе работают не очень хорошо. Если включены обе функции, то электронный затвор отрабатывает быстрее и к тому времени, когда механическая автодиафрагма отреагирует на изменение света, электронный затвор уже уменьшит время накопления заряда, вынуждая автодиафрагму больше раскрыть отверстие. В конце концов мы получим слишком большое отверстие диафрагмы и очень короткую электронную выдержку. В результате мы получим выходной сигнал размахом 1 Vpp такой же, как и ожидалось, но глубина резкости будет минимальной, а вертикальный ореол более заметным — из-за слишком кратковременного экспонирования ПЗС-матрицы.

Вследствие этого при использовании объективов с автодиафрагмой электронный затвор рекомендуется отключать. Тем не менее, электронный затвор отрабатывает быстрее и он более надежен, так как не содержит движущихся частей (только электронику), но он не изменяет глубину резкости.

Итак, чтобы воспользоваться обоими преимуществами, для телекамер с электронным затвором рекомендуется использовать объективы с диафрагмой, управляемой сервоприводом. Ясно, что это возможно только в том случае, если используется блок управления диафрагмой. В таких системах оператор может настроить диафрагму в соответствии с уровнем света и требуемой глубиной резкости, но только если имеют место значительные изменения освещенности.

Потребление тока схемой автодиафрагмы обычно меньше 30 мА и не представляет собой сколь-либо заметную нагрузку на блок питания телекамеры. Но следует помнить, как уже упоминалось выше, что старые объективы (особенно объективы с большим коэффициентом трансфокации) могут требовать большего тока управления, и в этом случае (если выходной ток телекамеры недостаточен) для электроники автодиафрагмы следует использовать отдельный 9 В источник постоянного тока.

Объективы с автодиафрагмой, управляемые видеосигналом и сигналом постоянного тока

Классификация объективов с автодиафрагмой с точки зрения обрабатывающей схемы несколько сбивает с толку. В частности, кроме «нормальных», наиболее часто встречающихся объективов, с автодиафрагмой, у которых электроника встроена в сам объектив и которые мы называем объективами с автодиафрагмой, управляемой видеосигналом (так как им необходим видеосигнал от телекамеры), есть еще и так называемые объективы с автодиафрагмой, управляемой сигналом постоянного тока (DC). Такие объективы во всем похожи на управляемые «по видео», за исключением одного: обрабатывающая электроника находится не внутри объектива, а внутри телекамеры. Объектив в этом случае имеет лишь микродвигатель и механизм диафрагмы.

Понятно, если используется управляемый током объектив, телекамера должна иметь соответствующий выход. Вместо проводов «питание», «видео» и «общий», у нас будут: «питание», «уровень сигнала постоянного тока» и «общий». Часто такие типы объективов называются гальванометрическими объективами с автодиафрагмой.

Объектив, управляемый сигналом постоянного тока, не может быть использован с телекамерой, не имеющей соответствующего разъема, и наоборот. Если телекамера имеет разъем для автодиафрагмы DC, то регулировки «уровень» (level) и «автоматическая регулировка освещенности» (ALC) расположены на самой камере, а не на объективе (об этом мы поговорим в следующем параграфе).

Объективы с автодиафрагмой как с фиксированным фокусным расстоянием, так и с переменным, имеют два переменных резистора для регулировки отклика и типа функционирования: Level и ALC (Уровень и Автоматическая компенсация освещенности). Это относится и к DC-управляемым объективам, только в этом случае, как упоминалось выше, регулировки находятся на телекамере.

Регулировка Level позволяет изменять открытие диафрагмы по среднему уровню видеосигнала.

Level еще называют регулировкой чувствительности, так как на экране видеомонитора она проявляется в виде изменений яркости объекта. После настройки уровня, следует проверить работу автодиафрагмы в дневное и ночное время. Если рабочая точка установлена слишком высоко, изображение может оказаться нормальным днем, но ночью оно будет слишком темным. Верно и обратное: если рабочая точка установлена слишком низко, то ночью получится приемлемое изображение, а днем оно будет чрезмерно ярким. Чтобы быть уверенным в том, что это не произойдет, лучше всего проводить регулировку во второй половине дня (ближе к вечеру) с помощью осветительного прибора. Во-первых, убедитесь в том, что при слабом свете изображение получается максимально достижимым, то есть отверстие диафрагмы раскрыто полностью. Затем направьте свет на объектив и убедитесь в том, что отверстие диафрагмы достаточно закрывается, так что на экране видна только нить лампы. Если тест невозможно провести во второй половине дня, то можно воспользоваться внешними нейтрально-серыми фильтрами. Такой фильтр можно использовать для ослабления дневного света до уровня, эквивалентного низкому уровню освещенности, которое обычно составляет несколько люкс. Затем, все что требуется — так это удалить фильтр и посмотреть, как ведет себя автодиафрагма.

Рис. 3.31. Переменные резисторы ALC и Level

ALC — это автоматическая компенсация освещенности. ALC представляет собой фотометрическую регулировку диафрагмы, и ее следует воспринимать как «автоматическую компенсацию встречной засветки». Эта часть схемы автодиафрагмы «решает», на какую долю размаха видеосигнала должна отрабатывать автодиафрагма. Регулировка ALC позволяет выбрать точку срабатывания по видеосигналу для функционирования диафрагмы в зависимости от контрастности картинки. В большинстве случаев, когда видеосигнал «богат» деталями от самых темных до ярких (от 0 до 0.7 В), опорный уровень находится в середине. Если на изображении появляются очень яркие места, то это приведет к уточнению опорной точки и сужению отверстия диафрагмы для получения видеосигнала с «полным динамическим» диапазоном. Визуально изображение будет высоко контрастным. Итак, очень яркие объекты (солнечные блики, яркие огни, окна и тому подобное) заставят прикрыть отверстие диафрагмы, что сделает темные объекты еще более темными, иногда слишком темными, чтобы можно было различить детали. В такого рода ситуациях мы можем заменить принятую по умолчанию установку ALC на экстремальную и заставить диафрагму не учитывать яркие участки и раскрыть отверстие больше, чем обычно. Тогда находящиеся в тени объекты будут более различимы.

Эта регулировка эквивалентна компенсации встречной засветки телекамер. Компенсация встречной засветки используется, как подсказывает название, для борьбы с фоновым (контровым) светом. Идея заключается в том, чтобы «приказать» электронике объектива игнорировать очень яркие области изображения и больше открыть отверстие, чтобы были видны детали темных объектов на переднем плане.

Это очень полезно, например, при размещении телекамер в проходах, если телекамера «смотрит» сквозь стеклянные двери или против яркого фона. Человек, идущий по проходу, виден как силуэт.

Если ALC настроена, диафрагма будет раскрываться на одно-два значения F-числа больше, высвечивая таким образом лицо человека. Аналогично, ALC может быть настроена и на выполнение противоположной работы, то есть можно больше закрыть отверстие диафрагмы для того, чтобы разглядеть детали очень яркого заднего плана, например, находящиеся за дверью в холл.

ALC имеет две экстремальные позиции, отмеченные как Peak и Average (пиковое и среднее).

Первый пример соответствует установке ALC на Peak, а второй — установке ALC на Average. Установки по умолчанию обычно находятся в середине этого диапазона. И учтите, пожалуйста: для того, чтобы видеть эффекты ALC-регулировки, необходима очень контрастная сцена.

Рис. 3.32. Объектив с автодиафрагмой и фиксированным фокусным расстоянием в разобранном виде

Несколько слов об электронике объективов с автодиафрагмой

Оптические качества объектива нельзя считать гарантированными, то же относится и к электронике автодиафрагмы. Различные схемы дают различное качество и точность функционирования. Это, вкупе с механической конструкцией диафрагмы, определяет качество объектива: хороший, средний или плохой. Реакция диафрагмы на внезапные изменения освещенности не мгновенна: от половины секунды до двух секунд. Это следует учитывать при регулировке уровня и/или установке регулировки ALC объектива.

Задержка зависит от обратной связи, то есть от совместной работы электронных и механических частей. Электроника имеет свою автоматическую регулировку усиления, и то, насколько эффективно будет работать эта система с обратной связью, зависит также и от электроники телекамеры, включая ее АРУ.

Совместная работа этих двух частей может привести к самовозбуждению системы при работе автодиафрагмы, которые обычно называются «звон» или «рысканье».

Колебания проявляются в виде пульсаций яркости изображения и зависят от направления телекамеры и условий освещенности. Это особенно заметно, если направить ее на сильный источник света. Чтобы минимизировать этот эффект, достаточно использовать регулировку Level, а иногда ALC, или могут использоваться оба вида регулировки. Однако существуют неудачные комбинации телекамера/объектив, когда этот эффект исключить не удается. Проблема решается единственным способом: заменой объектива на объектив другой марки. Некоторые новые автодиафрагмы поставляются с дополнительным регулятором уровня АРУ объектива.

Как уже упоминалось выше, кабель объектива с автодиафрагмой обычно защищен экранирующим кабелем, который часто не подключен к автодиафрагме. Цель экранирования кабеля — защита видеосигнала от наводок. Чтобы защита была эффективной, достаточно, чтобы один конец экранирующего кабеля был подсоединен к общему проводу электроники, что иногда происходит само собой — через корпус объектива (кольцо C/CS-крепления) и С-крепление телекамеры. С миниатюризацией телекамер кабели становятся все короче, уменьшая вероятность влияния наводок на работу системы.

И, наконец, давайте вспомним, что энергопотребление автодиафрагмы очень низкое, обычно меньше 30 мА.

Рис. 3.33. Объектив с автодиафрагмой и фиксированным фокусным

Форматы изображений и объективов в системах видеонаблюдения

Объектив «видит» объект во всех направлениях под одним и тем же углом зрения, т. е. угол обзора имеет форму конуса. Следовательно, область изображения, спроецированного объективом, имеет форму круга, однако фоточувствительная область камеры (ПЗС-матрица в нашем случае) — прямоугольник внутри этого круга изображения.

В современном телевидении этот прямоугольник имеет соотношение сторон 4:3, т. е. стандартом является 4 части по ширине и 3 части по высоте. Как уже говорилось в начале книги, такое соотношение сторон было принято в качестве стандарта в фотографии, когда телевидение только зарождалось.

В совершенно новой системе телевидения высокой четкости (ТВЧ), которая принята с ее основными стандартами, соотношение сторон равно 16:9. Цель этого стандарта — улучшить демонстрацию кинофильмов.

«Прямоугольник изображения» находится внутри круга изображения, в котором все виды аберраций (или по меньшей мере большинство их) исправлены.

Нет никакого смысла создавать объектив, дающий намного больший круг изображения, чем требуется. Поэтому объективы изготавливаются так, чтобы соответствовать формату изображения, не менее и не более. Хотя из этого правила есть исключения, например, когда объектив изготовлен для других целей, например, для фотографии, а используется в ПЗС-телекамерах со специальным С-креплением.

В настоящее время в системах видеонаблюдения имеется несколько различных размеров матриц: 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма. Телекамеры высокой четкости и некоторые специальные телекамеры могут иметь матрицы в 1 дюйм и даже больше. Чтобы понять, что означает это разнообразие, нам нужно вкратце ознакомиться с историей ТВ.

Рис. 3.34. Области изображения на ПЗС-матрице в натуральную величину

В самых первых ТВ-камерах для получения изображения использовались электронные трубки определенного диаметра, их называли 1-дюймовый видикон или 2/3-дюймовый ньювикон. Эти размеры соответствовали действительному диаметру трубки. Область изображения — прямоугольник с отношением сторон 4:3, и диагональ этого прямоугольника меньше действительного диаметра трубки, так как она определялась размером фоточувствительной области трубки (называемой мишень). Когда электронный пучок сканирует область изображения, он не заходит на края трубки. Поэтому камера с 2/3-дюймовой трубкой имеет область изображения примерно 8.8x6.6 мм, сканируемую электронным лучом. Длина диагонали этой области равна примерно 11 мм. Это не равно 2/3 дюйма, так как 2/3 дюйма равно 17 мм. Так что не следует думать, что указанный размер ПЗС-матрицы точно соответствует ее реальному размеру, как, например, с ТВ-экранами, где размер кинескопа и есть его размер по диагонали.

Рис. 3.35. Сравнение передающей трубки и ЛЗС-матрицы

Когда мы говорим о ПЗС-матрице в 2/3 дюйма, мы в действительности имеем в виду устройство, которое имеет такой размер изображения, которое бы имела 2/3-дюймовая трубка.

В то время, когда в системах видеонаблюдения появились первые ПЗС-телекамеры, наиболее популярны были ТВ-камеры с передающей трубкой размером 2/3 дюйма. Область изображения такой трубки, как выше упоминалось, равна 8.8 х 6.6 мм, а спроектированные в то время ПЗС-матрицы имели такой же размер области изображения и они были названы 2/3-дюймовыми ПЗС-матрицами. Идея заключалась в том, чтобы использовать такие же объективы, как и в ТВ-камерах с трубками.

По мере развития технологий ПЗС-матрицы стали меньше, и новые матрицы в 1/2 дюйма стали давать область изображения только 6.4 х 4.8 мм. Совместимость с 2/3-дюймовыми объективами сохранилась (использовалось то же С-крепление), но, естественно, изменился угол обзора, то есть он стал уже по сравнению с тем углом обзора, который дает такой тип объектива на 2/3-дюймовой телекамере.

Итак, новые объективы были предназначены для 1/2" ПЗС-матриц с меньшей областью изображения, чем у 2/3" ПЗС-матриц. Другими словами, из-за уменьшения области изображения, объективы проектировались с требуемым фокусным расстоянием, но с меньшим кругом проекции изображения, то есть с диаметром круга, достаточным для покрытия 1/2" ПЗС-матрицы, но недостаточным для покрытия ПЗС-матрицы 2/3". Этот новый тип объективов стали называть 1/2" объективами. Они также имеют кольцо С-крепления, но они меньше и вследствие этого дешевле, чем их 2/3" аналоги.

То же сейчас происходит и с 1/3" ПЗС-матрицами, проектируются 1/3" объективы, дающие круг изображения с диаметром, достаточным для покрытия только 1/3" матрицы.

Очевидно, что если 1/3" объектив использовать с 1/2" матрицей, то мы столкнемся с такой проблемой: углы изображения будут отсечены (представьте себе прямоугольник и внутри него круг меньшего диаметра).

То же произойдет, если 1/2" объектив использовать с 2/3" матрицей. Однако, если больший объектив использовать с меньшей ПЗС-матрицей, проблем не будет. Так как объектив большего формата спроецирует круг изображения значительно больший, чем действительный размер ПЗС-матрицы, то никакие углы не отсекутся и не будет никаких иных деформаций.

Все же следует принять во внимание, что уменьшение области, на которую проецируется изображение, может привести к относительному уменьшению разрешения, так как будет использоваться меньшая область (см. обсуждение ФПМ и ЧКХ). Кроме того, избыточный свет вокруг матрицы (если используется объектив большего формата) может отражаться от внутренних поверхностей объектива и ПЗС-блока, и если поверхности недостаточно поглощают свет черным матовым покрытием, то это скажется на качестве изображения.

Углы обзора и как их определить

Объективы с различным фокусным расстоянием дают различные углы обзора.

Довольно часто для оценки мы используем угол обзора по горизонтали, так как, зная его, можно определить и угол обзора по вертикали — ведь видеосигнал формируется из соотношения 4:3 и это же применимо к расчету горизонтального и вертикального углов обзора.

Вот несколько основных правил, которых следует придерживаться при анализе углов обзора:

— Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора.

— Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора.

— Чем меньше ПЗС-матрица, тем меньше угол обзора (с тем же объективом).

— Если известен угол обзора по горизонтали, то легко определить угол обзора по вертикали.

Как уже упоминалось выше, угол около 30° считается стандартным углом зрения, каким бы ни был формат изображения. Напомним: угол в 30° принимается стандартным, потому что он соответствует нашему восприятию перспективы и тому, как видит человеческий глаз.

Ниже приведены форматы изображений и соответствующие стандартные объективы для 30° горизонтального угла обзора:

— 1 дюйм = 25 мм,

— 2/3 дюйма = 16 мм,

— 1/2 дюйма = 12 мм,

— 1/3 дюйма = 8 мм,

— 1/4 дюйма = 6 мм.

В видеонаблюдении самый большой угол зрения, предлагаемый производителями, составляет около 94°, что достигается на 4.8 мм для 2/3" ПЗС-камеры, 3.5 мм для 1/2" и 2.8 мм для 1/3" камер (Если специально не оговаривается, то обычно речь идет об угле обзора по горизонтали. Прим. ред.).

Есть и особые объективы, дающие угол зрения почти 180° — объективы типа «рыбий глаз», но они очень специфичны и дают только круглое (поэтому и называются «рыбий глаз») изображение на экране (внутри области изображения ПЗС-матрицы) (Существуют электронные устройства, осуществляющую оцифровку такого изображения, а затем с помощью корректирующего алгоритма воспроизводящие изображение с приемлемым качеством. Более того, некоторые подобные приборы позволяют осуществлять электронное сканирование в пределах угла обзора, представляя собой некий аналог телекамеры на поворотном устройстве, но совершенно безынерционном. Прим. ред.).

Объективы по фокусному расстоянию имеют только дискретные значения, т. е. нельзя заказать любое значение, например, 5.8 мм или 14 мм. Так что полезно знать наиболее распространенные фокусные расстояния объективов: 2.6 мм, 3.5 мм, 4.8 мм, 6 мм, 8 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 50 мм и 75 мм.

Некоторые производители выпускают объективы 3.7 мм вместо 3.5 мм, или 5.6 мм вместо 6 мм, но значения очень близки и практически нет никакой разницы в угле обзора.

Горизонтальные углы обзора, соответствующие приведенным выше значениям, отличаются друг от друга на 10°-15°. Этого вполне достаточно, чтобы охватить все практические ситуации, но если вам потребуется специальное фокусное расстояние, не перечисленное выше, поинтересуйтесь у поставщика, так как некоторые производители имеют вариообъективы с ручной установкой фокусного расстояния (как с ручной диафрагмой, так и с автоматической), причем фокусное расстояние таких объективов может меняться в пределах 6-12 мм или даже 8-16 мм. Правда, оптические качества таких объективов не столь высоки, как у объективов с постоянным фокусным расстоянием, из-за ограниченной точности и упрощенности движущихся элементов механизма объектива. Но опять же, качество во многих случаях — это вопрос цены.

Что же такое фокусное расстояние объектива на практике? Это, пожалуй, один из самых часто задаваемых вопросов при проектировании систем видеонаблюдения. Для определения углов обзора используются различные методы, и какой из них вы выберете — дело ваше, был бы доволен заказчик.

Ниже следует список практических методов.

Калькулятор-видоискатель. Это обычно калькулятор круглой формы, поставляемый производителем объектива (спросите у своего поставщика); чтобы подобрать объектив, необходимо знать три вещи: размер ПЗС-матрицы, расстояние между телекамерой и объектом и ширину объекта. Этих трех величин достаточно, чтобы калькулятор выдал фокусное расстояние в миллиметрах. Бывают калькуляторы такого же принципа в виде линейки.

Оптический видоискатель. Это устройство похоже на вариообъектив, но предназначен он не для телекамеры, а для проектировщика видеосистемы. Когда вы находитесь на месте наблюдения, вы можете вручную настраивать угол обзора в соответствии с требованиями заказчика. На шкале видоискателя указывается фокусное расстояние объектива, которое даст такой же угол обзора на конкретном типе телекамеры (2/3", 1/2" или 1/3"). Чтобы видеть так же, как «увидит» телекамера, место наблюдения должно быть выбрано как можно ближе к тому месту, где будет установлена телекамера. У этого прибора есть один недостаток: нельзя получить большой угол обзора, так как большинство оптических видоискателей обеспечивают фокусное расстояние только до 6 мм.

Рис. 3.36. Различные калькуляторы для выбора объективов

Переносная телекамера с трансфокатором (камкордер). Это довольно простой и практический метод, особенно в наше время, когда есть такой огромный выбор камкордеров с встроенными трансфокаторами. Нам необходимо знать размер ПЗС-матрицы камкордера, чтобы соотнести его с размером ПЗС-матрицы телекамеры в проектируемой видеосистеме. Ясно, что хорошо иметь камкордер с большим коэффициентом трансфокации, однако более важно, чтобы на его объективе были нанесены значения фокусного расстояния. Когда мы используем камкордер на месте установки телекамеры, у нас есть дополнительное преимущество: мы можем показать заказчику особенности установки и задокументировать его выбор (Более эффективным для этой цели является использование специального сервисного видеомонитора с питанием от аккумулятора и телекамеры с набором объективов, имеющих различные фокусные расстояния. Прим. ред.).

Рис. 3.37. Оптический видоискатель для определения фокусного расстояния объектива

Использование простой формулы. Может показаться, что это самый сложный способ определения углов обзора, но на самом деле он самый простой. В этой формуле используется подобие треугольников (см. рис. 3.38). Это просто, а потому такой расчет легко выполнить в любой момент, как только возникнет такая необходимость. Единственное, что нужно помнить, это ширину ПЗС-матрицы, которая для наиболее часто используемых телекамер соответственно равна: 6.4 мм для 1/2", 4.8 мм для 1/3", и 3.4 для 1/4" матрицы.

Эта формула дает фокусное расстояние в миллиметрах:

f = cПЗСd/WОБЪЕКТ

Рис. 3.38. К выводу простой формулы «выбора объектива»

где f — это фокусное расстояние объектива (мм), сПЗС — это ширина ПЗС-матрицы (мм), — это расстояние от телекамеры до объекта (м) и WОБЪЕКТ — это ширина объекта, который мы собираемся наблюдать (м).

Можно воспользоваться аналогичной формулой в том случае, когда мы хотим найти фокусное расстояние объектива, с помощью которого можно было бы видеть определенную высоту объекта, но в этом случае вместо WПЗС и WОБЪЕКТ следует использовать hПЗС и hОБЪЕКТ, где h обозначает высоту.

Использование более сложной формулы. Эта формула даст результирующий угол обзора в градусах. Она основывается на элементарной тригонометрии и требует калькулятора или тригонометрических таблиц.

Рис. 3.39. К выводу более сложной формулы для вычисления угла обзора объектива

а = 2arctg(Woбъект/2d),

где a — это угол обзора (град), Wобъект — ширина объекта (м) и d — расстояние до объекта (м), на который направлена телекамера.

Использование таблицы и/или графика. Ими легко пользоваться, но таблица или график всегда должны быть под рукой.

Таблица 3.1. Приблизительный горизонтальный угол обзора при различных размерах ПЗС-матриц (в градусах)

В этой таблице даются только горизонтальные углы обзора для конкретных объективов, так как это требуется наиболее часто. Вертикальные углы легко определить, используя отношение сторон ПЗС-матрицы, то есть разделив горизонтальный угол на 4 и умножив на 3 (С ЭТИМ нельзя согласиться, так как арктангенс является нелинейной функцией. Прим. ред.).

(Следует отметить, что при использовании таблиц нужно применять интерполяцию, так как редко требуемое значение точно соответствует значению, указанному в таблице. С другой стороны, намного удобнее использовать специальные компьютерные программы, позволяющие автоматизировать указанные вычисления. Прим. ред.)

Во всех перечисленных методах нам приходится учитывать обратный ход разверток видеомонитора. Другими словами, большинство видеомониторов не показывает 100 % того, что видит телекамера. Обычно 10 % изображения не видно вследствие обратного хода разверток. С помощью калькулятора видоискателя можно учесть эти 10 %.

Некоторые профессиональные видеомониторы имеют опцию отображения обратного хода разверток. Если у вас есть такой видеомонитор, с его помощью вы можете оценить степень потери части изображения на обычном видеомониторе. Это очень важно знать при тестировании телекамер, о чем будет рассказано позже.

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием

В системах видеонаблюдения используются два основных типа объективов (в отношении их фокусного расстояния): объективы с фиксированным и с переменным фокусным расстоянием (вариообъективы).

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием, о чем говорит их название, имеют постоянное фокусное расстояние, т. е. дают только один угол обзора. Такие объективы обычно изготавливаются с минимальными аберрациями и максимальной разрешающей способностью и содержат минимальное количество подвижных оптических элементов — перемещается только фокусировочная группа.

Качество объективов зависит от многих факторов, самыми важными из которых являются используемые материалы (тип стекла, механические элементы, шестерни и пр.), технология изготовления и сама конструкция.

Когда производитель создает конкретный тип объектива, он всегда думает о том, как и где этот объектив будет использоваться. Качество проектируемого объектива определяется требованиями рынка и практики. Как уже упоминалось выше, когда мы обсуждали ФПМ и ЧКХ, нет никакой необходимости усиливать технические требования к точности и качеству (и соответственно увеличивать стоимость), если это не будет восприниматься фотоприемником (в нашем случае ПЗС-матрицей). Однако это не означает, что все модели и версии объективов с одним и тем же фокусным расстоянием одинаковы. Обычно цена идет рука об руку с качеством.

Более двух десятков лет назад, когда широко использовались 1" телекамеры, 25-мм объективы давали нормальный угол обзора (примерно 30° по горизонтали).

По мере эволюции форматов, то есть с их уменьшением, фокусное расстояние нормального угла обзора тоже уменьшалось. А резьба крепления оставалась такой же — в целях совместимости.

Для С-крепления резьба обозначалась V-32UN-2A, что означает: диаметр резьбы 1 дюйм, шаг резьбы 32 нитки на дюйм. Когда же появился новый формат — CS — то старый тип резьбы был оставлен для совместимости, хотя расстояние от фланца объектива до фокальной плоскости изменилось. Но этот вопрос мы поясним позже в этой главе.

По типу диафрагмы выделяются две основные группы объективов с фиксированным фокусным расстоянием: диафрагмы с ручной установкой (Ml) и автоматические диафрагмы (Al), мы их рассматривали в предыдущем разделе.

И, наконец, давайте упомянем здесь группу объективов с переменным фокусным расстоянием — вариообъективы. Эти объективы следует относить к группе объективов с фиксированным фокусным расстоянием, так как, если они вручную настроены на конкретный угол обзора (фокусное расстояние), то приходится их заново фокусировать, в отличие, например, от вариообъективов с сервоуправлением, которые будучи единожды сфокусированы, остаются в фокусе даже при изменении угла обзора. (Едва ли можно согласиться с этим утверждением автора. Вариообьективы с ручным управлением позволяют изменять фокусное расстояние, и потому их нельзя отнести к объективам с фиксированным фокусным расстоянием. Это отдельная небольшая, но самостоятельная группа объективов. Прим. ред.)

Рис. З.40. Объектив с ручной диафрагмой и объектив с автодиафрагмой

Рис 3.41. Резьбовое отверстие С-крепления

Вариообъективы

На заре телевидения, если кинооператору требовался объектив с другим фокусным расстоянием, он использовал специально спроектированный барабан, снабженный комплектом объективов с фиксированным расстоянием, который мог поворачиваться перед телекамерой. Выбирая соответствующий объектив из этой группы, можно было установить различное фокусное расстояние.

Эта концепция, на практике сравнимая с ручной переустановкой объектива, не обеспечивала непрерывность в выборе фокусного расстояния, и, что еще более важно, невозможно было избежать оптического затемнения, сопровождавшего процесс выбора нового объектива.

Вот почему инженеры вынуждены были задуматься о создании устройства, обеспечивающего непрерывное изменение фокусного расстояния, и такие устройства стали называться трансфокаторами (по-английски ZOOM, что означает «взмывать», «набирать высоту», иначе — изменять масштаб изображения, увеличивать изображение. Прим. ред.). Идея такого объектива заключается в одновременном перемещении нескольких групп линз. Траектория перемещения, конечно же, направлена вдоль оптической оси, но перемещение происходит с оптической точностью и нелинейной корреляцией. Из-за этого не только оптическая, но и механическая конструкция такого объектива очень сложна и чувствительна. Однако такая конструкция была создана и, как мы знаем, трансфокаторы очень популярны и широко используются как в видеонаблюдении, так и в телевизионном вещании.

Две группы линз (вариатор и компенсатор) перемещаются относительно друг друга при помощи специального барабанного кулачка таким образом, что достигается эффект изменения масштаба изображения при сохранении сфокусированного изображения объекта. Можно себе представить, насколько важна механическая точность и долговечность движущихся частей для получения успешного результата при трансфокации.

Рис 3.42. Трансфокаторы

Многие фотографы-профессионалы трансфокаторам предпочитают объективы с фиксированным фокусным расстоянием. В широком смысле они правы, так как подвижные части трансфокатора всегда должны иметь определенный разброс при их производстве, в результате чего вариообъектив дает больше аберраций, чем объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Поэтому качество оптики при определенной настройке вариообъектива никогда не может быть столь же высоким, как у объектива с соответствующим фиксированным фокусным расстоянием.

Однако для видеонаблюдения, когда разрешающая способность ПЗС-матрицы далека от разрешающей способности фотоаппарата, возможны компромиссы, и с неплохим результатом. Возможность непрерывного изменения углов обзора без физической смены объективов чрезвычайно полезна и практична.

Например, в случае, когда телекамеры смонтированы в определенных местах (например, на мачте или крыше здания), а требования к разрешающей способности не столь высоки, как для фотокамер.

Рис 3.43. Перемещение групп оптических элементов объектива с трансфокатором очень сложное и очень точное

Однако не стоит думать, что эволюция объективов с трансфокатором никогда не сможет приблизиться к качеству оптики объективов с фиксированным фокусным расстоянием.

Объективы с трансфокатором характеризуются кратностью (zoom ratio) или коэффициентом увеличения. Кратность равна отношению фокусного расстояния в режиме «теле» к фокусному расстоянию при настройке на самый широкий угол обзора. Обычно угол обзора в режиме «теле» уже, чем стандартный угол обзора, а в режиме широкоугольной съемки — он шире. Поскольку в режиме «теле» фокусное расстояние всегда больше, чем в широкоугольном режиме, то и кратность всегда больше единицы.

В видеонаблюдении наиболее популярны следующие типы трансфокаторов:

— шестикратное увеличение, наиболее часто используются фокусные расстояния: 6-36 мм, 8-48 мм, 8.5-51 мм и 12.5-75 мм.

10х — десятикратное увеличение, обычно 6-60 мм, 8-80 мм, 10-100 мм, 11-110 мм,16-160 мм.

15х — пятнадцатикратное увеличение, 6-90 мм, 8-120 мм.

За последние 5-10 лет миниатюрные поворотные купольные камеры стали очень популярными.

Большинство из них имеют встроенные вариообъективы с коэффициентом увеличения 12х, 16х или даже 18х. Обычно также присутствует и не менее чем шестикратное цифровое увеличение, что превращает эти миниатюрные купольные камеры в очень функциональные устройства. Конечно, цифровое увеличение не имеет ничего общего с оптическим, но в некоторых случаях оно поможет рассмотреть мелкие удаленные объекты. Такие купольные камеры имеют очень мощное оптическое увеличение и при этом остаются небольшими по размеру за счет использования ПЗС-матриц 1/4" Например, диаметр обычного модуля поворотной купольной камеры составляет около 12 см. Чем меньше матрица, тем меньше размеры оптики. Это, помимо снижения затрат на производство, было основной причиной уменьшения размеров матриц. Впрочем, читателю нужно понимать, что при производстве вариообъективов для ПЗС-матриц 1/4" требуется более высокая точность из-за миниатюризации компонентов.

Встречаются и другие коэффициенты увеличения, такие как 20х или даже 44х и 55х, но такие объективы очень дороги и поэтому их используют реже (Следует ПОМНИТЬ, ЧТО трансфокаторы с большим увеличением достаточно трудно юстировать на объекте, особенно работнику охраны в случае нештатной ситуации. К этому надо добавить и особо жесткие требования к креплению телекамеры с подобным объективом, с тем, чтобы вибрации, производимые транспортом, или порывы ветра не сказывались на настройке. Прим. ред.).

Вариообъективы также характеризуются относительным отверстием, F-числом или Т-числом. F-число в вариообъективах (о чем мы уже напоминали, когда обсуждали F-числа) относится к минимальному фокусному расстоянию. Например, для объектива 8-80 мм/1.8 F/1.8 относится к фокусному расстоянию 8 мм. F-число не постоянно в пределах изменения фокусного расстояния. Обычно при увеличении фокусного расстояния сначала оно остается постоянным, но после достижения некоторого значения фокусного расстояния, происходит ухудшение относительного отверстия (так называемый F-drop). Фокусное расстояние, при котором происходит F-drop, зависит от конструкции объектива. Но общее правило таково: чем меньше входная группа линз, тем сильнее проявляется F-drop; это одна из главных причин того, почему объективы с большим увеличением должны иметь большие элементы передних групп — с целью свести на минимум F-drop.

Вариообъективы, как и объективы с фиксированным фокусным расстоянием, могут иметь автоматическую диафрагму, диафрагму с ручной установкой или с сервоприводом. Хотя мы рассматривали автодиафрагмы в разделе, посвященном объективам с фиксированным фокусным расстоянием, но поскольку у диафрагм с сервоприводом имеются некоторые общие и некоторые индивидуальные особенности, то мы рассмотрим их здесь еще раз.

Вариообъективы с ручной установкой диафрагмы снабжены кольцом диафрагмы, настраиваемым вручную установщиком или пользователем. Такой тип объективов редко используется в видеонаблюдении, только в особых случаях — во время демонстрации или тестирования телекамер.

Вариообъективы с автоматической ирисовой диафрагмой, или автодиафрагмой (AI), используются наиболее часто. Такие объективы снабжены встроенной электронной схемой, работающей по принципу электронно-оптической обратной связи. Она обычно подключается к разъему на задней стенке телекамеры, с которого поступает напряжение питания (9 В постоянного тока) и видеосигнал. Электроника объектива анализирует уровень видеосигнала и управляет диафрагмой: если видеосигнал превышает 0.7 В, диафрагма будет прикрываться до тех пор, пока уровень видеосигнала на разъеме автодиафрагмы не достигнет 0.7 вольт. Если же уровень сигнала слишком низок, то диафрагма раскрывается, пропуская больше света и увеличивая уровень видеосигнала.

Pиc. 3.44. Подсоединение автодиафрагмы вариообъектива к телекамере

Рис. 3.45. Вариообъектив с автодиафрагмой и регулировками Level и ALC

Этот тип объективов допускает две возможности регулировки (как и в случае объективов с фиксированным фокусным расстоянием): Level и ALC.

Level регулирует опорный уровень видеосигнала, используемый электронной схемой объектива для увеличения или уменьшения отверстия, создаваемого лепестками ирисовой диафрагмы. Это влияет на яркость изображения. Если уровень не настроен соответствующим образом, то есть неадекватно чувствителен к условиям дневной и слабой освещенности, то возникнет слишком большое расхождение между дневным и ночным видеосигналом. Понятно, что при настройке уровня диафрагмы для условий низкой освещенности нужно учитывать чувствительность телекамеры.

Настройка ALC связана с автоматической регулировкой освещенности. Фактически это очень похоже на компенсацию встречной засветки (BLC) в камкордерах. Компенсация освещенности обычно применяется для сцен с очень высоким контрастом. Идея, лежащая в основе BLC, заключается в том, чтобы больше раскрыть отверстие диафрагмы (даже если освещенность фона очень велика), чтобы стали видны детали объектов, находящихся на переднем плане.

Вот типичный пример: телекамера направлена в коридор (на заднем плане сильная подсветка), а мы пытаемся разглядеть лицо человека, идущего по направлению к телекамере. При нормальной настройке объектива лицо человека будет очень темным, так как свет заднего фона приведет к сужению отверстия диафрагмы. Но соответствующая ALC-настройка поможет компенсировать эту ситуацию сложной освещенности. Яркий задний план в этом примере станет белым, но на переднем плане станут различимы детали. Установка ALC обычно настраивает опорный уровень относительно средних и пиковых значений видеосигнала. Поэтому на ALC-регулировке объектива стоят отметки Peak и Average.

Стоит хорошо запомнить одну вещь: при настройке ALC нужно направлять телекамеру на зону с высокой контрастностью. Если сделать противоположное, то есть направить телекамеру на сцену с низкой контрастностью, с видеосигналом никаких заметных изменений не произойдет. Подстройка ALC в зоне с нормальной контрастностью может вызвать рассогласование, которое будет заметно только при изменении освещенности.

Все вышесказанное относится к большинству объективов с автодиафрагмой, которые управляются видеосигналом, поступающим на разъем автодиафрагмы, находящийся, как правило, на задней стенке телекамеры. Поэтому, а также потому, что существует и другая группа вариообъективов с автодиафрагмой — без управления видеосигналом от телекамеры, мы называем такой тип автодиафрагмы автодиафрагмой, управляемой видеосигналом (Video).

Рис. 3.46. Некоторые телекамеры могут управлять автодиафрагмой объективов обоего типа

Есть и другая подгруппа объективов — это вариообъективы с автодиафрагмой, управляемой сигналом постоянного тока (DC).

Такие объективы не имеют электронной схемы обработки видеосигнала, только микродвигатель, который раскрывает и закрывает отверстие диафрагмы. Вся обработка видеосигнала для таких объективов осуществляется в электронной схеме телекамеры. На выход этой схемы формируется постоянное напряжение, которое и раскрывает или закрывает лепестки диафрагмы в соответствии с уровнем видеосигнала в телекамере. Телекамеры с выходом DC, тоже снабжены регулировками Level и ALC, но они находятся на корпусе самой телекамеры, а не на объективе.

Следует подчеркнуть, что управляемые видеосигналом вариообъективы не могут использоваться с телекамерами, имеющими выход DC, а объективы DC не могут использоваться в телекамерах с видеовыходом на диафрагму. Некоторые телекамеры могут работать с обоими типами автодиафрагменных объективов, в этом случае имеется переключатель или отдельные клеммы для двух различных выходов. Следует обратить внимание на этот факт, иначе могут возникнуть трудноразрешимые проблемы. Другими словами, убедитесь в том, что типы функционирования автодиафрагмы у телекамеры и объектива совпадают.

Преимущество вариообъективов, управляемых видеосигналом, заключается в том, что они работают с большинством телекамер. Преимущество вариообъективов, управляемых сигналом постоянного током, в том, что они дешевле и не подвержены эффекту «рысканья» при изменении усиления.

Недостаток — не все телекамеры имеют выход DC. На сегодняшний день чаще используются объективы, управляемые видеосигналом (В настоящее время картина изменилась — изготовители телекамер в борьбе за место на рынке стараются вводить как можно больше опций, так что телекамер с возможностью управления объективами обоих типов сейчас большинство. Прим. ред.).

Вариообъективы с сервоуправлением диафрагмой принадлежат к третьей подгруппе объективов, если рассматривать их с точки зрения функционирования диафрагмы. Механизм диафрагмы может контролироваться дистанционно и устанавливаться оператором в зависимости от условий освещенности. Такой тип объективов стал весьма популярным за последние несколько лет, особенно с развитием телекамер с электронным затвором.

Вместо электронной схемы, управляющей лепестками диафрагмы, для их управления используется постоянное напряжение, подаваемое блоком управления поворотным устройством и диафрагмой (PTZ), который контролирует степень раскрытия диафрагменного отверстия. Про PTZ мы расскажем позже, но в нескольких словах — это электронные блоки (Приемники телеуправления. Прим. ред.), которые способны получать кодированные цифровые данные для управления поворотным устройством и функциями вариообъектива, а затем преобразовывать эти данные в напряжение, которое и управляет поворотным устройством. В случае объектива с сервоуправлением PTZ-блок должен иметь также выход для управления диафрагмой.

Если телекамера имеет электронный затвор, то лучше использовать именно его, а не автоматическое управление диафрагмой. То есть, электронный затвор — это наиболее быстрая и надежно управляющая в зависимости от освещенности часть телекамеры, но она не управляет глубиной резкости, достигаемой при высоких значениях F-числа диафрагмы. Оптическая диафрагма и электронный затвор (который по аналогии называют электронной диафрагмой — electronic iris. Прим. ред.) не могут работать нормально одновременно. Телекамера обычно срабатывает к низким значениям F-числа (сильное раскрытие отверстия диафрагмы), что дает очень малую глубину резкости и высокую скорость электронного затвора, а это приводит к менее эффективному накоплению заряда, то есть дает большую размытость. Особенно это заметно, если такая система телекамера/объектив направлена на высококонтрастную сцену. Чтобы избежать низкого качества изображения и все же воспользоваться преимуществами быстрой и надежной работы электронного затвора, и более того, получить хорошую глубину резкости, используют объективы с диафрагмой с сервоуправлением. Конечно, она требует вмешательства оператора, но только тогда, когда этого требует изображение, так как электронный затвор работает непрерывно, компенсируя резкие изменения освещенности.

Заказывая вариообъективы, вы должны указать, нужен ли вам объектив с сервоуправлением диафрагмой, потому что производитель может поставить вам стандартный вариообъектив с управлением автодиафрагмы видеосигналом, так как они чаще используются.

И, наконец, еще раздавайте поговорим о вариообъективах с ручным управлением. Вариообъективы с ручным управлением и вариообъективы с сервоуправлением — это не одно и то же, функционируют они по-разному. Вариообъективы следует отнести к группе объективов с фиксированным фокусным расстоянием (см. замечание по этому поводу. Прим. ред.). Они удобны в тех случаях, когда потребитель не знает, какой угол обзора ему понадобится, но всегда может вручную настроить объектив на другой угол обзора (изменением фокусного расстояния).

Предупреждение: критично относитесь к оптическому качеству вариообъективов с ручным управлением. По сравнению с объективами с фиксированным фокусным расстоянием у вариообъективов труднее обеспечить такое же оптическое разрешение из-за наличия подвижных частей. Конечно, бывают ситуации, когда качества вариообъектива с ручным управлением достаточно, но лучше всего судить по результатам испытаний.

С- и CS-крепление и задний фокус

Back-focus («задний фокус») — это очень важно в видеонаблюдении.

Под регулировкой «заднего фокуса» мы понимаем регулировку положения заднего фланца объектива относительно плоскости ПЗС-матрицы.

В настоящее время существуют два стандарта расстояний от заднего фланца объектива до плоскости ПЗС-матрицы:

С-крепление, соответствующее 17.5 мм (точнее 17.526 мм).

Это стандартное крепление, возникшее в первые дни телекамер с передающими трубками.

Крепление представляет собой металлическое кольцо с резьбой 1.00/32 мм, а удаление фронтальной поверхности от плоскости изображения равно 17.5 мм.

CS-крепление, соответствующее 12.5 мм.

Это новый стандарт, предназначенный для меньших по размеру телекамер и объективов. Здесь используется такая же, как и в С-креплении, резьба 1.00/32 мм, но оно почти на 5 мм ближе к плоскости формирования изображения. Стандарт отражает тенденцию к сохранению совместимости со старыми объективами с С-креплением (добавлением 5-мм кольца) и стремление к созданию более дешевых и миниатюрных объективов, соответствующих размерам ПЗС-матриц.

Поскольку оба стандарта используют резьбовой тип крепления объектива, то при установке могут возникнуть небольшие вариации в позиции объектива относительно ПЗС-матрицы. Поэтому возникает необходимость в небольших изменениях этого положения (регулировке заднего фокуса).

В фотографии, например, мы никогда не говорим о задней фокусировке, так как большинство марок фотоаппаратов выпускается с байонетным соединителем, который обеспечивает фиксированное положение объектива относительно плоскости пленки. Что касается камкордеров, то их объектив составляет неотъемлемую часть, так что задний фокус уже настроен и никогда не меняется.

Но в видеонаблюдении — совершенно другая история из-за модульной концепции комбинации телекамера/объектив и наличия резьбового крепления. Регулировка заднего фокуса особенно критична при использовании вариообъективов.

Чтобы достичь хорошей фокусировки во всем диапазоне работы трансфокатора, расстояние от объектива до ПЗС-матрицы в вариообъективах должно быть очень точным.

Очевидно, регулировка заднего фокуса применима и к объективам с фиксированным расстоянием, но в этом случае при фокусировке мы не обращаем внимания на указатель расстояния на кольце объектива. Если мы хотим достичь большей точности и задний фокус на фиксированном объективе настроен корректно, то указатель расстояния покажет действительное расстояние между телекамерой и объектом. Однако большинство установщиков при монтаже системы не обращает внимания на указатель на объективе, так как они хотят видеть четкое изображение на видеомониторе. И это прекрасно, но если мы хотим быть точными, то задний фокус следует регулировать у всех используемых в видеонаблюдении объективов. А для вариообъективов это особенно критично.

При настройке заднего фокуса необходимо принимать во внимание еще один важный фактор — эффект глубины резкости. Причина очень проста: если ПЗС-телекамера устанавливалась днем (а чаще всего так и происходит) и мы используем объектив с автодиафрагмой, то естественно, что диафрагма устанавливается на высокие значения F-числа, что дает хорошее изображение (при условии, что автодиафрагма подсоединена и работает правильно). Поскольку диафрагма установлена на высокое F-число, то и глубина резкости у нас большая. Изображение кажется четким, независимо от того, в какое положение мы устанавливаем фокусировочное кольцо. Однако ночью, в ситуации низкой освещенности, отверстие диафрагмы раскрывается полностью, и оператор видит расфокусированное изображение.

Это одна из самых распространенных проблем при установке новых систем. Если вы обращаетесь в сервис-центр, то разбираться с проблемой люди обычно приходят в дневное время, и если оператор не может точно объяснить, что он видит, то проблема может так и остаться нерешенной, так как изображение днем при высоком F-числе — великолепное.

Мораль отсюда такова: настройку заднего фокуса всегда проводите при низких F-числах.

Рис. 3.47. При использовании объектива с С-креплением и телекамеры с CS-креплением требуется C/CS переходное кольцо

Как добиться максимального раскрытия диафрагмы? Для этого можно пользоваться следующими способами:

— настраивайте задний фокус при низких уровнях освещенности в мастерской (самое простое);

— настраивайте задний фокус поздно вечером на месте;

— настраивайте задний фокус в дневное время, на месте, используя внешние нейтрально-серые фильтры.

Есть только одно исключение: если используется телекамера с электронным затвором, то диафрагма может быть полностью раскрыта даже днем, потому что электронный затвор будет компенсировать сигнал, вызывающий избыточный свет (если окажется достаточным динамического диапазона работы электронного затвора. Прим. ред.). Это означает, что настройка заднего фокуса для телекамер с электронным затвором может проводиться даже днем, и при этом не будет нарушена глубина резкости и не понадобятся нейтральные фильтры. И, конечно же, не забудьте отключить электронный затвор после настройки, если вы хотите использовать автодиафрагму.

Рис. 3.48. Некоторым телекамерам не требуется C/CS-кольцо

Регулировка заднего фокуса

В последующих абзацах мы ознакомимся с процедурой корректной настройки заднего фокуса. Этот материал опирается на практический опыт и никоим образом не является процедурой в прямом смысле слова, но он даст вам хорошее понимание того, из каких операций должен состоять этот процесс. Мы должны также уточнить, что нередко при установке новой камеры с вариообъективом настройка заднего фокуса может и не потребоваться. Это легко проверить — сразу после того, как объектив будет навинчен на С- или CS-кольцо и телекамера будет подключена к видеомонитору. И конечно же, чтобы проверить, есть ли необходимость в регулировке, должны работать функции трансфокатора и фокусировки.

Идея состоит в том, чтобы получить максимально четкое изображение, то есть в случае использования вариообъектива, если он сфокусирован на объекте, объект должен оставаться в фокусе независимо от положения трансфокатора. Если это не так, то нужна настройка заднего фокуса.

Возникает вполне естественный вопрос: «Что же сложного в настройке заднего фокуса?».

Ответ носит довольно практический характер и не связан с проблемой глубины резкости. Дело в том, что вариообъективы в видеонаблюдении не снабжены указателем расстояний, мы можем навести фокусировочное кольцо на конкретное расстояние, затем установить объект на этом расстоянии и настроить телекамеру на отличное резкое изображение (конечно, потребуется видеомонитор), вращая объектив вместе с кольцом С-крепления или регулируя положение ПЗС-матрицы (вперед-назад) при помощи винтового механизма на телекамере. Но поскольку большинство вариообъективов не имеют обозначений расстояний, то довольно трудно определить, с чего начинать. Все объективы имеют две известные точки на фокусировочном кольце (предельные положения фокусировочного кольца):

— Фокусировка на бесконечность  (за этой точкой объектив не имеет фокуса) и

— Фокусировка на минимальное расстояние до объекта (MOD).

Последнее различно для различных объективов, то есть мы не знаем, каковым должно быть минимальное фокусируемое расстояние для конкретного объектива, пока не возьмем технические характеристики, которые могут и не поставляться с объективом или, что бывает довольно часто, могут потеряться в ходе установки.

В результате остается только одна известная точка фокусировки — бесконечность. Бесконечность — это конечно «бесконечность» не в буквальном смысле, но это достаточное большое расстояние, при котором объектив установлен на отметку  и мы получаем резкое изображение.

Рис. 3.49. Фокусировка вариообъектива на объекты, находящиеся на различных расстояниях

Рис. 3.50. Настройка заднего фокуса может оказаться довольно сложной

Чем больше фокусное расстояние объектива, тем больше расстояние до бесконечности должно быть выбрано. Для стандартных 10-кратных вариообъективов, используемых в видеонаблюдении (это обычно 8-80 мм, 10-100 мм или 16-160 мм) это расстояние составляет порядка 200–300 м и более. На такое расстояние в мастерской настроить сложно, поэтому технику, работающему с регулировкой заднего фокуса, приходится высовывать телекамеру из окна, и в этом случае ему понадобится внешний нейтрально-серый фильтр — чтобы минимизировать эффект глубины резкости (если, конечно, это не телекамера с электронным затвором).

Следующий шаг — настроить фокус на отметку «бесконечность». Для этого потребуется PTZ-контроллер, но это непрактично.

Я бы посоветовал смоделировать напряжения управления трансфокатором и фокусировки, используя обычную батарейку 9 В, подключив ее к соответствующим проводам. Не забудьте, что напряжение управления фокусировкой и трансфокатором лежит в пределах от ±6 В до ±9 В, и объектив имеет очень малое потребление тока, обычно менее 30 мА. 9-вольтовая батарейка может запросто управлять таким механизмом в течение довольно продолжительного времени; по крайней мере, этого времени достаточно для полного завершения процедуры настройки.

Единого стандарта цветового кода для обозначения кабелей объективов нет, но довольно часто, если к объективу не прилагается информационный листок, черный обозначает общий провод, провод управления трансфокатором — красный, а провод фокусировки — синий. Это не жесткое правило и если вы сомневаетесь, то несложно при помощи той же батарейки и видеомонитора этот вопрос прояснить. Вместо обычного видеомонитора можно использовать сервисный, это даже удобнее. Некоторые называют его «регулятор фокуса» (focus adjuster).

Фактически это маленький видеомонитор, работающий от аккумулятора, с резиновым окуляром, защищающим от избыточного света.

Рис. 3.51. C/CS-кольцо, входящее

Если использовать обычный видеомонитор на улице в в состав телекамеры яркий солнечный день, то изображение на экране будет видно очень плохо, так что мы настоятельно рекомендуем пользоваться сервисным видеомонитором.

Если в месте регулировки нет доступного видеомонитора, следует различать перемещение оптических элементов при фокусировке и при трансфокации. Это не так просто, так как вариообъективы выполнены в черных (или бежевых) корпусах, и мы не видим движущихся элементов. Однако есть простое правило: элементы трансфокатора не видны извне, если фокусировка осуществляется посредством первой группы линз объектива. При фокусировке эта группа оптических элементов поворачивается вокруг оптической оси и перемещается в то же время вдоль оптической оси, либо внутрь, либо наружу.

Все объективы подчиняются общему правилу: первая группа оптических элементов движется в направлении наружу при фокусировке на ближние расстояния, а при фокусировке на бесконечность — внутрь.

Более детальное объяснение дается в разделе, посвященном концепции фокусировки.

Итак, даже если вариообъектив не имеет указателей расстояний и коэффициентов трансфокации, полагаясь на вышеописанную логику, мы можем начать регулировку заднего фокуса. После подключения батареи к проводам фокусировки нам нужно сфокусировать объектив на бесконечность. Мы можем это сделать даже без видеомонитора: первая группа оптических элементов объектива должна достигнуть конечной позиции внутри объектива.

Следующий шаг — направьте телекамеру на бесконечно удаленный объект, находящийся на расстоянии, о котором мы уже говорили. Это могут быть деревья или антенны на горизонте.

Рис. 3.52. В некоторых ПЗС-телекамеpax используются миниатюрные шестигранные винты для секретного крепления кольца С-крепления к телекамере

А теперь, не меняя фокуса, выполните полное увеличение и уменьшение (zoom in, zoom out). Если изображение на видеомониторе будет четким на всем диапазоне трансфокации, то регулировка заднего фокуса не нужна. Если же С- или CS-крепление камеры не отрегулировано, мы не увидим резкого изображения на видеомониторе для всех позиций трансфокации.

Теперь продолжим регулировку, либо вращая объектив вместе с С-кольцом (при соответствующем типе телекамеры), либо перемещая ПЗС-матрицу при помощи специального винта регулировки заднего фокуса, либо (в других телекамерах) вращая большое кольцо с надписью C&CS.

Первый тип телекамер встречается чаще всего. В этом случае кольцо С- или CS-крепления обычно специально крепится при помощи миниатюрных шестигранных винтов. Перед регулировкой их необходимо ослабить, а после — закрепить обратно.

Затем при регулировке фокуса (после фокусировки с батарейкой и настройки на бесконечность), надо повернуть вариообъектив, но теперь вместе с кольцом (для этого мы и ослабили винт). Некоторые телекамеры снабжены специальным механизмом, позволяющим перемещать ПЗС-матрицу вперед-назад, это намного проще, так как в этом случае не надо поворачивать объектив.

При выполнении вышеописанных действий расстояние между объективом и ПЗС-матрицей меняется до тех пор, пока изображение не станет резким. Не забывайте, поскольку мы сделали глубину резкости минимальной — ведь мы максимально раскрыли отверстие диафрагмы (симулируя условия низкой освещенности), четкость наблюдаемых объектов будет настраиваться довольно легко.

Найдя оптимум, следует остановиться.

Следует обратить внимание, что провода фокусировки мы еще не использовали, то есть пока что нам нужно, чтобы вариообъектив был сфокусирован на бесконечность. Мы просто хотим убедиться, что при трансфокации объектив остается сфокусированным на бесконечность на всем диапазоне регулировки. Также нас не должно смущать, что объекты, находящиеся в «бесконечности», становятся меньше при «zoom out»; из-за уменьшения размеров изображения может создаваться впечатление, что они теряют фокусировку.

А теперь следующий шаг: трансфокация с использованием 9 В батарейки. Тщательно рассмотрите видеоизображение и убедитесь в том, что объекты «в бесконечности» остаются в фокусе при трансфокации. Если все в порядке, считайте, что задний фокус уже почти настроен.

Чтобы подтвердить это, предпринимаем следующий шаг: наводим телекамеру на объект, находящийся в паре метров. Теперь увеличиваем изображение объекта и используем для фокусировки соответствующие провода. Уточняя фокусировку, используйте провода трансфокации и уменьшите увеличение. Если объект остается в фокусе, то это и есть подтверждение корректной регулировки заднего фокуса.

И последний шаг: закрепите маленькие шестигранные винты (в случае соответствующей телекамеры) и закрепите C/CS-кольцо на телекамере.

Если эта процедура регулировки не увенчается успехом с первого раза, может потребоваться пара итераций, следующих той же логике.

Рис. 3.53. Приспособление для настройки фокуса

Можно представить, насколько важна механическая конструкция и устойчивость комбинации С-кольцо — ПЗС-матрица, особенно важна точность и «параллельность» взаимного расположения С-кольца и плоскости ПЗС-матрицы. Небольшие отклонения в одну десятую миллиметра расположения плоскости изображения могут вызвать изменения фокуса в пару метров на объекте. При плохой конструкции, например при закреплении С-кольца только одним винтом или плохом механическом изготовлении, могут появиться проблемы, даже если вся выше изложенная процедура будет проведена корректно. Так что не только объектив определяет качество изображения, но и механическая конструкция телекамеры.

Мы уже упоминали, что при настройке заднего фокуса нужен видеомонитор, что не удивительно. Хорошо, если регулировка осуществляется в мастерской, но если настройку заднего фокуса надо выполнить на месте, практически невозможно воспользоваться обычным видеомонитором. Причина не только в непрактичности требований к наличию сети электроснабжения (240 В переменного тока или напряжения, которое используется в вашей стране), но скорее из-за яркого освещения вне помещения по сравнению с яркостью монитора. Поэтому я бы рекомендовал использовать монитор-видоискатель (вроде таких, какие используются в камкордерах) с резиновым окуляром, защищающим от внешнего света и удобным в использовании. Плюс к этому, эти маленькие видоискатели-мониторы работают от батарейки и очень компактны. Некоторые производители изготавливают специальные видоискатели-регуляторы фокуса с индикатором, показывающим, когда объект в фокусе.

Небольшие и удобные приборы подобного типа позволяют выполнить качественную инсталляцию системы видеонаблюдения.

Оптические аксессуары в системах видеонаблюдения

Кроме объективов с фиксированным расстоянием или вариообъективов есть и другие оптические устройства.

Одно из самых популярных — это 2х телеконвертер (или удлинитель). Телеконвертер — это небольшое устройство, обычно размещаемое между объективом и телекамерой. 2х конвертер увеличивает фокусное расстояние в 2 раза. Фактически это означает, что 16 мм объектив становится 32 мм, а вариообъектив 8-80 мм становится 16-160 мм и т. п. Хотя следует отметить, что и F-число тоже увеличивается на одну ступень. Например, если 2х конвертер используется на объективе 16 мм/1.4, то результирующий объектив будет 32 мм/2. Регулировка заднего фокуса на объективе с 2х конвертером может оказаться намного более сложной. Вначале рекомендуется выполнить регулировку заднего фокуса самого вариообъектива, и только затем добавить конвертер. Некоторые вариообъективы комплектуются встроенным телеконвертером, удалить который все же можно при помощи специального управляющего напряжения. Для этих целей можно использовать дополнительный выход с блока управления. В целом оптическое разрешение объектива с конвертером уменьшается, и если в нем нет особой необходимости, следует избегать его использования. Следует отметить, что существуют и 1.5х конвертеры.

Другие дополнительные устройства — это внешние нейтрально-серые фильтры (ND-фильтры). Фильтры могут иметь различные коэффициенты ослабления света — 10х, 100х, 1000х.

Их можно комбинировать для получения большего коэффициента ослабления. Как мы уже говорили, внешние ND-фильтры могут сослужить хорошую службу при регулировке заднего фокуса и настройке автодиафрагмы. Поскольку они представляют собой стеклянные пластинки, вам придется как-то фиксировать их перед объективом. Чтобы ими было удобнее пользоваться, можно сделать что-то вроде держателя.

Поляризационные светофильтры могут потребоваться, если, например, телекамера направлена на окно или поверхность воды. Тогда из-за отражения света и бликов трудно разглядеть, что происходит за стеклом или на поверхности воды.

Поляризационные фильтры минимизируют эти нежелательные эффекты. Однако у них есть и небольшой недостаток — поляризационный фильтр требует вращения самого фильтра. Если неподвижно установленная телекамера направлена на фиксированную область, требующую использования поляризационного фильтра, то все прекрасно; а вот для телекамеры, установленной на поворотном устройстве, его использовать невозможно, так как она все время меняет свое положение, а объектив вращается при фокусировке.

В особых случаях, когда стоит задача наблюдения очень маленьких объектов, можно сфокусировать объектив на предметах, находящихся гораздо ближе, чем минимально допустимое расстояние до объекта (MOD). Этого можно достичь при помощи специального набора удлинительных колец, которые можно приобрести у некоторых поставщиков. Гораздо проще и удобнее использовать дополнительные кольца CS-крепления. Комбинируя одно или несколько колец в зависимости от фокусного расстояния, можно добиться макрообзора. Это может оказаться полезным при исследовании компонентов печатных плат, штампов, выявлении фальшивых купюр, изучении насекомых и других миниатюрных объектов.

Рис. 3.54. Оптические аксессуары

Рис. 3.55. Нейтрально-серый фильтр 1000х

Рис. 3.56. Удлинительные кольца

4. Общие характеристики телевизионных систем

В этой главе рассматриваются теоретические основы видеосигналов, ширина полосы пропускания частот и разрешение. Глава предназначена для технических специалистов, желающих знать, каковы ограничения ТВ-системы вообще и системы видеонаблюдения в частности.

Немного истории

Чтобы понять основные принципы ТВ, мы должны обратиться к эффекту инерционности зрения (см. раздел «Инерционность», глава 2).

Как и кино, телевидение использует этот эффект, чтобы обмануть наш мозг: глядя на сменяющие друг друга на очень высокой скорости неподвижные кадры, мы верим, что видим «движущиеся картинки», или кинофильм.

В 1903 г. публике был показан первый фильм, «Большое ограбление поезда», созданный в лаборатории Томаса Эдисона (Edison Laboratories). Это событие ознаменовало собой начало кинематографической революции. Концепция телевидения, которая считается более молодой по сравнению с идеей кино, разрабатывалась, тем не менее, уже в конце XIX в. Все началось в 1817 г. с открытия шведским химиком Джонсом Берцелиусом элемента селена и фотоэлектричества. Он обнаружил, что количество электрического тока, вырабатываемого селеном под действием света, зависит от количества падающего на него света.

В 1875 г. американский изобретатель Кейри (G.R.Carey) собрал самую первую, довольно грубую, телесистему, в которой для формирования сигнала он использовал группы фотоэлементов. Сигнал воспроизводился на блоке из электроламп, каждая из которых излучала свет, пропорциональный количеству света, падающего на фотоэлементы.

Позднее в эту концепцию были внесены незначительные изменения вроде представленного П. Нипковым (Nipkow) в 1884 г. «развертывающего диска», в котором элементы сканировались механически вращавшимся диском с отверстиями, выстроенными в спираль. В 1923 г. была осуществлена первая практическая передача изображения по проводам — сначала Байрдом (Baird) в Англии, и чуть позднее Дженкинсом (Jenkins) в Соединенных Штатах. Первая телепередача транслировалась в 1932 г. компанией ВВС в Лондоне, а экспериментальные телепередачи осуществлялись берлинской компанией Fernseh, которую возглавлял изобретатель электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) профессор Манфред фон Арденн. Владимир Зворыкин, инженер российского происхождения, в 1931 г. разработал первую ТВ-камеру, известную под названием «иконоскоп» и работавшую по тому же принципу, что и появившиеся позднее камеры с передающей трубкой и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

Рис. 4.1. Телевизионный приемник Байрда, 1923

Рис. 4.2. Иконоскоп Зворыкина

Обе эти технологии, кино и ТВ, для достижения эффекта движения воспроизводят много неподвижных изображений в секунду. Однако в ТВ неподвижные изображения проецируются не световым проектором через целлулоидную пленку, как в кино, а при помощи электронно-лучевого сканирования. Изображения формируются строка за строкой, подобно тому, как мы читаем книгу, слева направо и сверху вниз (если смотреть со стороны ЭЛТ).

Важную роль во всем этом процессе играет послесвечение люминофора, покрывающего ЭЛТ монитора. Оно зависит от типа люминофорного покрытия и яркости экрана.

Основы телевидения

Сегодня в мире существует и используется несколько различных ТВ-стандартов. Рекомендации CCIR/PAL используются на большей территории Европы, в Австралии, Новой Зеландии, большинстве стран Африки и Азии. Аналогичная концепция используется и в рекомендациях EIA/NTSC для ТВ-стандарта, используемого в США, Японии и Канаде, а также в рекомендациях SECAM, используемых во Франции, России, Египте, некоторых бывших французских колониях и странах Восточной Европы. Главное различие между этими стандартами заключается в числе строк развертки и частоте кадров.

Прежде чем приступить к рассмотрению основных принципов телевидения, давайте разберемся в терминологических аббревиатурах, используемых в различной технической литературе, посвященной телевидению:

CCIR — сокращенное название Международного консультативного комитета по радиовещанию (Committee Consultatif International des Radiotelecommunique). Это комитет, устанавливающий стандарты для черно-белого ТВ в большинстве стран Европы, Австралии и других странах. Вот почему мы называем оборудование, соответствующее стандартам черно-белого ТВ, CCIR-совместимым.

Тот же тип стандарта, позднее дополненный сигналами цветности, был назван стандартом PAL.

Название ему дала концепция, используемая для воспроизведения цвета попеременными фазовыми сдвигами цветовой поднесущей на каждой новой строке. Отсюда и название «построчное изменение фазы» (phase alternate line — PAL).

EIA расшифровывается как Electronics Industry Association (Ассоциация Электронной Промышленности). Эта ассоциация разработала стандарт для монохромного ТВ в США, Канаде и Японии, где его часто называют RS-170 — по коду рекомендательного предложения EIA. Когда монохромное ТВ приобрело цвет, оно получило название по имени группы, разработавшей стандарт: Национальный комитет по телевизионным стандартам (National Television Systems Committee — NTSC).

SECAM — аббревиатура французского названия Sequentiel Couleur avec Memoire, которое фактически описывает принцип передачи цвета: последовательность сигналов цветности и необходимость запоминающего устройства в ТВ-приемнике для декодирования цветовой информации. SECAM, изначально запатентованный 1956 изобретателем по имени Анри де Франс, фактически был первым аналоговым стандартом цветного телевидения, где использовалось 819 строк и 50 кадров в секунду. Позднее в SECAM стали использовать 625 строк.

Во всех ТВ-стандартах рекомендуемым является формат изображения ТВ-экрана 4:3 (4 единицы в ширину и 3 единицы в высоту). Это объясняется, главным образом, аналогичным форматным соотношением для кинопленки, принятым еще на заре телевидения.

Неодинаковое число строк, используемых в различных ТВ-стандартах, определяет остальные характеристики системы.

EIA рекомендует 525 строк, a PAL и SECAM используют 625 (раньше SECAM использовал 819 строк).

Независимо от этих различий все системы используют одну и ту же концепцию построчного создания изображения электронным лучом.

Когда видеосигнал, произведенный камерой, передается на вход монитора, флуктуации напряжения преобразуются в флуктуации потока электронов в электронном луче, который бомбардирует люминофорное покрытие ЭЛТ в процессе построчной развертки. Люминофорное покрытие генерирует свет пропорционально количеству электронов, которое пропорционально колебаниям напряжения. А эти колебания, конечно же, пропорциональны световой информации, попадающей на ПЗС-матрицу.

Люминофорное покрытие монитора также обладает определенным послесвечением, то есть генерируемый лучом свет не исчезает немедленно вместе с исчезновением луча. Люминофор продолжает излучать свет еще в течение нескольких миллисекунд. Это значит, что ТВ-экран освещается яркой полосой, которая перемещается по нисходящей на определенной скорости.

Понятно, что это очень упрощенное описание того, что происходит с видеосигналом, когда тот попадает в монитор. Более подробно работу монитора мы обсудим в гл. 6, ну а информацию данной главы будем рассматривать как введение в принципы телевидения для читателей, не имеющих технического образования.

Решая, сколько строк и какую скорость регенерации изображения использовать, следует принимать во внимание многие факторы. Как это часто бывает в жизни, решения должны быть компромиссными — нужно найти компромисс между желанием передать максимум информации, позволяющей видеть точное изображение реальных объектов, и требованием передать ее экономно и большому количеству пользователей, которые могут позволить себе купить такой ТВ-ресивер.

Чем больше используется строк и больше кадров в секунду, тем более широкой будет полоса пропускания частот видеосигнала, что и будет диктовать стоимость телекамер, технологического оборудования, передатчиков и приемников.

Скорость обновления кадра, то есть число кадров в 1 секунду, была установлена исходя из инерционности зрительного восприятия человека и яркости ЭЛТ. Теоретически, идеальным вариантом были бы 24 кадра в секунду — из-за сочетаемости такого числа и с форматом кино, и с телевидением (широко использовались в первые годы существования телевидения). Однако фактически, это оказалось невозможно по причине высокой яркости, которую дает люминофор ЭЛТ и которая вызывала мерцание изображения (относительно расстояния от зрителя до экрана, см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость инерционности зрительного восприятия от яркости

В результате многочисленных экспериментов выяснилось, что для устранения мерцания требовалось, по крайней мере, 48 кадров в секунду. Такое количество кадров было бы удобно использовать, поскольку оно тождественно частоте кинопроектора, и, соответственно, можно легко конвертировать кино в телевизионный формат. Однако это число принято не было. Телеинженеры выбрали вариант 50 кадров в секунду по стандарту CCIR и 60 кадров в секунду по стандарту EIA. Эти цифры достаточно высоки, чтобы человеческий глаз не замечал мерцания, но еще важнее, что они совпали с промышленной частотой в 50 Гц, используемой во всей Европе, и частотой в 60 Гц, используемой в США, Канаде и Японии. Причиной тому была электронная схема ТВ-приемников, которые первоначально в большой степени зависели от промышленной частоты. Если бы был принят формат в 48 кадров, то разница в 2 Гц для CCIR и 12 Гц для EIA вызвала бы множество помех и перебоев в процессе развертки изображения.

Тем не менее, серьезной оставалась проблема, как воспроизвести 50 (PAL) или 60 (NTSC) кадров в секунду, реально не увеличивая начальную частоту сканирования камеры, равную 25 (то есть 30) кадрам в секунду. Дело не в том, что частоту сканирования камеры нельзя удвоить, а в том, что придется увеличить полосу пропускания видеосигнала, тем самым увеличив, как уже говорилось, стоимость электроники. К тому же, надо помнить о вещательных телеканалах, которые в этом случае должны быть шире, и, следовательно, меньше каналов было бы доступно для использования (без помех) в зоне выделенной частоты.

Все перечисленные факторы заставили инженеров использовать уловку, подобную мальтийскому механизму, используемому в кинопроецировании, благодаря чему 50 (60) кадров можно воспроизводить без реального увеличения полосы пропускания. Название этой уловки — чересстрочная развертка.

Рис. 4.4. Чересстрочная развертка, упрощенно

Вместо того, чтобы составлять изображения из 625 (525) горизонтальных строк прогрессивной разверткой, было решено чередовать развертку нечетными и четными строками. Другими словами, вместо того, чтобы посредством одной прогрессивной развертки 625 (525) строк воспроизводить один ТВ-кадр, этот кадр был разделен на две половины, одна из которых состояла только из нечетных линий, а вторая — только из четных. Они развертывались таким образом, что строки одного полукадра попадали точно между строк другого. Вот почему такая развертка называется чересстрочной. Все строки каждой половины — в случае CCIR сигнала их 312.5, в NTSC их 262.5 — формируют так называемое ТВ-поле. В системах CCIR и SECAM 25 нечетных полей и 25 четных полей, в системе EIA — по 30. В общей же сложности одно за другим, каждую секунду, быстро движутся 50 полей в секунду (в EIA 60).

Нечетное поле вместе с последующим четным составляет так называемый ТВ-кадр. Таким образом, каждый CCIR/PAL и SECAM сигнал состоит из 25 кадров в секунду, или 50 полей.

Каждый EIA/NTSC сигнал состоит из 30 кадров в секунду, что эквивалентно 60 полям.

Фактическая развертка на экране монитора начинается в верхнем левом углу со строки 1, затем переходит на строку 3, оставляя место между 1 и 3 строками для строки 2, которая должна появляться, когда начинается сканирование четных строчек.

Первоначально было трудно достичь точной чересстрочной развертки. Чтобы получить такие колебания, при которых четные строки попадали бы точно между нечетными, необходима была очень устойчивая электроника. Но вскоре было найдено простое и очень эффективное решение: выбор нечетного числа строк, причем каждое поле заканчивает развертку на половине строки. Сохраняя линейную вертикальную развертку (которую намного легче обеспечить), половина строки завершает цикл в середине верха экрана, таким образом, заканчивая 313-ую строку в CCIR (263-ую в EIA), после чего обеспечивается точное чередование четных линий.

Рис. 4.5. Зона кадрового (вертикального) синхроимпульса на экране осциллографа

Рис. 4.6. Кадровый синхроимпульс в деталях

Рис. 4.7. ТВ-сигнал в строчном режиме (со строчным синхроимпульсом)

Рис. 4.8. Кадровый синхроимпульс можно увидеть на мониторе с настройкой V-Hold

Когда электронный луч заканчивает сканирование каждой строки (на правой стороне ЭЛТ, если смотреть на нее), он получает строчный (горизонтальный) синхронизирующий импульс (или строчный синхроимпульс). Синхроимпульс встроен в видеосигнал и следует за видеоинформацией строки. Он сообщает лучу, когда следует прекратить вывод видеоинформации и быстро вернуться влево, к началу новой строки. Равным образом, поле завершается кадровым (вертикальным) синхроимпульсом, который «сообщает» лучу, что пора прекратить «писать» видеоинформацию и следует быстро вернуться к началу нового поля. Период обратного хода электронного сканирующего луча короче, чем фактический ход развертки, к тому же он позиционный, то есть, электроны в течение этих периодов синтеза изображения не выталкиваются.

В действительности, хотя система сканирования и обозначается как 525 ТВ-линий (или 625 в PAL), не все линии активны, то есть видимы на экране. На временной диаграмме ТВ-сигнала системы NTSC и PAL мы видим, что часть линий используется для выравнивания кадрового синхроимпульса, часть вообще не используется, а некоторые невидимы из-за эффекта усечения растра (помните, ни один монитор или телеприемник не показывает видеосигнал камеры на все 100 %, за исключением некоторых специальных мониторов).

Рис. 4.9. Тестовый генератор TPG-8 и осциллограмма его тестовой таблицы

Если мы учтем ошибки сканирования, толщину электронного луча и пр., то в системе CCIR (разумеется, та же логика применима к другим стандартам) мы насчитаем едва ли больше 570 активных ТВ-строк в PAL и не более 480 активных строк в NSTC. Более подробно ограничения видеосигнала рассматриваются далее.

Некоторые из «невидимых» строк весьма эффективно используются для других целей. В концепции PAL Teletext, например, CCIR рекомендует использовать строки 17, 18, 330 и 331 для размещения 8-разрядной цифровой информации. Декодер телетекста в вашем телевизоре или видеомагнитофоне может аккумулировать цифровые данные полей, которые содержат информацию о погоде, курсе обмена валют, результаты розыгрышей лотерей и т. д.

В некоторых системах NTSC строка 21 несет закрытые титры, т. е. информацию в виде субтитров.

Некоторые невидимые строки используются для вставки испытательных видеосигналов специальной формы, так называемых VITS (Video insertion test signal — сигнал испытательной строки), которые при измерении на приемнике дают ценную информацию о качестве передачи и приема в конкретной зоне.

В видеонаблюдении некоторые производители используют невидимые строки, чтобы вставить информацию вроде маркировки камеры, времени и даты записи и т. п. Эти строки можно также записать на видеомагнитофон, но на экране монитора они остаются невидимыми. Однако информация всегда присутствует в записи, она встроена в видеосигнал. Такая информация надежнее, и ее труднее подделать. Ее можно восстановить специальным ТВ-декодером строк и использовать всякий раз, когда необходимо, показывая маркировку камеры, а также время и дату записи конкретного сигнала и, например, постороннее вторжение в изображение.

Рис. 4.10. Временная диаграмма ТВ-сигнала системы NTSC

Рис. 4.11. Временная диаграмма ТВ-сигнала системы PAL

Видеосигнал и его спектр

В этом разделе рассматриваются теоретические основы ограничений видеосигнала, полосы пропускания и разрешения. Это сложный предмет, требующий знания высшей математики и электроники, но я постараюсь объяснить его на простом и доступном языке.

Большинство искусственных электрических сигналов можно описать математически. Для периодических сигналов, например, таких, как в линиях энергоснабжения, математическое описание очень простое. Периодическую функцию всегда можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний, каждое из которых может иметь различную амплитуду и фазу. По аналогии со спектром белого света, она называется спектром электрического сигнала. Чем более периодичен электрический сигнал, тем легче можно его представить и с меньшим количеством компонентов синусоидальных колебаний. Каждый компонент синусоидального колебания можно представить дискретным значением в спектре частот сигнала. Чем менее периодична функция, тем больше компонентов потребуется для воспроизведения сигнала. Теоретически, даже непериодическую функцию можно представить в виде суммы различных синусоидальных колебаний, но только в этом случае придется суммировать намного больше этих колебаний, чтобы получить непериодический результат. Другими словами, спектральное представление непериодического сигнала будет иметь полосу пропускания, более плотно заполненную различными компонентами. Чем мельче детали сигнала, тем выше частоты в спектре сигнала. Очень мелкие детали видеосигнала будут представлены высокочастотными синусоидальными колебаниями. Это равнозначно информации высокого разрешения. У сигнала, наполненного высокими частотами, более широкая полоса частот. Даже единственный, но очень резкий импульс, будет иметь очень широкую полосу частот.

Рис. 4.12. Спектр полосы пропускания композитного видеосигнала

Все вышесказанное является изложением, весьма упрощенным, очень важной спектральной теории Фурье, которая утверждает, что каждый сигнал во временной области имеет свое отображение в частотной области. Спектральная теория Фурье применима на практике — периодические электрические сигналы с широкой полосой пропускания можно исследовать более эффективно при помощи анализа их спектра частот. Не будем углубляться в эту теорию, но заметим для пользователей систем видеонаблюдения: концепция анализа спектра частот очень важна для исследования сложных сигналов, таких как собственно видеосигнал. Видеосигнал — это, пожалуй, один из наиболее сложных электрических сигналов, и его практически невозможно точно описать математически, так как во временной области сигнал постоянно меняется. Видеоинформация (т. е. компоненты яркости и цветности) непрерывно меняется. Однако, поскольку мы формируем видеоизображения посредством периодического сканирования лучом, мы можем аппроксимировать видеосигнал периодическим сигналом. Одним из главных компонентов в этой периодичности будет частота строк — для CCIR и SECAM 25 x 625 = 15625 Гц; для EIA 30 x 525 = 15750 Гц.

Можно показать, что спектр упрощенного видеосигнала состоит из гармоник частоты строк, вокруг которых есть сопутствующие компоненты, как на левой, так и на правой стороне (боковых полосах). Расстояния между компонентами зависят от содержания видеоизображения и динамики двигательной активности. Кроме того, очень важно обратить внимание, что такой спектр, составленный из гармоник и их компонентов, является сходящимся, то есть гармоники уменьшаются по амплитуде с увеличением частоты. Но еще более важный вывод из спектральной теории Фурье состоит в том, что позиции гармоник и их компонентов в спектре видеосигнала зависят только от анализа изображения (соотношение 4:3, чересстрочная развертка 625). Энергетическое распределение видеосигнала между гармониками зависит от содержания изображения. Тем не менее, гармоники занимают точные положения, потому что они зависят только от частоты строк.

Другими словами, динамика видеосигнала и амплитуда определенных компонентов в боковых полосах меняются, но положения гармоник (как поднесущих частот) остаются постоянными.

Рис. 4.13. Пример смещения частотных каналов в телевещании

Это очень важный вывод. В вещательном ТВ он помог найти способ уменьшить спектр видеосигнала до минимума без особой потери деталей. Конечно, всегда можно найти компромисс, но так как основная энергия видеосигнала сосредоточена около нулевой частоты и нескольких первых гармоник, нет никакой необходимости передавать полный спектр видеосигнала. Ученые и инженеры использовали все эти факты, пытаясь найти компромиссное решение: они стремились рассчитать, насколько малую часть полосы пропускания следует использовать при передаче видеоизображения, чтобы не потерять слишком много деталей. Как мы уже упоминали, рассматривая различные ТВ-стандарты, полоса частот будет тем шире, чем больше строк сканирования используется в системе и чем выше разрешение сигнала.

Принимая во внимание ограниченный размер электронного луча (который также определяет минимальные воспроизводимые элементы изображения), физический размер ТВ-экранов, расстояние от зрителя до экрана, сложность и издержки производства телесистем, можно заключить, что для качественного воспроизведения телесигнала достаточно ширины полосы пропускания в 5 МГц. Можно использовать более широкую полосу, но тогда будет очень низким коэффициент достижения качества в сравнении с затратами. Фактически, в телевещательных студиях камеры, записывающее оборудование и мониторы имеют намного более высокие стандарты, со спектрами до 10 МГц. Но они предназначены исключительно для внутреннего пользования, для качественной записи и дублирования (перезаписи). Прежде чем такой сигнал будет модулирован и передан на радиочастоте, он сокращается до 5 МГц, к которым прибавляется около 0.5 МГц для левого и правого каналов звукового сопровождения. На телепередатчике такой сигнал модулируется так, чтобы передавалась только его боковая подавленная полоса частот вместе с полной полосой частот, включая буферную зону разделения, что в сумме равняется 7 МГц (для PAL). Но обратите внимание, что фактически используемая полоса видеосигнала в телевещании равна всего 5 МГц. Для читателей, которым это интересно, заметим, что в большинстве стран, использующих стандарт PAL, видеосигнал модулируется методами амплитудной модуляции (AM), в то время как звук — частотной модуляцией (ЧМ).

Аналогичные соображения учитываются при рассмотрении сигналов NTSC, где полоса частот в телевещании равна примерно 4.2 МГц.

В большинстве систем видеонаблюдения мы не сталкиваемся с подобными ограничениями в отношении полосы частот, поскольку мы не передаем радиочастотно-модулированный видеосигнал. Нам не надо волноваться по поводу помех соседних видеоканалов. В видеонаблюдении мы используем необработанный видеосигнал в том виде, в каком он выходит из камеры, это базовый видеосигнал. Обычно его сокращенно обозначают CVBS (composite video bar signal — полный видеосигнал). Спектр такого сигнала, как уже упоминалось, колеблется в пределах от 0 до 10 МГц — в зависимости от качества источника.

Спектральная емкость коаксиального кабеля как канала передачи гораздо шире. Самый распространенный коаксиальный кабель 75 Ом RG-59B/U, например, может легко передать сигналы с шириной полосы частот до 100 МГц. Конечно, он используется для передачи информации на небольшие расстояния — до двухсот метров, но для большинства систем видеонаблюдения этого достаточно. Различные средства передачи имеют различные ограничения полосы частот. Одни имеют большую, чем коаксиальные кабели, ширину полосы пропускания, другие — меньшую, но у большинства полоса все же значительно шире 10 МГц.

Цветной видеосигнал

Когда появилось цветное телевидение, в его основе лежали определения и ограничения монохромного сигнала. Сохранение совместимости между черно-белым и цветным ТВ имело принципиальную важность. Единственный способ, каким цветовая информация (хроматическая) может быть передана вместе с яркостью без увеличения полосы пропускания частот видеосигнала, состоял в том, чтобы модулировать цветовую информацию частотой, которая бы попадала точно между компонентами спектра яркости. Это означает, что спектр сигнала цветности перемежается со спектром сигнала яркости таким образом, что они не мешают друг другу. Эта частота называется хроматической поднесущей. Было обнаружено, что наиболее подходящей для PAL является частота 4.43361875 МГц. В NTSC используется тот же принцип: в данном случае необходима цветовая поднесущая 3.579545 МГц.

Здесь необходимо уточнить и подчеркнуть, что NTSC характеризуется именно 29.97 кадрами, а не 30(!). Это объясняется определением цветового сигнала в NTSC, который, как гласит видеостандарт RS170A, базируется в точности на частоте цветовой поднесущей в 3.579545 МГц. Частота строчной развертки определяется умножением 2/455 на частоту цветовой поднесущей, что равняется 15734 Гц. Из нее выводится частота кадровой развертки; NTSC рекомендует высчитывать ее умножением 2/525 на частоту строчной развертки. В результате получается 59.94 Гц для частоты кадров, или скорости полей. Однако для простоты и удобства в этой книге мы будем говорить, что в NTSC сигналу соответствует 60 полей.

Как мы уже упоминали в разделе «Цветное телевидение», основы воспроизведения цвета лежат в аддитивном смешении трех основных цветовых сигналов: красного, зеленого и синего. Так, для передачи полного цветового сигнала, теоретически, кроме информации яркости, требуются еще три разных сигнала. На заре цветного ТВ это казалось невозможным, особенно, когда для сохранения совместимости с монохромными стандартами использовалась область между 4 и 5 МГц.

Для этого требовалась сложная, но умная процедура. В рамках нашей книги объяснить такую процедуру не представляется возможным, но чтобы читатели лучше понимали все сложности воспроизведения цвета в ТВ, приведем следующие факты.

Рис. 4.14. Цветные полосы. Цветные полосы (NTSC) на экране вектороскопа

Рис. 4.15. Цветные полосы. Цветные полосы (PAL) на экране вектороскопа

В реальной ситуации помимо сигнала яркости, который часто обозначается как Y = UY, объединяются еще два сигнала (а не три). Это так называемые цветовые разности: V = UR — UY и U = UR — UY, т. е. разности между красным и яркостным сигналом и между синим и яркостным. Почему вместо простых значений R, В (и G) (соответственно для красного, синего и зеленого) используются цветовые разности? Для совместимости с монохромной системой. А именно, было обнаружено, что, когда белый или серый цвет передается через систему цветного ТВ, в ЭЛТ должен присутствовать только сигнал яркости. Чтобы устранить цветовые компоненты в системе, была введена цветовая разность.

Учитывая основные соотношения между тремя цветовыми сигналами:

UY = 0.3UR + 0.59UG + 0.11UB (34)

можно показать, что, используя яркость и цветоразностные сигналы, есть возможность восстановить все три основных цветовых сигнала:

UR = (UR — UY) + UY (35) (36) (37)

UB = (UB — UY) + U

UG = (UG — UY) + U

Для белого цвета UR = UB = UG,таким образом UY = (0.3 + 0.59 + 0.11)UR = UB = UG, Цветовая разность зеленого не передается, но ее получают путем следующих вычислений (снова используя (34)):

UG — UY = -0.51(UR — UY) + 0.19(UB — UY) (38)

Это отношение показывает, что в цветном телевидении для успешного восстановления цвета, помимо яркости, достаточно всего двух дополнительных сигналов. Это цветовые разности красного и синего (Ки U), и они встроены в сигнал CVBS.

Поскольку компоненты R, G и В получают из цветоразностных сигналов посредством простых линейных матричных уравнений, которые в электронике можно реализовать при помощи простых резистивных цепей, эти схемы называются матрицами линейного преобразования.

Следует отметить, что два рассматриваемых нами ТВ-стандарта, NTSC и PAL, базируют свою теорию воспроизведения цвета на двух разных показателях люминофора ЭЛТ (называемых гаммой, о чем мы поговорим позже в разделе «Мониторы»). Стандарт NTSC принимает гамму в 2.2, a PAL — 2.8. Эти показатели встроены в код сигнала до его передачи.

Рис. 4.16. Сигнал цветовой синхронизации

Pис. 4.17. Цветовые векторы в стандарте PAL

Практически, гамма 2.8 — это более реалистическое значение, что отражается также в более высококонтрастном изображении.

Конечно, воспроизведенный цветовой контраст будет зависеть непосредственно от гаммы люминофора монитора.

Чтобы объединить (модулировать) эти цветоразностные сигналы с сигналом яркости, в системе телевещания используется так называемая квадратурная амплитудная модуляция, где два различных сигнала (V и U) модулируют одну несущую частоту (цветовую поднесущую). Это возможно благодаря разности фаз в 90° между этими двумя сигналами, что и объясняет название «квадратурная модуляция».

В цветовом стандарте PAL есть еще одна «хитрая» схема минимизации искажения цветового сигнала. Зная, что человеческий глаз более чувствителен к цветовым искажениям, чем к изменениям яркости, ученые предложили для кодирования цвета специальную процедуру, позволяющую минимизировать искажения или, по крайней мере, сделать их менее заметными. Это достигается путем изменения фазы сигнала цветности на 180° на каждой второй строке. Так, если происходят искажения при передаче, обычно в форме сдвига фазы, то они приводят к изменению цвета такой же величины. Но поскольку электронное векторное представление цветов выбрано так, чтобы дополнительные цвета располагались друг против друга, то ошибки также являются дополнительными и, если смотреть на искаженные соседние строки с некоторого расстояния, ошибки нейтрализуют друг друга. Отсюда и название — построчное изменение фазы (phase alternating line — PAL).

Рис. 4.18. Стандартная последовательность цветовых полос в телевидении

Разрешение

Разрешение — это свойство системы показывать мелкие детали. Чем выше разрешение, тем больше деталей мы видим. Разрешение ТВ-изображения зависит от числа активных строк развертки, качества телекамеры, монитора и средств передачи информации.

Так как мы используем двумерные устройства (ПЗС-матрицы и ЭЛТ), мы различаем два вида разрешения: разрешающую способность по вертикали и разрешающую способность по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали (вертикальное разрешение) определяется числом вертикальных элементов, которые можно фиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. Когда много идентичных вертикальных элементов собраны в направлении сканирования, мы получаем очень плотные горизонтальные строки. Поэтому мы говорим, что вертикальное разрешение сообщает нам, сколько горизонтальных линий мы можем различить. Считаются черные и белые строки, подсчет производится по вертикали. Понятно, что итоговый результат ограничен числом сканируемых строк в данной системе — нельзя насчитать больше 625 линий в системе CCIR или больше 525 в системе EIA. Принимая во внимание длительность кадровой (вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается в CCIR до 575, а в EIA до 475.

Рис. 4.19

Рис. 4.20. Цветной экран крупным планом

Однако, это все же не действительное вертикальное разрешение. Обычно разрешение измеряется при помощи определенного изображения, помещаемого перед камерой, и здесь необходимо учитывать множество факторов. Во-первых, абсолютная позиция предполагаемого горизонтального испытательного изображения с высоким разрешением никогда точно не соответствует чересстрочному изображению. Кроме того, существование нерабочей зоны на экране монитора срезает небольшую часть видеоизображения, ограничена толщина электронного луча и ограничена «сетка» воспроизведения цвета.

Еще в 1933 г. Келл (Kell) и его коллеги обнаружили в ходе экспериментов, что при вычислении «реального» вертикального разрешения следует применять поправочный коэффициент, равный 0.7. Он известен как коэффициент Келла (или Келл-фактор) и является общепринятым способом аппроксимации реального разрешения. Это означает, что 575 следует скорректировать (умножить) на 0.7, чтобы получить практические границы вертикального разрешения для PAL, которое равняется примерно 400 ТВ-линиям. Та же операция выполняется в отношении сигнала NTSC, и в результате мы получаем приблизительно 330 ТВ-линий (строк) вертикального разрешения. Эти значения истинны в идеальном случае, то есть, в случае идеальной передачи видеосигнала.

Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разрешение) определяется несколько иначе. Горизонтальное разрешение определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. И, аналогично тому, что мы сказали относительно вертикального разрешения, горизонтальное разрешение сообщает нам, сколько вертикальных линий можно подсчитать.

Кое-чем оно отличается. Поскольку соотношение сторон в телевидении составляет 4:3, то ширина больше высоты. Чтобы сохранить естественные пропорции изображений, мы считаем только вертикальные линии по ширине, эквивалентной высоте, т. е. 3/4 от ширины. Вот почем мы называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями, а не просто линиями, что

Рис. 4.21. Генератор качающейся частоты (макс. 12 МГц) позволяет проверить полосу частот монитора высокого разрешения (на иллюстрации указано 9 МГц, соответствует примерно 700 ТВ-линиям)

Горизонтальное разрешение монохромной (ч/б) ТВ-системы теоретически ограничено только поперечным сечением электронного луча, электроникой монитора и, естественно, спецификациями камеры. В действительности, существует много других ограничений. Одно из них — это ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи. Даже при том, что в ТВ-студии могут быть камеры с высоким разрешением, мы передаем только 5 МГц видеоспектра (как указывалось выше); поэтому производителям совершенно не нужно выпускать ТВ-приемники с более широкой полосой частот. В видеонаблюдении, тем не менее, ширина полосы видеосигнала диктуется, главным образом, самой камерой, так как ч/б мониторы имеют очень высокое разрешение (до 1000 ТВ-линий), которое ограничено только качественными характеристиками монитора, из которых самые важные — это точность и поперечное сечение электронного луча.

У системы цветного ТВ есть еще одно препятствие: физический размер цветовой маски и ее шаг.

Цветовая сетка имеет форму очень мелкой решетки. Эта решетка используется для разделения на три основных цвета — красный, зеленый и синий. Число элементов цветного изображения (точки RGB) в решетке определяется размером экрана монитора и качеством ЭЛТ. В видеонаблюдении доступно любое число ТВ-линий: от 330 (горизонтальное разрешение) до 600. Самый распространенный стандарт мониторов — 14 (дюймов) с разрешением 400 ТВ-линий. Напоминаем, что мы говорим о ТВ-линиях, которые в горизонтальном направлении дают нам абсолютное максимальное число 400x4/3 = 533 различимых вертикальных линий.

В видеонаблюдении, подобно вещательному ТВ, мы не можем изменять вертикальное разрешение, так как мы ограничены числом, определенным системой развертки. Именно поэтому мы редко рассматриваем проблему вертикального разрешения. Общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВ-линий для CCIR и 330 ТВ-линий для EIA. Горизонтальное разрешение мы можем менять, и оно зависит от горизонтального разрешения камеры, качества средств передачи информации и монитора. В видедонаблюдении часто используются камеры с 570 ТВ-линиями горизонтального разрешения, которое соответствует максимуму приблизительно в 570x4/3 = 760 линий по ширине экрана. Камера такого типа считается камерой с высоким разрешением. В ч/б камере со стандартным разрешением горизонтальное разрешение будет составлять 400 ТВ-линий.

Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует простое соотношение. Если взять одну строку видеосигнала, активная продолжительность которого равна 57 микросекунд, и распределить его на 80 ТВ-линий, мы получим 80x4/3 = 107 линий. Эти линии, представленные в виде электрического сигнала, напоминают синусоидальные колебания. Так, пара черно-белых строк фактически соответствует одному периоду синусоидальной волны. Поэтому, 107 линий — это приблизительно 54 синусоиды. Период синусоидального колебания равнялся бы 57 мкс/54 = 1.04 мкс. Если применить известное соотношение для времени и частоты, то есть T = 1/f, то мы получим f = 1 МГц. Следующее важное, но очень простое эмпирическое правило, дает нам соотношение между полосой частот сигнала и его разрешением: приблизительно 80 ТВ-линий соответствуют 1 МГц полосе частот.

Инструменты, используемые в телевидении

Обычным электронным мультиметром очень трудно определить свойства видеосигнала. Однако в нашем распоряжении имеются специальные инструменты, которые при правильном использовании позволяют точно описать измеряемый видеосигнал. Это осциллографы, анализаторы спектра и вектороскопы. В большинстве случаев достаточно осциллографа, и я настоятельно рекомендую серьезным специалистам иметь его в своем арсенале.

Осциллограф

Изменение сигнала (по времени) может происходить медленно или быстро. Что считать «медленным» и «быстрым», зависит от многих связанных друг с другом условий. Одно периодическое изменение какого-либо параметра за одну секунду определяется как Герц (Гц). Звуковая частота 10 кГц соответствует 10000 колебаний в секунду. Человеческое ухо может воспринимать частоты в диапазоне от 20 Гц до 15000-16000 Гц. Видеосигнал, в соответствии с упомянутыми выше стандартами, может иметь частоту от примерно 0 Гц до 5-10 МГц.

Чем выше частота, тем точнее детали в видеосигнале.

Насколько высокую частоту мы можем использовать, зависит, прежде всего, от снимающего устройства (камеры), но также и от средств передачи (коаксиального кабеля, микроволновых средств, волоконной оптики) и средств обработки/воспроизведения (видеомагнитофона, памяти кадров, жесткого диска, монитора).

Временной анализ любого электрического сигнала (в противоположность анализу частоты) можно проводить при помощи электронного инструмента, который называется осциллограф. Осциллограф работает по принципу ТВ-монитора, только в данном случае, сканирование электронного луча следует за напряжением видеосигнала в вертикальном направлении, в то время как по горизонтали единственной переменной является время. С так называемым регулированием временной развертки можно проанализировать видеосигналы от полевого режима (20 миллисекунд) до ширины строчной синхронизации (5 микросекунд).

На фотографии слева мы можем видеть типичный вид видеосигнала CCIR на экране осциллографа.

Результаты измерения, полученные с помощью осциллографа, являются наиболее объективными признаками качества видеосигнала, поэтому этим прибором непременно должен быть оснащен любой серьезный специалист по видеонаблюдению. Во-первых, осциллограф позволяет очень легко видеть качество сигнала, игнорируя любые возможные сбои яркости/контраста на мониторе.

Рис. 4.22. Осциллограф

Можно легко проверить и подтвердить уровни синхронизации видеосигнала независимо от того, имеет ли видеосигнал надлежащую оконечную нагрузку в 75 Ом, насколько далек сигнал (уменьшение амплитуды сигнала и потери высоких частот) и есть ли помехи в конкретном кабеле. Для корректных измерений всегда требуется правильная оконечная нагрузка, то есть, входное полное сопротивление осциллографа высоко и каким бы способом ни устанавливался сигнал, необходимо, чтобы на конце линии передачи сигнала было 75 Ом.

Примеры корректного соединения осциллографа с целью правильного измерения видеосигнала представлены на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Как правильно проводить измерения при помощи осциллографа

Рис. 4.24. Измерительный комплекс Tektronix 1781

Анализатор спектра

Как уже говорилось в связи с теорией Фурье, у каждого изменяющегося (по времени) электрического сигнала есть частотное представление. Частотная область описывает амплитуду сигнала по отношению к частоте, а не ко времени. Представление в области частоты позволяет лучше понять состав электрического сигнала. Большая часть видеосигнала приходится на низкие и средние частоты, в то время как мелкие детали передаются на более высоких частотах.

Инструмент, который показывает спектральный состав сигналов, называется анализатором спектра.

Анализатор спектра — дорогое устройство, не являющееся жизненно необходимым для специалиста по видеонаблюдению. Однако при корректном использовании, наряду с генератором тестовых шаблонов, позволяет получить немало ценных данных. Ослабление видеосигнала, корректное выравнивание кабеля, качество сигнала и т. д. — все может быть определено предельно точно. В вещательном ТВ анализатор спектра — необходимая вещь, помогающая удостовериться, что телесигнал не выходит за рамки неких предписанных стандартов.

Рис. 4.25. Анализатор спектра

Вектороскоп

Для измерения цветовых характеристик видеосигнала используется вектороскоп. Это электроннолучевой осциллограф с отображением сигналов на комплексной плоскости. На дисплее вектороскопа основные цвета занимают точно определенные позиции в полярных координатах. Вектороскоп редко используется в видеонаблюдении, но иногда, когда речь идет о воспроизведении конкретных цветов и условий освещения, он бывает необходим.

В большинстве случаев цветная ПЗС-камера имеет автоматический баланс белого, что, как мы уже говорили в разделе о цветовой температуре, компенсирует разницу цветовой температуры источников света. Тем не менее, когда используются камеры с ручной настройкой баланса белого, может понадобиться цветная испытательная таблица, и с помощью вектороскопа можно хорошо настроить цвета, которые должны оставаться в определенных пределах, отмеченных на экране в виде небольших квадратных окошек. Следует отметить, что вектороскоп по-разному показывает одно и то же изображение в формате NTSC и в формате PAL, что объясняется различиями кодировки цвета в этих двух системах. В PAL, как видно на фотографиях, цветовые векторы вертикально симметричны.

Рис. 4.26. Представление цветных полос системы NTSC и PAL на экране вектороскопа

Существует много других полезных инструментов (в действительности предназначенных для телевещательной индустрии), которые можно с успехом использовать в видеонаблюдении. Немного понимания и готовности учиться — и вы сможете количественно определить множество особенностей видеокомпонентов или системы в целом. Некоторые инструменты представляют собой несколько измерительных устройств в одном корпусе Если вы всерьез задумываетесь о видеонаблюдении, то эти устройства следует рассматривать как ценные, необходимые для вашей профессии инструменты.

Рис. 4.27. Измерительный комплекс Tektronix VM700

Телевизионные системы мира

Существует множество вариаций трех главных систем: PAL, NTSC и SECAM. В различных странах приняты полосы телевещания различной ширины, разные частоты цветовой поднесущей и звуковой несущей. Эти вариации обычно обозначаются при помощи суффикса, соседствующего с указанием системы, используемой в данной стране.

В приведенной ниже таблице 4.2 представлены варианты трех главных систем, а на следующих пяти страницах перечислено большинство стран мира и используемые в них стандарты.

Используя новые модели телевизоров и видеомагнитофонов, вы можете не беспокоиться о телевизионном стандарте, так как эти устройства автоматически находят нужный стандарт, но техническим специалистам, конечно, следует знать, какие используются стандарты.

Будем надеяться, что разновидностей новых цифровых стандартов в мире будет намного меньше.

Таблица 4.2

Телевидение высокой четкости (HDTV)

Эпоха телевидения высокой четкости (HDTV — High Definition Television) фактически уже наступила. В этой области проведены многочисленные эксперименты и испытания, и, что еще важнее, данная технология находится на таком этапе развития, когда возможно ее массовое производство. Во многих странах уже началось вещание HDTV, а охват старого аналогового ТВ постепенно сокращается. Предполагается, что окончательный переход к HDTV состоится в США к концу 2006 года, в Австралии — к концу 2008 года.

Будем надеяться, что вскоре такой же переход случится и в сфере видеонаблюдения.

Концепция высокой четкости требует примерно вдвое большего разрешения (горизонтального и вертикального, что дает повышение детализации в четыре раза) и нового формата изображения 16:9 (соотношение сторон кадра), в отличие от существующего формата изображения 4:3. Изменение формата изображения диктуется необходимостью совместимости с большинством киноформатов. Разрешение телевидения высокой четкости обеспечивает качество изображения, близкое к 35-мм фотопленке, а качество звука приближается к качеству компакт-диска.

Рис. 4.28. Сравнение HDTV и аналогового SDTV

Разработка HDTV велась уже более двух десятилетий, и первые тестовые передачи проводились в Японии, Европе и США.

В 1993 году была создана группа организаций и компаний, в которую вошли AT&T™, General Instrument Corporation™, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Philips™, David Sarnoff Research Centre™, Thomson™ и Zenith™ и другие. Эта группа получила название Grand Alliance. Основной задачей, которую поставила перед собой группа Grand Alliance, была оценка существующих технологий и выбор ключевых элементов, которые составили бы основу будущей оптимальной системы HDTV.

В 1995 году группа Grand Alliance одобрила использование кодирования видео, звукового и системного мультиплексирования в том виде, как это реализовано в MPEG-2, то есть тот же формат, что и BDVD.

Были предложены два режима визуального отображения: чересстрочная и прогрессивная (нечересстрочная) развертка.

В настоящее время HDTV является одним из стандартов цифрового телевидения (DTV — Digital Television), который предлагает самое высокое качество изображения. Всего существует 18 форматов DTV, из которых шесть — это форматы HDTV, из которых пять — это форматы с прогрессивной разверткой, а один — с чересстрочной. Еще восемь форматов — это телевидение стандартной четкости (четыре широкоэкранных формата 16:9, и четыре формата со стандартным соотношением сторон 4:3).

Оставшиеся четыре формата — это компьютерные форматы VGA (VGA — video graphics array).

Каждая телевизионная станция сама выбирает удобный формат для вещания. В HDTV используются следующие форматы:

— 720i — 1280x720 пикселов (чересстрочная развертка)

— 720р — 1280x720 пикселов (прогрессивная развертка)

— 1080i — 1920x1080 пикселов (чересстрочная развертка)

— 1080р — 1920x1080 пикселов (прогрессивная развертка)

Чересстрочная развертка здесь означает, что используется такой же тип развертки, как в аналоговом телевидении или видеонаблюдении (о чересстрочной развертке мы уже подробно рассказывали).

Впрочем, с появлением современных телевизоров с большим экраном повышенной яркости инерционность человеческого зрения привела еще к одной проблеме, так как глаз стал замечать мерцание.

Прогрессивная развертка выводит все изображение построчно одна линия за другой, что дает 50 или 60 полных кадров в секунду (в зависимости от региона). Это позволяет получить более плавное обновление изображений, но требует большей полосы пропускания. Для HDTV рекомендуемое расстояние между зрителем и экраном равняется четырехкратной высоте экрана, что позволяет достичь оптимального эффекта.

В качестве алгоритма сжатия изображения в HDTV принят стандарт MPEG-2, а для сжатия звука используется АС-3. Предложенная техника модуляции передачи — квадратурная амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой. Выбранная звуковая технология — 8-канальная цифровая система «объемного звука» Dolby с CD-качеством.

Цифровое наземное телевещание (DTTB — Digital terrestrial transmission broadcast) разрывает ставшую нам привычной связь одного телевизионного канала с одной частотой. DTTB может передавать либо один канал HDTV, либо шесть сервисов (каналов) телевидения стандартной четкости (SDTV), или даже до 10 сервисов с меньшим разрешением. Также как в случае с компьютерными технологиями, здесь можно выбирать скорость потока данных, ширину канала и качество изображения, которые взаимосвязаны.

По сути, тип изображения определяет емкость канала, нужную для передачи. Канал цифрового наземного вещания может потребовать пропускной способности до 20 Мбит/с. Сервисы HDTV будут использовать большую часть (или даже полностью) этой пропускной способности, но сервисы телевидения стандартной четкости потребуют значительно меньшую часть пропускной способности в зависимости от характера видеопотока. Так трансляция различных спортивных соревнований, где присутствует много быстрых движений, потребует до 10 Мбит/с и, следовательно, одновременно можно предоставлять только два сервиса такого рода. Для сравнения, для передачи изображения диктора потребуется уже только 5 Мбит/с.

Системы DTTB могут обеспечивать 6-, 7- и 8-МГц-канальные интервалы при минимальном или почти не заметном с точки зрения стоимости убытке. Австралия использует 7-МГц канальный интервал для аналоговых услуг, США — 6-МГц, Европа — 8-МГц, в некоторых странах используют 7-МГц.

DTTB можно обеспечить в пределах существующих вещательных диапазонов частот, обычно в УВЧ, но также и в метровых диапазонах, используя свободные каналы, соседствующие с каналами аналоговых сервисов.

Из-за технических ограничений, свойственных аналоговым системам, эти каналы зачастую нельзя использовать для дополнительных аналоговых услуг, но можно использовать для DTTB, так как ожидается, что такие приемники будут толерантны к высоким уровням внутриканальных помех и помех совмещенных каналов.

HDTV, естественно, смотрится лучше, четкость и разрешение изображений позволяют использовать экраны намного большего размера. Если первоначально такие экраны создавались на технологии ЭЛТ, позволяющей достичь высокого разрешения, то нельзя было ожидать, что размер диагонали экрана превысит 1 метр. Но благодаря новым технологиям, таким как плазменные панели, FED- или DMD-технологии, а также ЖК (все это мы рассмотрим в гл. 6 «Мониторы»), мы, конечно, увидим большие экраны, размеры которых будут ограничены, наверное, только размерами помещения и расстоянием до зрителя.

Для видеонаблюдения размеры не столь важны, вполне достаточно ЭЛТ-мониторов с высоким разрешением, так как большинство операторов и пользователей, работающих с системами наблюдения, следят за экранами с очень близкого расстояния. Но это не значит, что нельзя избрать иной подход и установить один или два больших монитора — в качестве главных контрольных дисплеев — на значительном расстоянии от зрителя.

5. Телекамеры в системах видеонаблюдения

Самый первый и наиболее важный элемент системы видеонаблюдения — это элемент, формирующий изображение, то есть телекамера.

Общие сведения о телекамерах

Термин «камера» произошел от латинского camera obscura, что означает «темная комната».

В средние века такие комнаты использовали художники. Затемненная комната кубической формы с выпуклой линзой с одной стороны и экраном, на который проецировалось изображение с другой, использовалась художниками для формирования изображений и последующей их зарисовки.

В XIX веке под «камерой» понимали устройство записи изображений на пленку или другой светочувствительный материал. Она состояла из светозащищенной коробки, объектива, через который проходил и фокусировался свет, затвора, контролировавшего продолжительность раскрытия объектива, и диафрагмы, регулировавшей количество проходящего через стекло света.

В 1826 г. Иозеф Найсфор Нипс (Joseph Рис. 5.1 Nicephore Niepce) получил первое негативное изображение на пленке. Так зародилась фотография.

Вначале фотографические камеры не сильно отличались от концепции камеры-обскуры. Они представляли собой черную коробку с объективом впереди и фотопластинкой сзади. Начальная установка изображения и фокусировка делались на основе перевернутой «вверх ногами» проекции, которую фотограф мог видеть, только прикрывшись черной накидкой.

Первая коммерческая фотокамера была снабжена механизмом ручной подачи пленки и видоискателем (или окуляром), который давал приблизительный обзор, видимый объективом.

Сегодня мы используем термин «камера» в киносъемке, фотографии, телевидении и мультимедиа. Камера проецирует изображение на различные мишени, но во всех камерах используется свет и объективы (В русском языке большое разнообразие значений слова «камера» — фотокамера, кинокамера, видеокамера, тюремная камера, воздушная камера, футбольная камера, газовая камера, камера хранения, велосипедная камера и т. д. Разумно для устройств, применяемых в видеонаблюдении использовать термин «телекамера». Прим. ред.).

Чтобы понять, что же такое система видеонаблюдения, необязательно быть экспертом по телекамерам и знатоком оптики, но если вы понимаете основы, то это вам здорово поможет.

Многое тут аналогично фотографии, а поскольку каждый из нас когда-либо пробовал свои силы в семейной фотографии, то нам нетрудно будет провести аналогии между видеонаблюдением и фотографией или домашним видео.

В фотографии и кинокамерах происходит преобразование оптической информации (изображений) в отпечатки на химической эмульсии (пленке). В телевизионных камерах происходит преобразование оптической информации в электрический сигнал. Во всех случаях используются объективы с определенным фокусным расстоянием и углом обзора, различными для различных форматов.

Объективам свойственны ограниченная разрешающая способность и наличие искажений (или аберраций), и особенно это заметно в пленочных камерах. Это происходит потому, что разрешение пленки все еще гораздо выше, чем разрешение электронных камер, хотя с каждым днем появляются все новые и новые ПЗС-матрицы более высокого разрешения.

Для примера, используемые в видеонаблюдении ПЗС-матрицы высокого разрешения содержат 752 х 582 пикселов (элементов изображения), а цветная негативная 35-мм пленка в 100 ISO имеет разрешение, эквивалентное 8000 х 6000 элементов (эмульсионных зерен пленки). Типичное разрешение пленки — 120 линий на мм.

В 1997 г. на рынке появился еще один тип камер. Такие камеры используются вместе с компьютерами в видеоконференциях и для хранения цифровых изображений. В этих камерах в качестве фотоприемника используется ПЗС-матрица — вместо аналогового электрического сигнала или проекции изображения на пленку камера преобразует изображение в цифровой формат и записывает его на микродиск или RAM-карту, с которых изображение легко перенести в компьютер. Большинство таких камер дают статические кадры, но появляются и камеры, дающие видеосигнал в цифровом формате в реальном режиме времени.

Рис. 5.2. Одна из ранних телевизионных камер (1931 г.)

Телекамеры с передающими трубками

Первые эксперименты с телевизионными камерами состоялись в 1930-х и были проведены инженером русского происхождения Владимиром Зворыкиным (Zworykin) (1889–1982). Его первая камера, созданная в 1931 г., фокусировала изображение на мозаику из фотоэлементов. Напряжение в каждом элементе было мерой интенсивности света в каждой точке и могло быть преобразовано в электрический сигнал.

Эта концепция, не считая небольших модификаций, осталась неизменной в течение десятков лет.

Первые камеры изготовлялись из стеклянных трубок и светочувствительного люминофорного покрытия на внутренней поверхности стекла. Сегодня мы называем их передающими трубками.

Рис. 5.3. Студийная телевизионная камера с передающей трубкой (1952 г.)

Работают передающие трубки по принципу фоточувствительности, основанному на фотоэффекте. Свет, проецируемый на люминофорный слой трубки (называемый мишенью) обладает энергией, достаточной, чтобы вызвать выбивание электронов из кристаллической решетки люминофора.

Число выбиваемых электронов пропорционально свету, и таким образом формируется электрическое представление световой проекции.

При появлении видеонаблюдения существовало два основных типа трубок: видиконы и ньювиконы.

Видикон был дешевле и менее чувствителен. Так называемый автоматический контроль потенциала мишени эффективно контролировал чувствительность видикона и косвенно выполнял функции электронного затвора, как сегодня мы называем этот процесс в ПЗС-телекамерах. Поэтому видиконы работали только с объективами с ручной установкой диафрагмы. Минимальная освещенность, необходимая для того, чтобы черно-белый видикон сформировал видеосигнал, составляла порядка 5-10 лк, отраженных от объекта, при использовании объектива F/1.4.

Телекамеры типа ньювикон были более чувствительны (до 1 люкса), более дорогие и требовали объективов с автодиафрагмой. Внешне они выглядели так же, как и видиконы, так что на вид их различить было непросто. Только опытный специалист по видеонаблюдению мог заметить небольшие отличия в цветах области мишени: у видикона есть темно-фиолетовая составляющая, а у ньювикона — темно-синяя. Два типа телекамер управляются различной электроникой, а телекамеры типа ньювикон снабжены разъемом автодиафрагмы.

Рис. 5.4. Принцип работы передающей трубки

Работа всех передающих трубок основывается на принципе сканирования электронным лучом мишени внутри трубки под действием электромагнитного поля. Луч отклоняется электромагнитным полем, генерируемым электронной системой камеры. Чем больше света достигает светочувствительного слоя мишени, тем ниже ее сопротивление в этом месте. При проецировании изображения, благодаря фотоэффекту, формируется потенциальный рельеф. Когда анализирующий электронный луч сканирует фоточувствительный слой, он нейтрализует положительные заряды, так что по локальным сопротивлениям протекает ток. Когда электронный луч попадает в конкретную часть потенциального рельефа, электрический ток теряет заряд пропорционально количеству света. Этот очень слабый ток — порядка пикоампер (1 пА = 1012 А) — подается на видеоусилитель с очень высоким входным сопротивлением, который и формирует напряжение видеосигнала. В трубке должен быть тонкий и однородный фотослой — это очень важно. Этот слой порождает так называемый теневой ток, который существует даже тогда, когда объектив не проецирует изображение (диафрагма закрыта).

После того, как сигнал сформирован, электронная система телекамеры добавляет синхроимпульсы, и на выходе телекамеры мы получаем полный видеосигнал, называемый композитным видеосигналом.

Функционирование передающих трубок опирается на несколько важных концепций, сейчас мы их кратко рассмотрим; это необходимо для того, чтобы оценить разницу между этой и новой ПЗС-технологией.

Рис. 5.5. Внутреннее устройство телекамеры с передающей трубкой

Первое: большие габаритные размеры телекамеры как таковой — стеклянная трубка, окружающая ее электромагнитная отклоняющая система и размеры электронных компонент системы — все это делало телекамеры довольно громоздкими.

Второе: необходимость в использовании точного отклоняющего электромагнитного поля, которое заставляет электронный луч сканировать область мишени согласно телевизионным стандартам. Использование электромагнитной системы для сканирования означает, что внешние электромагнитные поля других источников могут влиять на процесс сканирования, вызывая искажения картинки.

Третье: необходимость высокого напряжения (до 1000 В) для придания ускорения электронному лучу и задания его траектории. Поэтому в телекамерах приходится использовать высоковольтные компоненты, что всегда представляет собой потенциальную проблему для устойчивости электронных схем. Старые и высоковольтные конденсаторы могут начать подтекать, влага может создать токопроводящий воздушный слой вокруг компонент и привести к возникновению искровых разрядов.

Четвертое: необходимость наличия люминофорного слоя на мишени, который преобразует световую энергию в электрическую информацию. Люминофор постоянно подвергается электронной бомбардировке, и слой со временем изнашивается. Срок службы люминофорного покрытия трубки ограничен. При постоянной эксплуатации телекамеры (как это и происходит в системах видеонаблюдения) реальный ресурс телекамеры составляет пару лет, после этого срока изображение начинает ослабевать, вследствие выжигания люминофора могут появиться «впечатанные» изображения — если телекамера постоянно направлена на один и тот же объект. В результате мы можем увидеть такую картину: движущиеся люди похожи на призраков, они полупрозрачны и сквозь них просвечивают «впечатанные» изображения.

Пятое: геометрические искажения, обусловленные тем, что луч падает на мишень под различными углами; эта черта принципиально отлична от используемых сегодня ПЗС-телекамер (и ее следует рассматривать как недостаток) и является врожденным свойством, наследуемым от конструкции трубки как таковой. В частности, траектория электронного луча короче, когда он попадает в центр мишени, по сравнению с его траекторией при сканировании краев. Поэтому возникают геометрические искажения проецируемого изображения. Во многих конструкциях введены магнитные и электронные системы коррекции таких искажений, но при каждом перемещении трубки приходится заново регулировать настройки.

Новая ПЗС-технология позволила исключить все эти проблемы. Однако вначале одна характеристика трубок на заре ПЗС-технологий была недосягаемой. Невозможно было достичь разрешающей способности, соответствующей хорошей передающей трубке.

Разрешающая способность по вертикали зависит от стандарта сканирования, и оно более-менее одинаково и для ПЗС-телекамер, и для передающих трубок, но разрешающая способность по горизонтали (т. е. число воспроизводимых вертикальных линий) зависит от толщины электронного луча.

Этот фактор вполне успешно контролируется электронной системой, что позволяет воспроизводить очень тонкие детали при сканировании.

Рис. 5.6. Сравнение физических размеров передающей трубки и ПЗС-матрицы

Вначале микроэлектронная технология была не в состоянии создать элемент изображения (пиксел) на ПЗС-матрице меньший, чем поперечное сечение электронного луча. Это означает, что на заре технологии ПЗС-матриц их разрешение значительно отставало от разрешения трубок.

Однако очень скоро удалось повысить разрешение ПЗС-матриц, так что оно стало сравнимо с качеством телекамер с передающими трубками.

ПЗС-телекамеры

ПЗС — это прибор с зарядовой связью.

В 1970-х, когда появились первые персональные компьютеры, начались эксперименты с полупроводниковыми электронными компонентами — приборами с зарядовой связью — которые вначале предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств.

Очень скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнее использовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.

Основной принцип работы ПЗС заключается в сохранении информации электрических зарядов в фотоэлементах, а затем, когда потребуется, передаче этих зарядов на выходной каскад.

Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то концепция сдвига остается прежней, но вот вместо использования зарядовых пакетов для хранения цифровой информации (в случае, когда ПЗС-матрица служит запоминающим устройством), мы имеем фотоэлектронную генерацию электронов пропорционально количеству света, падающего на область формирования изображения, затем эти заряды сдвигаются вертикально и/или горизонтально так же, как сдвиговые регистры в цифровых схемах сдвигают двоичные значения.

Итак, зарядовые пакеты — как только они сформировались в фотоэлементах матрицы — «стекают» на выходной каскад при использовании методов зарядовой связи. Таким образом электрическая связь обеспечивается управлением напряжением и временем для каждой ячейки, называемой элементом изображения (пиксел).

Рис. 5.7. ПЗС-телекамера

Один из пионеров ПЗС-технологии, Гильберт Амелио, в своей статье, написанной в 1974 г., описывает зарядовую связь как «коллективный перенос всего мобильного электрического заряда, хранящегося на элементе полупроводниковой памяти на аналогичный сопряженный запоминающий элемент путем внешнего воздействия напряжением. Количество хранимого в мобильном пакете заряда может меняться в широких пределах в зависимости от приложенного напряжения и емкости запоминающих элементов. Величина электрического заряда в каждом пакете может представлять информацию».

ПЗС-чип может иметь либо линейную форму (линейный ПЗС), либо форму двумерной матрицы (ПЗС-матрица). Важно понимать, что они состоят из дискретных элементов (пикселов), но ПЗС-устройства не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел может содержать любое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, таким образом представляя аналоговую информацию.

Дискретные пакеты электронов переносятся (если время экспонирования закончилось) одновременным сдвигом рядов и столбцов пакетов на внешний каскад чипа. Поэтому мы и говорим, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами.

Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств, а только в качестве фотоприемников. Их можно найти во многих устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день: в факсимильных аппаратах, сканерах используются линейные ПЗС; во многих фотокамерах с автофокусом используются ПЗС-чипы автофокусировки; в географическом аэромониторинге, космическом зондировании планеты, промышленном обследовании материалов тоже применяются камеры с линейными ПЗС, и наконец, хотя это и не последнее, многие современные телевизионные камеры, как в широком телевещании, так и в системах видеонаблюдения, используют ПЗС-чипы.

ПЗС-телекамеры обладают многими преимуществами (конструктивными) перед телекамерами с передающими трубками, хотя, как ранее упоминалось, поначалу возникали трудности с разрешающей способностью. В наши дни технология достигла такого уровня, что высокое разрешение больше не проблема.

Рис. 5.8. Уже давно эти разные технологии выполняют одинаковую работу (телекамера с ПЗС-матрицей и телекамера с передающей трубкой)

Вот основные преимущества ПЗС-телекамер в сравнении с телекамерами на передающих трубках:

— очень низкая минимальная освещенность (для черно-белых до 1 лк на объекте);

— отсутствие геометрических искажений благодаря точной двумерной конструкции;

— низкое энергопотребление;

— не требуется высокое напряжение для ускорения луча;

— маленькие размеры;

— не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей;

— и самое важное неограниченное время жизни электронов, генерируемых фотоэффектом.

Рис. 5.9. Фотоны создают электроны в ПЗС-матрице

Рис. 5.10. Линейные ПЗС используются для получения фотографий со спутников

Как мы уже говорили раньше, ПЗС бывают всех форм и размеров, но основная классификация — это деление на линейные и двумерные матрицы. Линейные чипы используются в тех случаях, когда объекты движутся только в одном направлении (как в факсимильных аппаратах и сканерах).

В видеонаблюдении нас интересуют только двумерные матрицы, так называемые матрицы размеров 2/3", 1/2", 1/3".

Мы уже рассказывали, что эти размеры не представляют диагональные размеры матриц, как можно подумать, а соответствуют диаметрам передающих трубок, дающих такое же изображение.

Чувствительность и разрешение ПЗС-матриц

Сравнение по чувствительности покажет нам преимущества ПЗС-матриц в отношении видикона и ньювикона, а также в отношении эмульсии пленки.

В фотографии чаще всего используется пленка в 100 ISO, хотя можно приобрести пленку в 200 ISO (в два раза более чувствительную) или 400 ISO (в четыре раза чувствительнее, чем пленка 100 ISO).

Иногда можно даже встретить пленку в 1600 ISO, которая обычно применяется в ситуациях чрезвычайно низкой освещенности (в терминах фотографии).

Можно показать, что средняя черно-белая ПЗС-матрица имеет очень высокую чувствительность в сравнении с эмульсией пленки. В ясный солнечный день для типичной пленки в 100 ISO потребуются установки фотокамеры на 1 /125 с и F/16. Если на ту же сцену направить ПЗС-телекамеру, у которой нормальная выдержка CCIR затвора составляет 1/50 с, то следует использовать объектив примерно с F/1000 (плюс-минус одно F-число, так как АРУ телекамеры тоже играет роль). Если мы изменим 1/50 на 1/125 (в 2.5 раза короче), то чтобы получить ту же экспозицию, объектив должен быть раскрыт на 2.5 значения F-числа шире, чтобы скомпенсировать сокращение времени выдержки. Это даст нам вместо F/1000 примерно F/400 (вы помните F-числа: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8,11,16, 22, 32, 44, 64, 88, 128, 180, 250, 360, 500, 720, 1000, 1400 и т. д.). Теперь, чтобы перевести чувствительность эмульсии пленки от 100 ISO 1/125 и F/16 к эквивалентным установкам пленки более высокой чувствительности, зная, что чувствительность увеличивается вдвое с удвоением единиц ISO, мы получим изменение диафрагменного числа в 9.5 раз, от F/16 до F/400. Это примерно 29.5 = 720 раз. Итак, средняя чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы, выраженная в фотографических единицах ISO, равна примерно 100 ISOx720 = 72 000 ISO!

Рис. 5.13. Принцип работы ПЗС-телекамеры

Рис. 5.14. Элемент изображения ПЗС

Аналогично мы можем найти, что эквивалентная чувствительность цветной ПЗС-телекамеры равна примерно 5000 ISO, что тоже немало по фотостандартам.

Химическая (пленочная) фотография постепенно соединяется с электронными камерами. Говоря о компьютеризации фотографических процессов и цифровых технологиях, а также о появлении различных фотостандартов CD, следует отметить, что фотокамеры тоже претерпевают революционные изменения, и мы скоро увидим новые фотокамеры на ПЗС с увеличенной светочувствительностью.

Такие камеры не зависят от ТВ-стандартов, поэтому нет практически никаких ограничений на число пикселов и соотношение сторон. Даже когда еще только создавалась эта книга, производители начали изготавливать матрицы размером всего 62 мм х 62 мм, с не менее 5120 х 5120 элементов изображения. Как уже упоминалось, все это касается фотокамер, и не стоит их путать с телекамерами для видеонаблюдения.

Спектральная чувствительность ПЗС-матриц зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет. Типичная спектральная кривая ПЗС-матрицы показана на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Спектральная чувствительность глаза и ПЗС-матрицы

Даже если такое «проникновение» может показаться выигрышным (кажется, что ПЗС-матрица становится более чувствительна), имеются причины предотвращения проникновения более длинных волн глубоко внутрь матрицы. В частности, такие волны могут быть настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении могут пропасть мелкие детали, потому что заряд ячеек растечется по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания» (blooming). Может быть затронута также и масковая зона, предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут в значительной степени возрасти шум и вертикальный ореол (smear).

Поэтому в усовершенствованных ПЗС-телекамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Эти фильтры представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху ПЗС-матрицы. Они ведут себя как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза порядка 700 нм, вблизи красного цвета.

Однако, ряд производителей черно-белых телекамер предпочитает не использовать такие фильтры, чтобы не ослаблять их чувствительность. Это приемлемо в тех случаях, когда предполагается использовать телекамеру в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного света, однако с теоретической точки зрения телекамера с инфракрасным отсекающим фильтром имеет более высокую разрешающую способность (по сравнению с такой же ПЗС-матрицей без ИК-отсекающего фильтра), лучшее отношение сигнал/шум и более естественное преобразование цветного изображения в черно-белое при не такой уж низкой чувствительности.

Рис. 5.16. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС-матрицы

В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр, так как спектральная характеристика ПЗС-матрицы, которая отлична от характеристик человеческого глаза, должна соответствовать спектральной чувствительности человеческого глаза. Это к тому же одна из причин того, почему цветные ПЗС-камеры менее чувствительны, чем ч/б.

Типичная черно-белая ПЗС-матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала всего на 0.01 лк. Та же телекамера с ИК-фильтром потребует освещенности на объекте в 0.1 лк.

Современные цветные телекамеры характеризуются минимальной освещенностью на объекте в 2 лк при F/1.4 и дают видеосигнал приемлемого уровня (от 0.3 до 0.5 В).

Развитие ПЗС-технологии достигло такого уровня, что стало возможно производство матриц с несколькими миллионами пикселов. В цифровой фотографии 6-мегапиксельные матрицы стали уже привычными, а производители пытаются добиться и большего. Что касается систем видеонаблюдения, то здесь мы ограничены стандартами аналогового телевидения, поэтому сейчас редко встречаются ПЗС-матрицы с разрешением выше, чем, например, 752x584 пикселов, что дает примерно 400,000 пикселов.

О разрешении и о том, как его измерять, мы подробнее расскажем немного позже, но сейчас хотелось бы остановиться на нескольких очень перспективных решениях, которые, строго говоря, не являются телекамерами для видеонаблюдения, но позволяют получить очень высокое разрешение.

Одно из таких решений было разработано компанией Spectrum San Diego, которое называется SentryScope и позволяет получать изображение с разрешением 21 миллион пикселов. В основе SentryScope лежит линейный ПЗС с 2048 пикселами, который формирует изображение примерно так же, как это делают спутники при фотографировании земной поверхности. В SentryScope используется поворачивающееся зеркало, которое отражает на линейный ПЗС линии формируемого изображения. Поворачивающееся зеркало сканирует широкую область, которая эквивалентна 10,000 пикселов. Эта система не создает видеосигнал как таковой, но позволяет формировать изображение (с помощью ПК) с очень высокой степенью детализации.

Рис. 5.17. Ч/б ПЗС-матрица без инфракрасного отсекающего фильтра

Рис. 5.18. Цветная ПЗС-матрица с инфракрасным отсекающим фильтром

Рис. 5.19. Различные типы ПЗС-матриц

Сейчас появилось немало и других интересных решений, позволяющих повысить разрешение. В качестве примера можно привести телекамеру, разработанную компанией Co-Vi. В этой телекамере используется ПЗС-матрица с более высоким разрешением, чем обычно (1280x720 пикселов). Полученное изображение высокого разрешения затем масштабируется до стандартного разрешения, чтобы получить аналоговый видеосигнал. Основное отличие предложенного решения заключается в том, что при увеличении участка изображения разрешение не снижается, так как при увеличении фактически "вырезается" часть изображения высокого разрешения (чуть менее 1 миллиона пикселов). Для пользователя это похоже на работу с поворотной телекамерой с двукратным увеличением, что позволяет увидеть больше деталей.

Некоторые разработчики систем видеонаблюдения применяют еще одно интересное решение, в рамках которого используются стандартные телекамеры с длиннофокусными объективами, которые организованы в матрицы 3x3 или даже 4x4 телекамеры и направлены на какой-то объект таким образом, что поле их зрения друг с другом немного пересекается. Полученные изображения передаются на стену, состоящую из 3x3 или 4x4 мониторов, что дает суммарное разрешение от 3.6 до 6.4 миллионов пикселов. В результате получается очень большое и детализированное изображение, которое можно записать и на обычный цифровой видеорегистратор стандартного разрешения.

Рис. 5.20. Телекамера Sentry-Scope с ПЗС-матрицей и разрешением 21 миллион пикселов позволяет разглядеть очень мелкие детали

Типы переноса зарядов в ПЗС

В отношении способа переноса заряда используемые в видеонаблюдении ПЗС-матрицы можно подразделить натри группы.

Самый первый проект, относящийся к началу 1970-х, назывался покадровым переносом (frame transfer). Такой тип ПЗС-матриц разделен на две области равного размера — область изображения и маску, одна находится над другой.

Рис. 5.21. Телекамера от Со-Vi с матрицей 1280x720 пикселов

Рис. 5.22. Принцип работы прибора с зарядовой связью (ПЗС)

Рис. 5.23. Принцип кадрового переноса

Область изображения подвергается воздействию света в течение 1/50 с в соответствии с CCIR видеостандартом (1/60 с для EIA). Затем, в течение кадрового синхроимпульса, все сгенерированные светом заряды (электронное представление оптического изображения, спроецированного на ПЗС-матрицу), сдвигаются вниз на область маски (см. упрощенную схему на рис. 5.24). В общем, весь «кадр изображения» «спускается» вниз.

Рис. 5.24. Принцип строчного переноса

Обратите внимание на перевернутость спроецированного изображения, именно так оно выглядит в реальной ситуации, т. е. объектив проецирует изображение «вверх ногами», и при воспроизведении на видеомониторе нижний правый пиксел попадает в верхний левый угол.

В течение следующих 1/50 с область изображения генерирует электроны нового кадра, а в это время электронные пакеты в области-маске сдвигаются в горизонтальном направлении, строка за строкой. Пакеты электронов (ток) от каждого пиксела складываются в один сигнал и преобразуются в напряжение, формируя информацию телевизионной строки.

С технической точки зрения более точно было бы называть такую операцию «переносом поля», а не «кадровым переносом», но такой термин использовался с ранних дней разработки ПЗС, и мы примем его таковым, каков он есть.

Первая ПЗС-матрица была хороша. Она обладала на удивление хорошей чувствительностью в сравнении с ньювиконами и гораздо лучшей чувствительностью, чем видиконы, но появилась новая проблема, неведомая камерам-трубкам — вертикальное смазывание (или вертикальный ореол) (vertical smearing). В частности, в период между двумя последовательными экспозициями, когда активен перенос заряда, ничто не мешает свету генерировать дополнительные электроны. Понятно, ведь электронные камеры не имеют механизма механического затвора, как фото- или пленочные камеры. И там, где на проекции изображения присутствуют области интенсивного света, появляются яркие вертикальные полосы.

Чтобы разрешить эту проблему, инженеры изобрели новый способ переноса — строчный перенос. Разница заключается в том (см. упрощенный чертеж на рис. 5.24), что экспонируемая картинка переносится не вниз во время периода кадрового синхроимпульса, а сдвигается на левые колонки области маски. Колонки изображения и маски соседствуют друг с другом, перемежаются. Поскольку колонки пикселов маски находятся рядом с колонками пикселов изображения (правее), то сдвиг происходит значительно быстрее, и на генерацию нежелательного сигнала в областях ярких пятен — вертикальный ореол — остается не так много времени.

Если быть точным, вертикальный ореол все равно появляется, но в гораздо меньшей степени. К тому же существенно увеличивается отношение сигнал/шум.

У матриц со строчным переносом зарядов есть один недостаток, который исходит из самой концепции: чтобы добавить колонки-маски рядом с колонками изображения и разместить все это на площади, равной площади матрицы с кадровым переносом, приходится уменьшать размер светочувствительных пикселов. Это снижает чувствительность матриц. Но в сравнении с получаемыми преимуществами, этот недостаток несущественен.

Еще одно интересное преимущество — это возможность использовать электронный затвор в ПЗС. Это очень привлекательная возможность, ведь естественным временем экспозиции в 1/50 с (1/60 с для NTSC) можно электронным образом управлять и уменьшать до необходимых значений, продолжая выдавать видеосигнал размахом 1 Vpp.

Вначале для ПЗС-матриц со строчным переносом предлагалось использовать ручное управление электронным затвором, но очень скоро появилась и автоматическая версия. Такой тип управления называется автоматической ПЗС-диафрагмой или электронной диафрагмой (electronic iris).

Электронная диафрагма устраняет необходимость в использовании объективов с автодиафрагмой.

Объективы с ручной установкой диафрагмы могут использоваться с телекамерами с электронной диафрагмой даже в уличных условиях (Далеко не во всех случаях, так как динамического диапазона электронного затвора может быть недостаточно для отработки изменений уличного света. Прим. ред.). Однако следует отметить, что электронная диафрагма не может контролировать функцию глубины резкости, обеспечиваемую механической диафрагмой объектива. И следует также помнить, что, когда электронная диафрагма переключается на более высокие скорости затвора, из-за низкой эффективности переноса заряда возрастает вертикальный ореол.

Рис. 5.25. Сравнение традиционных схем с микролинзами и новой концепции Exwave фирмы Sony

Рис. 5.26. Структура ПЗС-матрицы с микролинзами, фотография сделана электронным микроскопом

Итак, если включен электронный затвор, он может переключаться в пределах от нормальной скорости экспозиции в 1/50 с (1/60 с) до более высокой (менее продолжительной) в зависимости от условий освещенности. Теоретически экспозиции, длиннее 1/50 с (1/60 с для EIA), не могут использоваться из-за потери ощущения движущегося изображения. В некоторых ПЗС-телекамерах возможны более длительные экспозиции, и такой режим называется интеграцией (накоплением заряда. Прим. ред.). В некоторых последних разработках, включающих цифровую обработку сигнала, интеграция включается автоматически, когда освещенность объекта падает ниже заданного уровня. Это особенно ценно в отношении цветных телекамер, но пока реализовано только для черно-белых телекамер (В современных цветных телекамерах с целью повышения их чувствительности реализован режим День/Ночь, благодаря чему при уменьшении освещенности ниже определенного уровня телекамера автоматически переключается на работу в черно-белом режиме. Прим. ред.). Плата за это — потеря гладкости движения (в режиме накопления мы не можем получить 50 полей/с), которая заменяется видимостью движения, аналогичной прерывистому воспроизведению с time-lapse видеомагнитофона.

Уменьшение размеров пиксела в матрицах со строчным переносом косвенно снижает минимальную освещенность матрицы. Эта проблема может быть разрешена очень просто (хотя технологически это не очень легко) — поверх каждого пиксела помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на сам пиксел, и эффективно увеличивает минимальную освещенность. На сегодняшний день наибольшее распространение в видеонаблюдении получили матрицы со строчным переносом заряда.

Типичный разрез ПЗС-матрицы со строчным переносом и с микролинзами приведен на рис. 5.27.

Рис. 5.27. Типичная структура ПЗС-матрицы с микролинзами

Как видно, микроструктура матрицы становится довольно сложной, когда речь идет о высококачественном сигнале.

Самый лучший проект — это последняя разработка, матрица с кадрово-строчным переносом, которая обладает всеми характеристиками строчного переноса плюс уменьшение вертикального ореола и лучшее отношение сигнал/шум. Как можно заключить из упрощенной схемы, такая матрица работает со срочным переносом на верхней части матрицы, то есть имеет электронный затвор, но изображение не удерживается в колонках маски в течение экспозиции следующего поля, а сдвигается вниз в более защищенную область маски.

В такой матрице вертикальный ореол еще меньше, а также увеличивается отношение сигнал/шум.

Здесь также используются микролинзы для улучшения минимальной освещенности. ПЗС-матрицы с кадрово-строчным переносом заряда имеют еще более совершенную микроструктуру, множество ячеек и областей для предотвращения стекания избыточных зарядов на окружающие области, ловушки генерируемых теплом электронов и пр.

Матрицы с такими усовершенствованиями обладают очень высоким динамическим диапазоном, ослабленным вертикальным ореолом и высоким отношением сигнал/шум, что делает их идеальными для съемок на улице и видеожурналистики. Такие типы камер в широковещательном телевидении обычно называются камерами видеожурналистики.

Итак, матрицы с кадрово-строчным переносом для видеонаблюдения слишком дороги, и, в основном, используются в широковещательном ТВ.

Следует отметить, что независимо от того, насколько совершенна электроника телекамеры, если качество источника информации — ПЗС-матрицы — очень высокое, то и телекамера будет высшего качества. Противоположное тоже верно, т. е. даже если ПЗС-матрица наивысшего качества, но электроника камеры не в состоянии обработать ее наилучшим возможным способом, то весь комплект будет комплектом второго класса.

Также следует отметить, что большинство из немногочисленных производителей матриц подразделяют ПЗС-устройства одного типа на несколько классов, в зависимости от качества и однородности пикселов. Различные производители могут использовать различные классы для одного и того же типа матриц. Это в итоге отражается не только на качестве, но и на цене телекамеры.

Рис. 5.28. ПЗС-матрицы могут иметь самые разные размеры

Импульсы переноса зарядов в ПЗС-матрицах

Качество сигнала, даваемого ПЗС-матрицей, зависит от импульсов переноса заряда. Импульсы генерируются внутренним кварцевым генератором телекамеры. Частота зависит от многих факторов, но, в основном, от числа пикселов ПЗС-матрицы, типа переноса заряда (покадровый, строчный, кадрово-строчный), а также числа фаз для каждого элементарного сдвига зарядов, в частности, элементарный сдвиг может производиться двухфазным, трехфазным или четырехфазным сдвиговым импульсом. В видеонаблюдении наиболее распространены телекамеры с трехфазным импульсом переноса.

Как вы можете себе представить, кварцевый генератор камеры должен иметь частоту, по крайней мере, в несколько раз более высокую, чем полоса пропускания видеосигнала, формируемого телекамерой. Все другие синхроимпульсы, в том числе и импульсы переноса, формируются из этой тактовой частоты.

Рис. 5.29. Концепция кадрово-строчного переноса

На схеме рис. 5.30 показано, как происходит перенос заряда в рамках трехфазовой концепции.

Импульсы, обозначенные как фл, ф2 и ф3 это импульсы низкого напряжения (обычно от 0 до 5 В), поэтому ПЗС-камеры не нуждаются в высоком напряжении, как это обстояло с передающими трубками.

На рис. 5.30 показано, как формируются синхроимпульсы видеосигнала при помощи главного синхрогенератора.

Рис. 5.30. Тактовые импульсы ПЗС-матрицы генерируются главным синхрогенератором

Это только один из многих примеров, но он демонстрирует всю сложность и количество генерируемых в ПЗС-телекамере импульсов.

ПЗС-матрица как устройство дискретизации

Как мы уже говорили, используемая в видеонаблюдении ПЗС-матрица является двумерной, состоящей из элементов изображения (пикселов). Разрешающая способность, даваемая такой матрицей, зависит от числа пикселов и разрешающей способности объектива. Поскольку последняя обычно выше, чем разрешение ПЗС-матрицы, то мы не будем считать оптическое разрешение камнем преткновения. Однако, как говорилось в разделе ФПМ, объективы изготавливаются с разрешением, подходящим для конкретного размера изображения, и следует осторожно использовать соответствующую оптику с матрицами различного размера.

Есть и еще один важный момент, касающийся разрешения ПЗС, это отсутствие непрерывности ТВ-линий. ТВ-линия, даваемая телекамерой с передающей трубкой, получается в результате непрерывного сканирования электронным лучом вдоль строки. ПЗС-матрица состоит из дискретных пикселов, и поэтому информация одной ТВ-линии состоит из дискретных значений, соответствующих каждому пикселу. Этот метод дает не цифровую информацию, а скорее дискретную выборку. Таким образом ПЗС-матрица — это оптическое устройство дискретизации.

Как и в случае других устройств дискретизации, мы не получаем полную информацию по каждой строке, только дискретные значения в позициях, соответствующих позициям пикселов.

Может показаться, что восстановить непрерывный сигнал из отдельных его частей невозможно. Однако в 1928 г. Найквист показал, что сигнал может быть реконструирован без потери информации, если частота дискретизации равна, по меньшей мере, двойной ширине спектра сигнала (Точнее, не менее, чем в два раза больше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. В России это положение называют теоремой Котельникова. Прим. ред.). Значения сигнала между выборочными точками знать не обязательно. Это важная теорема, доказанная и используемая во многих электронных устройствах дискретизации, CD-аудио, видео и др. Частота дискретизации, эквивалентная удвоенной ширине спектра, называется частотой Найквиста.

Есть, однако, и нежелательный побочный продукт ПЗС-дискретизации. Это хорошо известная муаровая картина, которая получается в случаях, когда снимается объект с более высоким разрешением. Обычно это хорошо видно, например, если диктор, ведущий программу новостей, наденет рубаху с очень мелким узором. Математически это соответствует случаю, когда максимальная частота приближается к частоте дискретизации. Поскольку пространственная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты оптического изображения Fsmax, мы можем представить ее в частотной области одним значением частоты в области частоты Найквиста F^^.

Пространственный спектр оптического сигнала основной полосы частот будет модулироваться в окрестностях этой частоты, что очень похоже на амплитудную модуляцию спектра боковых полос.

Если в оптическом изображении, спроецированном на ПЗС-матрицу, присутствуют высокие частоты и эти частоты выше половины частоты FNYQUIST, то боковые полосы (после дискретизации) наложатся на видимую основную полосу, и в результате мы увидим нежелательную картинку, муар. Муаровая частота ниже самой высокой частоты телекамеры FNYQUIST/2-Fsmax

Чтобы минимизировать этот эффект применяется низкочастотная оптическая фильтрация (low-pass optical filtering, LPO). Фильтры обычно составляют часть стеклянной маски ПЗС-матрицы и формируются путем комбинирования нескольких двоякопреломляющих кварцевых пластин.

Эффект аналогичен размыванию (blurring) мелких деталей оптического изображения.

Рис. 5.31. ПЗС-матрица как устройство дискретизации

ПЗС-матрица из пикселов (разрешение немного ниже, чем у проецируемой на нее испытательной таблицы)

Двойная коррелированная выборка

Шум в ПЗС-матрице имеет несколько источников. Самый значительный — это тепловой шум, в существенной степени он может быть вызван примесями в полупроводниках и недостатками процесса производства.

Высокий уровень шума снижает динамический диапазон фотоэлемента, что в свою очередь ухудшает качество изображения.

Тщательное проектирование ПЗС-устройств и точное изготовление позволяют снизить шумы. Низкая рабочая температура может снизить тепловые шумы. К сожалению, пользователь редко способен управлять этими параметрами.

Однако, существует метод обработки сигнала, позволяющий существенно уменьшить шум, и этот метод может быть реализован в конструкции ПЗС-камеры. Этот метод называется двойная коррелированная выборка (ДКВ). Термин выборка здесь относится к выборке выходного сигнала.

Концепция ДКВ основана на том факте, что в видеосигнале и опорном сигнале существует одна и та же шумовая компонента. А именно, когда выходной каскад ПЗС-матрицы переносит зарядовый пакет, он преобразуется в выходное напряжение. Для этого используется плавающая считывающая диффузия, чтобы собирать зарядовые пакеты сигнала при их переносе с ПЗС-матрицы. По мере переноса зарядовых пакетов напряжение на считывающей диффузии падает. Это напряжение представляет собой данные видеосигнала и усиливается на матрице усилителем с термокомпенсацией. Прежде чем следующий зарядовый пакет сможет быть перенесен в область диффузии, она должна быть полностью очищена от предыдущего пакета. Это выполняет опорный сигнал сброса, который содержит такую же компоненту теплового шума, что и видеосигнал матрицы. Если заранее сохранить эту компоненту шума, то потом ее легко вычесть из результирующего сигнала, который содержит шум и полезный сигнал.

ДКВ лучше всего работает при использовании двух быстродействующих цепей выборки и фиксации, подсоединенных к выходному сигналу фотоприемника через низкочастотный фильтр.

Мы не будем углубляться в архитектуру этих цепей, так как это выходит за рамки данной книги, но следует помнить, что схема ДКВ является частью электронной системы телекамеры, а не ПЗС-матрицы.

Рис. 5.33. Двойная коррелированная выборка — один из способов уменьшения шума в ПЗС-матрице

Технические параметры телекамер и что они означают

Основные задачи телекамеры — захват изображений, разбиение их на ряд неподвижных кадров и строк, передача и быстрое воспроизведение на экране, в результате чего человеческий глаз воспринимает их как движущееся изображение.

Выбирая телекамеру, мы должны принимать во внимание ряд характеристик. Некоторые из них очень важны, другие не очень, все зависит от применения.

Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятых из инструкции.

Различные производители используют различные критерии и методы оценки, и в большинстве случаев, даже если мы знаем, как интерпретировать все числа из технического паспорта, нам все же приходится самим оценивать качество изображения, сравнивая его с изображением, даваемым другой телекамерой.

Сравнительный тест — это зачастую наилучший и единственный объективный способ проверки характеристик телекамеры — вертикального ореола, шума, чувствительности и пр. Не забывайте, что общее впечатление о хорошем качестве изображения создается комбинацией многих факторов: разрешающей способности, ореола, чувствительности, шума, гамма-коррекции и пр.

Человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем этим факторам. Люди, не обладающие достаточным опытом, будут удивлены, узнав, что разница в разрешающей способности в 50 ТВЛ иногда менее важна для качества изображения, чем, например, правильная установка гамма-коррекции или разница в 3 дБ в отношении сигнал/шум.

Рассмотрим некоторые наиболее важные характеристики:

— Чувствительность телекамеры;

— Минимальная освещенность;

— Разрешающая способность телекамеры;

— Отношение сигнал/шум;

— Динамический диапазон.

Другие, менее важные, но тоже имеющие значение характеристики включают: гамма-коррекцию, темновой ток, спектральную чувствительность, оптическую низкочастотную фильтрацию, диапазон АРУ в дБ, энергопотребление, габаритные размеры и пр.

Чувствительность

Чувствительность телекамеры, четко определенная в широковещательном ТВ, в видеонаблюдении часто понимается неверно, ее обычно путают с минимальной освещенностью.

Чувствительность характеризуется минимальным отверстием диафрагмы (максимальным F-числом), дающим видеосигнал полного размаха 1 В на тестовой таблице, освещенность которой равна точно 2000 лк и создана источником с цветовой температурой 3200° К.

Тестовая таблица должна иметь шкалу градаций яркости от черного до белого и общий коэффициент отражения 90 % для белой части этой шкалы.

Одна из стандартных тестовых таблиц для этих целей — это градационная испытательная таблица EIA. Пиковый уровень белого должен составлять 700 мВ, а уровень черного — около 20 мВ. Гамма-коррекция тоже играет роль в правильном воспроизведении тонов серого и должна быть установлена на 0.45. Чтобы установить чувствительность телекамеры, требуется объектив с ручной установкой диафрагмы, обычно с фокусным расстоянием 25…50 мм. Чтобы измерения были корректны, следует отключить АРУ телекамеры.

Когда все вышеперечисленное проделано, ручную диафрагму объектива закрывают до тех пор, пока пиковый уровень белого (700 мВ относительно уровня гашения) не начнет уменьшаться.

Отметка установки диафрагмы — F/4 или F/5.6 — и дает чувствительность телекамеры. Чем больше это число, тем выше чувствительность телекамеры. При сравнении различных телекамер следует использовать одинаковый источник света и ту же испытательную таблицу.

Рис. 5.34. Этот пример иллюстрирует тестирование телекамеры с градационной испытательной таблицей. На отметке диафрагмы F/5.6 полный размах видеосигнала еще 1 В

Минимальная освещенность

В видеонаблюдении не существует четкого определения минимальной освещенности, в отличие от чувствительности телекамеры. Обычно этот термин относят к наименьшей освещенности на объекте, при которой данная телекамера дает распознаваемый видеосигнал. Поэтому данная характеристика выражается в люксах на объекте, при которых получается данный видеосигнал.

Термин распознаваемый используется в широком смысле, и в зависимости от производителя может быть определен или нет. Это одна из самых больших «уловок» в видеонаблюдении. Большинство производителей, особенно тайваньских, не указывают уровень видеосигнала на выходе телекамеры для освещенности, указываемой как минимальная освещенность. Этот уровень может составлять 30 % (от 700 мВ), иногда 50 %, а иногда и 10 %.

Вот, например, общепринятые выражения при описании минимальной освещенности: «0.1 лк на объекте с коэффициентом отражения 80 % при использовании объектива F/1.4».

Следует иметь в виду, что в телекамере с хорошей схемой АРУ даже 10 % видеосигнала (70 мВ) можно раскачать так, что он будет казаться намного больше, чем есть на самом деле. Это, естественно, может вводить в заблуждение.

Например, в паспорте записано: 0.01 лк на объекте с объективом F/1.4, что предполагает (но не сообщается вам) что АРУ включена. Другие производители скромно указывают в технических характеристиках, например, что минимальная освещенность равна 0.1 лк при F/1.4 (при этом на выходе 50 % видеосигнала получается с отключенной АРУ). Понятно, на бумаге первая телекамера может показаться гораздо более перспективной, хотя в действительности гораздо лучше вторая.

Еще один вопрос для дискуссии: одни производители дают минимальную освещенность на объекте, а другие имеют в виду минимальную освещенность ПЗС-матрицы. Это далеко не одно и то же.

Когда определяется минимальная освещенность телекамеры (освещенность объекта), должно также указываться соответствующее F-число. Вторым важным фактором после освещенности, который тоже необходимо знать, является коэффициент отражения объекта в процентах.

Рис. 5.35. На левой части можно было бы увидеть мальчика со свечой в руке, но его контуры практически неразличимы, так как чувствительности фотопленки недостаточно, но телекамера позволяет отчетливо его разглядеть, как это видно на мониторе справа.

Если указывается минимальная освещенность на ПЗС-матрице, можно учитывать не все факторы (такие, как отражение и пропускание объектива). Тогда при расчете эквивалентной освещенности объекта, проецируемого на ПЗС-матрицу, мы должны компенсировать все эти факторы.

Эмпирическое правило (которое я вывел в разделе «Вычисление количества света») гласит: с объективом F/1.4 минимальная освещенность ПЗС-матрицы обычно в 10 раз выше (меньше люкс), чем чувствительность на объекте. Например, освещенность объекта в 1 лк при отражении 75 % с объективом F/1.4 соответствует освещенности в 0.1 лк на ПЗС-матрице.

Вышесказанное приводит к такому выводу: реальные характеристики телекамеры можно легко скрыть, просто не указывая некоторые факторы. Внимательно читайте спецификации.

Известный факт — черно-белые ПЗС-телекамеры всегда имеют более низкую минимальную освещенность, чем цветные ПЗС-телекамеры.

Одна из причин — инфракрасный отсекающий фильтр на ПЗС-матрице. Как указывалось раньше, такой фильтр корректирует спектральную характеристику ПЗС-матрицы, приближая ее к характеристикам человеческого глаза, но он также снижает количество света, падающего на матрицу.

Другая причина заложена в конструктивных особенностях используемой в видоенаблюдении одной цветной матрицы. Каждый пиксел цветной ПЗС-матрицы состоит из трех элементов (саб-пикселов), размещенных на физическом пространстве одного черно-белого пиксела.

Размер каждого элемента составляет не более 1/3 черно-белого пиксела, что косвенно снижает чувствительность.

За период, прошедший между появлением этого издания книги и предыдущего, появилось большое количество телекамер, которые условно называются «день/ночь» (Day/Night). Эти телекамеры обычно имеют цветной фотоприемник, который превращается в черно-белый за счет механического удаления отсекающего ИК-фильтра и интегрирования трех пикселов RGB в один монохромный.

Таким образом, цветная телекамера при нормальных уровнях освещенности превращается в более чувствительную черно-белую телекамеру при минимальных уровнях освещенности. Кроме того, чувствительность возрастает также за счет инфракрасного диапазона, так как убирается отсекающий ИК-фильтр. Некоторые модели телекамер только переключаются в черно-белый режим с интегрированием пикселов, но не убирают отсекающий ИК-фильтр. Некоторые производители телекамер пошли еще дальше и к цветной матрице добавили черно-белую. В этом случае, когда уровень освещенности снижается ниже определенного, происходит механическое переключение фотоприемников.

Хотя такие решения достаточно практичны, но реализация механического переключения должна быть выполнена очень качественно, так как его придется делать как минимум два раза в сутки, что может послужить причиной выхода из строя. (Существуют телекамеры с двумя матрицами и двумя объективами, где переключение между матрицами осуществляется не механически, а электрически. Однако изображение на этих матрицах, как бы близко друг к другу они ни были расположены, будет немного отличаться. Впрочем, для большинства случаев, эти отличия не будут критичными. Прим. ред.) Чаще всего такие телекамеры нужны, когда требуется ночное наблюдение в инфракрасном свете с сохранением цветного режима работы при полном дневном свете.

Следует заметить, что большинство современных цветных телекамер даже без удаления отсекающего ИК-фильтра будут чувствительнее человеческого глаза.

Разрешающая способность телекамеры

Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разрешающей способности системы видеонаблюдения (телекамера-линия связи-устройство записи-монитор), то основной частью системы будет устройство ввода (то есть в большинстве случаев разрешающая способность системы будет во многом определяться разрешающей способностью телекамеры).

Существует разрешающая способность по вертикали и разрешающая способность по горизонтали.

Эти параметры измеряются по испытательной таблице. Разрешающая способность по вертикали — это максимальное число горизонтальных линий, которое способна передать телекамера. Это число ограничено стандартом CCIR/PAL до 625 горизонтальных строк и стандартом EIA/NTSC до 525 строк.

Реальное вертикальное разрешение (в обоих случаях) далеко от этих значений.

Если принимать во внимание кадровые синхроимпульсы, уравнивающие строки и пр., то максимальная разрешающая способность по вертикали оказывается равной 575 строк в CCIR/PAL и 470 строк в EIA/NTSC. Это требует корректировки с учетом фактора Келла — 0.7, и мы получим максимальное действительное вертикальное разрешение в 400 ТВЛ для CCIR/PAL (более подробно см. «Разрешающая способность» в главе 4 «Общие характеристики телевизионных систем»). Дедуктивное рассуждение может быть продолжено для сигнала EIA/NTSC, что даст максимальное действительное вертикальное разрешение в 330 ТВЛ.

Разрешающая способность по горизонтали — это максимальное число вертикальных линий, которые способна передать телекамера (В тех случаях, когда в документации указана только разрешающая способность, то это надо понимать, как разрешающая способность по горизонтали. Прим. ред.). Это число ограничено только технологией и качеством монитора. В наши дни существуют ПЗС-телекамеры с разрешающей способностью по горизонтали более 600 ТВЛ.

Горизонтальное разрешение ПЗС-телекамер обычно равно 75 % горизонтальных пикселов ПЗС-матрицы. Как объяснялось выше, это результат соотношения сторон 4:3. В частности, подсчитывая вертикальные линии в целях определения горизонтального разрешения, мы считаем только горизонтальную ширину, эквивалентную высоте монитора по вертикали. Идея в основе сего — получить линии равной толщины, как по верти-кали, так и по горизонтали. Итак, если мы подсчитаем общее количество вертикальных линий по ширине монитора, то их надо умножить на 3/4 или 0.75. Поскольку это необычный расчет, то мы обычно называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями (ТВЛ), а не просто линиями.

Рис. 5.36. Более точное измерение горизонтального разрешения по 5 % модуляции

Рис. 5.37. Испытательная таблица CCTV Labs была специально разработана для CCTV и используется для измерения разрешающей способности и многих других важных параметров

Для оценки разрешения телекамеры существует ряд тестовых диаграмм. Наиболее популярна таблица EIA RETMA, но для этих целей можно использовать и другие. На обложке книги вы найдете тестовую диаграмму, разработанную специально для видеонаблюдения.

Здесь важно знать одну вещь: при измерении разрешающей способности кабель, по которому передается видеосигнал, должен быть нагружен на согласующее сопротивление 75 Ом, и изображение на экране должно быть видно полностью, без отсечения краев (что делает большинство видеомониторов). Для этого необходимо использовать специальный видеомонитор высокого разрешения без ограничения растра.

Затем объектив телекамеры настраивается на наилучшую фокусировку (обычно при среднем значении F-числа: 5.6 или 8), при этом таблица должна полностью находиться в поле зрения. Также должны быть отключены все внутренние корректирующие цепи телекамеры (АРУ, гамма-коррекция, электронный затвор).

Рис. 5.38. Визуальное определение горизонтальной разрешающей способности (в центре) будет менее точным, чем при измерении по 5 % модуляции с использованием осциллографа с выбором ТВ-строки

Рис. 5.39. Испытательная таблица RETMA

Рис. 5.40. Новые рекомендации IEEE-208 для измерения разрешающей способности

Разрешающая способность оценивается по установлению момента, когда четыре сходящиеся линии в виде остроугольного треугольника на изображении испытательной таблицы перестают быть различимыми. Если это делать визуально, то вывод будет приблизительным (Это так назывемый метод измерения по «испытательному клину». Реально в силу дискретного характера ПЗС-матрицы строки начинают «биться» в нескольких местах, проявляется муар, о котором написано выше. Чтобы определить реальное место, соответствующее, например, разрешающей способности по горизонтали, следует поперемещать в небольших пределах телекамеру — при этом места биений будут перемещаться, а место, соответствующее пределу разрешающей способности будет неподвижно. Прим. ред.).

Например, если в испытательной таблице используется клин с четырьмя линиями (как на иллюстрации), то в точке, где эти четыре линии сливаются в три или две, находится предел разрешающей способности. Для более точных измерений следует анализировать только яркостный сигнал. Обычно это достигается путем отключения цветности или подключением через раздельный видеовыход Y/C, если такой имеется в телекамере. (Тем не менее, если нам интересна разрешающая способность телека меры именно в цветном режиме, то цвет отключать не следует. Прим. ред.) Поскольку место, где сливаются линии, точно определить визуальным способом нельзя, так мы получим только приблизительно значение. Погрешность визуальной оценки составляет около 10 %, что значительно затрудняет сравнение описанным методом телекамер с близкой разрешающей способностью. Например, визуально очень тяжело заметить разницу между телекамерой с 460 ТВ-линиями и другой телекамерой с 480 ТВ-линиями. Для более точного измерения следует воспользоваться высококачественным осциллографом с возможностью выбора ТВ-строки. Измерение затем сужается до выбора строки с глубиной модуляции четырех линий, которая равна или превышает 5 %. Метод расчета модуляции показан на иллюстрации и в общем случае выражается формулой 100х(А-В)/(А+В), где А— высшая точка, а В — низшая точка в измеряемой строке.

Использование осциллографа позволяет игнорировать ограничение по разрешающей способности монитора. Для того чтобы точно знать, какую часть испытательной таблицы мы измеряем, требуется как-нибудь указать положение измеряемой строки на испытательной таблице.

Существуют осциллографы (один из них показан на фотографии) с функцией отображения видеосигнала (монитора), где измеряемая строка будет отмечена линией. Если такого осциллографа у вас нет, то придется как-нибудь сопоставить измеряемую строку с положением на таблице.

Рис 5.41. Рекомендуем: Tektronix TDS3012B

Рис. 5.42. Измерение полосы частот видеосигнала тесно связано с разрешающей способностью

В случае с испытательной таблицей CCTV Labs мы упростили эту процедуру, так как номера строк уже сопоставлены с разрешающей способностью по тестовому клину. Эти соотношения (номер строки — разрешение) напечатаны с левой стороны таблицы.

Также подчеркнем, что при измерении разрешающей способности телекамеры следует использовать только качественную оптику, так как объективы среднего качества имеют значительно более высокое оптическое разрешение в центре, чем по краям, поэтому с такими объективами результаты измерения разрешающей способности телекамеры будут выше в центре, чем по краям.

Разрешающая способность тесно связана с полосой частот сигнала телекамеры. Эту связь мы уже объясняли, но не лишним будет еще раз вспомнить простое правило, согласно которому 1 МГц в полосе частот телекамеры дает 80 ТВ-линий горизонтального разрешения.

Практический опыт показывает, что человеческий глаз с трудом видит разницу в разрешающей способности, если она составляет менее 50 линий. Это, конечно, не означает, что разрешающая способность не является важным фактором в определении качества телекамеры, просто небольшая разница в разрешении едва заметна, особенно если она составляет менее 10 % общего числа пикселов.

Цветные телекамеры с одной ПЗС-матрицей (используемые в системах видеонаблюдения) имеют меньшую разрешающую способность, чем черно-белые, из-за деления на три цветовых компонента при том, что размеры этих ПЗС-матриц такие же, как у черно-белых телекамер. Трехматричные цветные телекамеры, используемые в телевещании, могут иметь гораздо более высокое разрешение. Появились телекамеры высокой четкости, где три 1-дюймовые матрицы дают горизонтальное разрешение близкое к 1000 ТВ-линиям.

Существует немало испытательных таблиц, которые используются для оценки разрешающей способности телекамер. Наиболее популярная из них — это испытательная таблица EIA RETMA, но в последнее время таблица по рекомендациям IEEE-208 становится все более популярной. Существуют и другие таблицы, которые вы легко можете найти в сети Интернет. Многие из них разработаны для оценки какого-либо одного параметра телекамеры, но только испытательная таблица CCTV Labs была специально разработана для индустрии видеонаблюдения. Эта таблица появилась еще в первом издании этой книги в 1995 году и в настоящее время стала стандартом де-факто.

Сейчас примерно 500 производителей оборудования для видеонаблюдения используют испытательную таблицу CCTV Labs в своих измерениях и сравнительных тестах. Как и в предыдущих изданиях книги, в этом издании мы публикуем испытательную таблицу на обложке. На момент выхода книги это была самая последняя версия таблицы, которая со временем изменялась, и каждый ее новый элемент позволял измерять новые параметры. Для более точных измерений читатель может приобрести через веб-сайт www.cctvlabs.conn испытательную таблицу большего формата (A3). Эта таблица отличается более точным воспроизведением цветов и деталей. Конечно, издатель постарался по возможности точно воспроизвести версию таблицы для данной книги, но точность воспроизведения мной не контролировалась, так как требуется индивидуальный контроль типографских красок и полиграфического процесса.

Завершая этот раздел, мы бы хотели всячески поощрить читателей к обмену своими испытательными таблицами и результатами тестирования, что также можно сделать через веб-сайт CCTV Labs.

Присылая свои результаты тестирования, вы сможете поделиться ими с читателями журнала CCTV Focus, и это позволит нам всем вместе сравнивать различные телекамеры, цифровые видеорегистраторы и анализировать результаты сравнения.

Более подробно о параметрах, которые можно измерять с помощью испытательной таблицы CCTV Labs, вы можете прочесть в Главе 14.

Разрешающая способность тесно связана с полосой пропускания сигнала телекамеры. Эта связь объяснялась в предыдущем разделе.

Тестовая диаграмма на обложке книги, которую я подготовил для измерения разрешающей способности и других важных характеристик видеосигнала, может использоваться таким же образом. В разделе «Тестовая таблица для систем видеонаблюдения» вы найдете подробное объяснение других тестов.

Практический опыт показывает, что человеческий глаз с трудом различает разницу в разрешающей способности, если она составляет менее 50 линий. Это не означает, что разрешающая способность не является важным фактором в определении качества телекамеры, просто небольшая разница в разрешении едва заметна, особенно если она меньше 10 % общего числа пикселов.

Цветные телекамеры с одной ПЗС-матрицей (используемые в системах видеонаблюдения) имеют меньшую разрешающую способность, чем черно-белые, из-за деления на три цветовых компонента при том, что размеры этих ПЗС-матриц такие же, как у черно-белых телекамер. Трехматричные цветные телекамеры, используемые в телевещании, могут иметь гораздо более высокое разрешение. Появились телекамеры высокой четкости, где три 1 — дюймовые матрицы дают горизонтальное разрешение, близкое к 1000 ТВЛ.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал телекамеры, особенно в условиях низкой освещенности. Шума избежать невозможно, но его можно минимизировать. В основном, он зависит от качества ПЗС-матрицы, электроники и внешних электромагнитных воздействий, но также в сильной степени и от температуры электроники. Металлический корпус телекамеры в значительной степени защищает от внешних электромагнитных воздействий (Строго говоря, внешние электромагнитные воздействия, как правило, являются стационарными процессами, поэтому их нельзя относить к шумам; их и называют наводками или помехами. Прим. ред.).

Источниками шума внутри телекамеры являются как пассивные, так и активные компоненты, поэтому «зашумленность» зависит от их качества, конструкции системы и в сильной степени от температуры. Вот почему, указывая отношение сигнал/шум, производитель должен также указать и температуру, при которой проводились измерения.

Шум в изображении аналогичен по природе шуму в аудиозаписях. На экране зашумленное изображение дает зернистость или снег, а на цветном изображении могут быть цветовые вспышки. Сильно зашумленные видеосигналы бывает трудно синхронизировать, изображение может получиться нечетким, с плохим разрешением. Зашумленное изображение от телекамеры становится еще хуже при уменьшении освещенности объекта, а также при использовании АРУ с большим усилением.

Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ).

Децибелы — это относительные единицы. Отношение выражается не в виде абсолютной величины, а в форме логарифма. Причина проста: логарифмы позволяют переводить большие отношения чисел к двух-трехзначным числам, но что более важно, преобразование сигнала (при вычислении затухания или усиления системы) сводится к простому сложению или умножению. Другая причина использования децибел (т. е. логарифма) — это более естественное понимание уровня звука и изображения. В частности, ухо человека воспринимает звук, а глаз воспринимает свет, подчиняясь логарифмическому закону.

Если вычисляется отношение любых двух величин, выраженных в одинаковых единицах, то в результате получаются дБ. Если же считается отношение к какому-то уровню, например, уровень напряжения относительно 1 мВ, то единицы называются дБмВ. Если мощность выражена относительно 1 мкВт, то единица называется дБмкВт.

Общая формула для отношений напряжения и силы тока имеет вид:

S/N = 20lg(Uc/Uш) (41)

Где Uc — напряжение сигнала, Uш — напряжение шума. Значения тока используются, если нужно показать отношение токов.

Если целью сравнения является отношение мощностей, то формула принимает несколько иной вид:

S/N = 10lg(P1/P2) (42)

Мы не будем вдаваться в объяснения по поводу различий (10 и 20), но запомните, что это вытекает из соотношения между напряжением, силой тока и мощностью.

В видеонаблюдении мы используем децибелы, в основном, для вычисления соотношения напряжений, то есть мы будем использовать только первую формулу.

В таблице приведены некоторые значения отношений напряжений (тока) и мощности в дБ. Обратите внимание на разницу между этими двумя величинами. В то время, как разница по напряжению в 3 дБ означает, что значение одного напряжения на 41 % больше сравниваемого значения, то для мощности 3 дБ означают двойное увеличение мощности (100 %-увеличение).

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры измеряется не так, как это делается в телевещании или при передаче сигнала. В сигнале телевещания отношение сигнал/шум — это отношение сигнала к шуму, накопленному при передаче сигнала от передатчика к приемнику. Оно определяется как отношение (в дБ) амплитуды сигнала, соответствующего шкале градаций яркости, к среднеквадратическому значению напряжения наложенного случайного шума, измеренного в полосе частот от 10 кГц до 5 МГц. Есть специальные приборы, спроектированные для непосредственного измерения этой величины при использовании сигнала испытательной строки (VITS).

Отношение сигнал/шум ПЗС-телекамеры определяется как отношение сигнала к шуму, производимому матрицей и электроникой телекамеры. Чтобы получить реальное отношение сигнал/шум телекамеры, все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) должны быть отключены, включая гамма-коррекцию, АРУ, электронный затвор и схему компенсации встречной засветки. Температура должна быть на уровне комнатной. Самый простой метод измерения шума в сигнале телекамеры — это использование специального измерителя шума. Это устройство оценивает шум в полосе от 100 кГц до 5 МГц и выводит отношение сигнал/шум прямо в децибелах. Для ПЗС-телекамер в видеонаблюдении отношение сигнал/шум более 48 дБ считается хорошим.

Следует помнить, что изменение отношения сигнал/шум на 3 дБ означает примерно 30-процентное уменьшение шума, так как уровень видеосигнала не меняется. И при сравнении телекамеры, у которой сигнал/шум равен 48 дБ, с телекамерой, у которой, например, эта величина равна 51 дБ, последняя даст значительно лучшее изображение, что будет особенно заметно при низких уровнях освещенности. Говоря об отношении сигнал/шум, мы всегда полагаем, что АРУ отключена.

Если не допускать значительного нагрева телекамеры, то шум будет меньше.

Для сравнения приведем такую величину: ПЗС-телекамеры в телевещании имеют отношение сигнал/шум более 56 дБ, что чрезвычайно хорошо для аналогового видеосигнала.

Эффективное охлаждение телекамеры значительно уменьшает шумы. Снижение температуры для любой электроники означает уменьшение шумов. В астрономии и других сферах применения существуют специальные телекамеры с охлаждением, которые разработаны таким образом, что ПЗС-матрица охлаждается очень эффективно. Нередко можно встретить охлаждение до -50 °C и ниже.

Для специфических сфер применения используются телекамеры, у которых блок с ПЗС-матрицей имеет возможность подключения охладителя. Некоторые модели, наподобие той, которая изображена на иллюстрации, используют охлаждающие элементы Пельтье, для того чтобы постоянно поддерживать температуру ПЗС-матрицы на уровне 5 °C, что снижает шум до 1/8 от величины шума при комнатной температуре. Поэтому необходимо отметить, что если в системе видеонаблюдения не используются качественные телекамеры, то их перегрев может очень сильно повлиять на качество изображения.

Рис. 5.43. Телекамера с охлаждающим элементом Пельтье, который поддерживает рабочую температуру ПЗС-матрицы около 5 °C и снижает шумы на 85 %.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы

Динамический диапазон нечасто упоминается в технических характеристиках телекамер систем видеонаблюдения. Однако, это очень важная деталь, характеризующая эффективность камеры.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы определяется как максимальный сигнал накопления (насыщенная экспозиция), деленный на общее среднеквадратическое значение шума эквивалентной экспозиции. Динамический диапазон аналогичен отношению сигнал/шум, но относится только к динамике ПЗС-матрицы при обработке темных и ярких объектов в пределах одной сцены.

Отношение сигнал/шум относится к полному сигналу, включая электронные схемы телекамеры, и выражается в дБ, а динамический диапазон — это отношение, не логарифм. Это число показывает световой диапазон, обрабатываемый ПЗС-матрицей, только этот диапазон выражается не в фотометрических единицах, а в значениях сформированного электрического сигнала. Он начинается с очень низких уровней света, равных среднеквадратическому значению шума ПЗС-матрицы и доходит до уровня насыщенности. Поскольку это отношение двух значений напряжения, то величина безразмерная, обычно порядка нескольких тысяч. Типичные значения лежат между 1000 и 100000. Внешний свет может легко превысить уровень насыщения ПЗС-матрицы, так как динамический диапазон вариаций света в уличных условиях гораздо шире, чем может обработать ПЗС-матрица. Например, в ясный солнечный день ПЗС-матрица быстро достигает насыщения, особенно если телекамера не имеет АРУ, автодиафрагму или электронный затвор. Автодиафрагма оптически блокирует избыточный свет и снижает его до верхнего уровня ПЗС-матрицы, в то время как электронный затвор делает то же, электронным образом снижая время экспозиции матрицы (которое в нормальных условиях составляет 1/50 с для сигнала CCIR/PAL и 1/60 с для EIA/NTSC).

Рис. 5.44. Слева телекамера дает заметный вертикальный ореол, справа ореол почти незаметен

Когда достигается уровень насыщения при экспозиции ПЗС-матрицы (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC), может проявиться эффект «заплывания» (blooming), когда избыточный свет насыщает не только те элементы изображения (пикселы), на которые он падает, но и соседние тоже. В результате у телекамеры снижается разрешающая способность и детальная информация в ярких зонах. Чтобы решить эту проблему, во многих ПЗС-матрицах была разработана специальная секция (anti-blooming). Эта секция ограничивает количество зарядов, которые могут собираться на каждом пикселе.

Если эта секция спроецирована нормально, ни один пиксел не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры. Итак, даже если динамический диапазон такого сигнала ограничен, детали в ярких областях изображения не теряются. Это может оказаться чрезвычайно важным в сложных условиях освещения: если телекамера «смотрит» на свет фар автомобиля или ведется наблюдение в коридорах на фоне яркого света.

Некоторые изготовители телекамер (вроде Plettac) разработали специальную схему, которая блокирует перенасыщенные зоны на этапе цифровой обработки сигнала. Схема АРУ видеосигнала «не замечает» слишком ярких зон и не использует их в качестве белых пиковых опорных точек, вместо этого берутся более низкие значения, благодаря чему детали в темных зонах становятся более различимы.

Другие фирмы, вроде Panasonic, запатентовали новые методы работы ПЗС-матриц, вместо экспозиции одного поля в каждый период (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC) за этот период проводится две экспозиции. Одна — очень короткое время, обычно порядка 1/1000 с, другая — нормальное время, которое зависит от количества света.

Затем две экспозиции комбинируются в одно поле, так что яркие зоны экспонируются более короткое время и дают детали в ярком, а более темные области экспонируются дольше, что позволяет получить детали в темной части изображения, суммарный эффект — увеличение динамического диапазона телекамеры в 40 раз (как утверждает Panasonic).

Рис. 5.45. Супердинамический эффект в телекамерах Panasonic

Следует упомянуть, что кроме конструкции самой ПЗС-матрицы важную роль для ее динамического диапазона, как и для отношения сигнал/шум, играет температура. Более низкие температуры дают меньший уровень шума в любом электронном устройстве, так что динамический диапазон увеличится. В научных исследованиях, где нежелателен любой, даже ничтожно малый, шум, используются специально охлажденные ПЗС-головки, а рабочая температура ПЗС-матрицы сохраняется в пределах ниже -50 °C. Для таких приложений выпускаются телекамеры с ПЗС-блоком со средствами подсоединения охлаждающего агента.

Итак, следует помнить, если в системах видеонаблюдения мы не используем телекамеры хорошего качества, то температура может сыграть существенную роль в снижении качества изображения. Таким образом, очень важно сохранять температуру корпуса телекамеры как можно более низкой.

Рис. 5.46. Затемнение пикового света в телекамерах фирмы Plettac

Цветные ПЗС-телекамеры

Цветное телевидение — это очень сложная наука. Основная концепция цветного телевидения, как уже говорилось, заключена в комбинировании трех основных цветов: красного, зеленого, синего.

Цветовое смешение происходит в нашем глазу, когда мы смотрим на экран видеомонитора с некоторого расстояния. Дискретные цветные элементы (R, G и В) столь малы, что на самом деле мы видим результирующий цвет, получившийся в результате аддитивного смешения трех компонент.

Как мы говорили выше, это называется аддитивным смешением, в противоположность субтрактивному, потому что, добавляя дополнительные цвета, мы получаем большую яркость, и при корректном смешении первичных цветов может быть получен белый цвет.

Большинство цветных телекамер в телевещании имеют три ПЗС-матрицы, каждая получает свою компоненту цвета. Разделение белого цвета на компоненты R, G и В производится специальной оптической светоделительной призмой, устанавливаемой между объективом и ПЗС-матрицами.

Светоделительная призма — это очень дорогой и точный оптический блок с дихроическими зеркалами. Такие телекамеры называются трехматричными цветными телекамерами и нечасто применяются в системах видеонаблюдения, так как они значительно более дорогие, чем одноматричные телекамеры. Однако они имеют очень высокую разрешающую способность и превосходные технические характеристики.

В видеонаблюдении чаще всего используются одноматричные цветные телекамеры. Они формируют композитный цветной видеосигнал, известный как CVBS. В главе 4 мы уже обсуждали цветной видеосигнал (см. уравнение (35)); три компоненты видеосигнала, входящие в состав CVBS: яркостной сигнал (Y), красный цветоразностный (V = R-Y) и синий цветоразностный (U = B-Y). Они квадратурно модулированы и вместе с яркостным образуют композитный цветной видеосигнал. Затем в цветном видеомониторе эти компоненты обрабатываются и получаются первичные сигналы R, G и В.

В одноматричных цветных ПЗС-телекамерах цветоделение может производиться одним из двух методов фильтрации:

— Фильтр полос RGB, где три вертикальные пиксельные колонки (полоски) расположены рядом друг с другом: красная, зеленая, синяя.

— Комплементарный мозаичный цветовой фильтр, где пикселы ПЗС-матрицы не чувствительны к R, G и В цвету, а чувствительны к дополнительным (комплементарным) цветам — голубому, пурпурному, желтому и зеленому, расположенным в виде мозаики.

Рис. 5.47. Цветная ПЗС-телекамера с тремя матрицами использует светоделителъную призму для разделения цветов

Первый тип одноматричной цветной ПЗС-камеры дает очень хорошее цветовоспроизведение и требует более простых схем. Однако, такие матрицы «страдают» очень низкой разрешающей способностью по горизонтали, обычно порядка 50 % от общего числа пикселов в горизонтальном направлении матрицы. Что касается разрешающей способности по вертикали, то она определяется полным числом пикселов по вертикали. Подобный тип телекамер формирует цветные сигналы RGB.

Мозаичная одноматричная цветная ПЗС-телекамера требует более сложной электроники и может отставать по качеству цветопередачи в сравнении с RGB моделями (ведь цветовые преобразования должны относиться к компонентам Су, Ye, Mg, Gr), но дает гораздо более высокую разрешающую способность по горизонтали (более 65 % горизонтальных пикселов).

Рис. 5.48. Фильтр полос RGB одноцветной ПЗС-матрицы

Рис. 5.49. Комплементарный (Су, Ye, Mg, Gr) мозаичный фильтр одноцветной ПЗС-матрицы

Поскольку последние наиболее распространены в видеонаблюдении, мы уделим немного больше места этому вопросу и объясним, как цветовые компоненты преобразуются в композитный цветной видеосигнал.

Мозаичный фильтр, обычно называемый матрицей цветовых фильтров (CFA, Color Filter Array), разделяет свет на голубой, пурпурный, желтый и зеленый компоненты. Как уже упоминалось, эти цвета являются дополнительными. И на практике этот тип одноматричных ПЗС-телекамер использует цветовые компоненты Су, Ye, Mg и Gr для создания сигнала яркости Y и цветоразностных сигналов V = R-Yn U = B-Y

Следует отметить (для ясности), что одноматричная цветная ПЗС-телекамера имеет светочувствительные пикселы одинаковой кремниевой структуры, не различной для различных цветов, как можно подумать. Именно CFA-фильтр разделяет изображение на цветовые компоненты.

Чтобы понять, как это происходит, посмотрите на матрицу цветовых фильтров на рис. 5.50.

Рис. 5.50. Матрица цветовых фильтров (CFA) цветной одноматричной ПЗС-телекамеры

Такой тип CFA-фильтра относится к телекамере стандартной интеграции поля, т. е. к телекамере, время экспозиции которой составляет 1/50 с для PAL или 1/60 с для NTSC.

Как видно из схемы, четыре ячейки горизонтального сдвигового регистра содержат сигналы (Gr+Cy), (Mg+Ye), (Gr+Cy) и (Mg+Ye) соответственно. Обрабатывая соответствующим образом эти четыре сигнала, мы можем получить три компонента композитного цветного видеосигнала: яркостной (Y), красный цветоразностный сигнал (R-Y) и синий цветоразностный сигнал (B-Y).

Во-первых, сигнал яркости получается из соотношения:

7 = 1/2 [(Gr + Су) + (Mg + Ye)] = 1/2 (2В + 3G + 2R) (43)

Приведенное выше соотношение показывает, как получается сигнал яркости в цветных одноматричных ПЗС-камерах с любым типом фильтрации (как с мозаичным типом фильтра, так и с фильтром полос RGB).

Красный цветоразностный сигнал получается по линии А1:

R — Y = [Mg + Ye) — (Gr + Су)] = (2R — Gr) Синий (44)

цветоразностный сигнал получается из значений по линии А2:

В — Y = [Gr + Ye) — (Mg + Су)] = (2В — Gr) (45)

Итак, эти два сигнала вместе с яркостным замешиваются в композитный видеосигнал и представляют цветной видеосигнал стандарта PAL (или NTSC).

Новые разработки постоянно совершенствуют технологию получения изображения (ПЗС и КМОП), и хотя бы одну из них следует упомянуть в этом разделе. Компания Foveon создала многослойный одноматричный фотоприемник, в котором разделение цветов происходит не фильтрами на разных ячейках матрицы, а за счет специальной многослойной технологии, где цвета разделяются по мере проникновения в одну и ту же ячейку. В результате достигается лучшая цветопередача и более высокая разрешающая способность. Сейчас уже есть цифровые фотоаппараты с матрицей Foveon X3, и не будет ничего удивительного в том, если в будущем появятся и телекамеры с подобной матрицей для систем видеонаблюдения.

Баланс белого

От цветной телекамеры кроме разрешения и минимальной освещенности, мы требуем хорошей и точной цветопередачи.

Первые цветные ПЗС-телекамеры имели внешние датчики для определения цвета объекта (обычно устанавливаемые на телекамеру сверху), и оценка света этим датчиком влияла на процесс цветовой обработки. Это называлось автоматический баланс белого (automatic white balance, AWB), но из-за разницы в углах обзора у датчика и объектива, устройство не отличалось большой точностью. В современных телекамерах автоматический баланс белого осуществляется через объектив (TTL-AWB, through-the-lens).

Начальная калибровка телекамеры производится путем экспонирования ПЗС-матрицы при включенном питании. Для этого перед телекамерой кладут лист белой бумаги и затем камеру включают. При этом корректировочные коэффициенты запоминаются в памяти телекамеры и затем используются для модификации всех остальных цветов. Этот процесс в значительной степени зависит от цветовой температуры источников света в зоне установки телекамеры.

Многие телекамеры снабжены кнопкой перезагрузки AWB без отключения камеры. Насколько хороша эта корректировка, зависит от самой ПЗС-матрицы и конструкции схемы баланса белого.

Рис. 5.51. Спектральная чувствительность цветной телекамеры с ПЗС-матрицей с мозаичным ПЗС-филътром Cy-Mg-Gr-Ye

Большинство современных телекамер имеют AWB, но все-таки еще можно встретить модели с ручной настройкой баланса белого (manual white balance, MWB). В MWB-телекамерах всего две настройки (выбираемых переключателем): в помещении и вне помещения. Первый режим обычно устанавливается для источников света с цветовой температурой порядка 2800° К — 3200° К, а наружный режим — для температур 5600° К — 6500° К. Это соответствует средним условиям освещенности внутри помещений и на улице.

В некоторых простых телекамерах имеются регулировки, с помощью которых можно настраивать телекамеру. Но если у вас нет образцовой камеры, направленной на ту же сцену, установка цветового баланса может оказаться делом непростым. Задача особо усложняется, если несколько телекамер подсоединены к одному видеокоммутатору, видеоквадратору (разделителю экрана) или видеомультиплексору.

Цветные телекамеры новых моделей кроме AWB снабжены механизмом автоматического отслеживания баланса белого (automatic tracking white balance, ATWB), который непрерывно настраивает (отслеживает) цветовой баланс при изменении положения телекамеры или освещенности. Это особенно удобно для телекамер, установленных на поворотном устройстве, а также для зон со смешанным освещением (естественным и искусственным). В системах видеонаблюдения, где используется поворотное устройство, обзор телекамеры может попадать в зоны с источниками различной цветовой температуры, например, с одной стороны — внутренний (в помещении) свет от ламп накаливания, а с другой — уличный естественный свет. Устройство ATWB динамически отслеживает цветовую температуру источников света в процессе панорамирования. Так что если у вас нет ATWB-телекамеры, то будьте очень внимательны к световым условиями в поле зрения телекамеры, принимая во внимание не только интенсивность, но и цветовую температуру.

И наконец, как уже упоминалось выше, не забудьте учесть цветовую температуру экрана видеомонитора. Большинство цветных кинескопов характеризуются температурой 6500° К, но некоторые могут иметь более высокую (9300° К) или низкую (5600° К) цветовую температуру.

Рис. 5.52. Настройка баланса белого может осуществляться вручную или автоматически

Рис. 5.53. Точность цветопередачи можно проверить с помощью вектороскопа

КМОП-технологии

Технологии ПЗС уже около 30 лет. ПЗС-устройства вступили в пору зрелости и дают прекрасные изображения с низким уровнем шума. Хотя принципы работы ПЗС-матриц основаны на МОП-электронике (металл-окисел-полупроводник), но для изготовления ПЗС-матриц требуется особая кремниевая технология и специализированные линии производства.

Использовать ПЗС-процесс для интеграции других функций телекамеры — формирователей тактовых импульсов, логических схем синхронизации, обработки сигнала и пр. — было бы реальным решением с технической точки зрения, но не с экономической. Обычно эти функции реализованы в других микросхемах. Таким образом, большинство ПЗС-телекамер состоит из нескольких микросхем.

Кроме этой проблемы — интеграции всех электронных схем телекамеры в отдельную микросхему — есть еще одна: ахиллесовой пятой ПЗС-устройств является потребность в тактовом генераторе.

Для успешного функционирования важна амплитуда, и форма сигнала тактового генератора критична. Генерация импульсов необходимого размаха и формы обычно входит в задачу специализированной микросхемы, формирователя тактовых импульсов, а это приводит к двум серьезным затруднениям: несколько нестандартных напряжений питания и высокое энергопотребление. Если у пользователя имеется один вход подключения питания, то придется использовать несколько внутренних регуляторов для выполнения требований к электропитанию.

За последние несколько лет на рынке появилось фоточувствительное устройство нового типа — КМОП-чип (комплементарная МОП-ИС, КМОП-ИС).

КМОП-матрицы изготавливаются на базе стандартной КМОП-технологии, опираясь на так называемую VLSI-технологию (Very Large Scale Integration — сверхвысокий уровень интеграции). Это гораздо более дешевый и стандартизованный метод производства микросхем, чем ПЗС-технология.

Рис. 5.54. Цветная однокристальная КМОП-телекамера

Основное преимущество КМОП-телекамер в сравнении с ПЗС — это высокий уровень интеграции, который достигается за счет фактической реализации всех функций электроники телекамеры на одной ИС. КМОП-технология для этого идеальна: логическая схема синхронизации, контроль экспозиции и аналого-цифровой преобразователь могут быть совмещены с матрицей, образуя завершенную однокристальную телекамеру.

КМОП-фотоприемник «чувствует» свет так же, как и ПЗС, но дальше все происходит иначе. Зарядовые пакеты не переносятся, а на ранней стадии обнаруживаются высокочувствительными усилителями зарядов на КМОП-транзисторах. В некоторых КМОП-матрицах усилители находятся поверх каждой колонки пикселов — сами пикселы содержат только один транзистор, который используется как шлюз, подключая содержимое пиксела к усилителю. Эти пассивные пиксельные КМОП-матрицы работают наподобие аналоговой DRAM-памяти (динамического ОЗУ).

Слабое место КМОП-матриц — это проблема согласования множества различных усилителей внутри каждой матрицы. Некоторые производители решили эту проблему, снизив остаточный уровень шума с постоянным спектром до незначительных пропорций. Первые КМОП-устройства и прототипы телекамер давали низкокачественное, зашумленное изображение, что делало сомнительным применение технологии в коммерческих целях. Вариации процесса приводят к тому, что каждый пиксел дает несколько отличный от других отклик, что проявляется в виде снега на изображении.

Кроме того, светособирающая площадь матрицы меньше, чем у ПЗС-матриц, поэтому эти устройства менее чувствительны к свету.

Рис. 5.55. Современные КМОП-матрицы позволяют проводить аналого-цифровое преобразование в самой матрице

Впрочем, за последние пять лет удалось решить многие проблемы КМОП-матриц. За время, прошедшее между двумя изданиями этой книги, в развитии КМОП-технологии наметился существенный прогресс. Стремительный рост спроса на цифровые фотоаппараты заставил производителей значительно улучшить качество изображения, получаемое с помощью КМОП-матриц и сократить стоимость их производства. Некоторые крупные производители, как Canon и Kodak, уже выпустили КМОП-матрицы с 10 млн. пикселов с очень высоким качеством изображения. Кроме повышения разрешающей способности КМОП-матриц, имеются и другие технологические достижения. Одно из таких усовершенствований КМОП-технологий позволяет избавиться от т. н. "фиксированного рисунка шумов". Такой метод позволяет считать для каждого пиксела свой уровень шума и сохранить такую структуру для каждой матрицы, как ее уникальную характеристику. Затем производится коррекция видеосигнала, при которой соответствующие значения этой структуры вычитаются из каждого значения, полученного в пикселе, что позволяет значительно снизить шумы КМОП-матрицы.

Еще одна новая разработка в сфере КМОП-технологии, которая еще недавно рассматривалась только гипотетически, теперь стала реальностью и представляет особый интерес с точки зрения видеонаблюдения. Компания Pixim разработала новый тип КМОП-матрицы, которая преобразует аналоговые зарядовые пакеты в цифровой поток данных сразу же на матрице. Эта революционная и очень перспективная концепция позволяет избавиться от многих недостатков КМОП-технологии.

Например, здесь удалось добиться очень точного управления экспонированием индивидуально для каждого пиксела, что позволяет значительно расширить динамический диапазон. Новая разработка от Pixim также позволяет учитывать собственный темновой шум матрицы, что улучшает отношение сигнал/шум.

Специальные телекамеры высокой чувствительности

ПЗС-матрицы оказались гораздо более эффективными в условиях минимальной освещенности, чем телекамеры с передающими трубками, но и они имеют пределы по минимальной освещенности. Черно/белая телекамера в условиях низкой освещенности «видит» примерно так же, как и человеческий глаз. В технических терминах это звучит так: стандартная черно/белая ПЗС-телекамера охватывает диапазон освещенности от 105 лк до 102 лк.

Этот диапазон интенсивностей света называется областью фотопического зрения.

В особых случаях возникает необходимость в еще более чувствительных к низким уровням света телекамерах. Уровни освещенности ниже 10 лк относятся к области скотопического зрения. Глаз человека не способен разглядеть что-либо при таких низких уровнях освещенности, но некоторые телекамеры посредством интеграционных функций способны формировать изображения при уровнях много ниже 102 лк. Эти функции характеризуются более продолжительным временем экспозиции — более 1/50 с (1/60 с для EIA). Понятно, что в этом случае мы теряем эффект реального времени, и телекамера реально становится устройством с накоплением заряда. Это может быть неприемлемо для наблюдения за движущимися объектами при низких уровнях освещенности, но для наблюдения за медленно движущимися в темноте объектами вполне подходит. Если же мы хотим наблюдать реальное движение в скотопической области зрения, то можно использовать специальный тип телекамеры — усиленную LLL-телекамеру (low light level, низкий уровень освещенности) с фотоумножителем.

Такая телекамера имеет дополнительный элемент — фотоумножитель, обычно устанавливаемый между объективом и телекамерой. Фотоумножитель — это трубка, которая преобразует очень слабый свет, неразличимый ПЗС-матрицей, в уровень света, который матрица может «увидеть». Вначале объектив проецирует изображение слабо освещенного объекта на специальную пластину, которая работает подобно электронному умножителю: буквально каждый фотон световой информации усиливается до сигнала значительного уровня. Усиление основано на лавинном эффекте (лавинном умножении электронов), вызванном фотонами в статическом поле высокого напряжения. Результирующие электроны ударяются о люминофорное покрытие на конце трубки, люминофор светится, и получается видимый свет (так же, как электронный луч заставляет светиться экран черно-белого кинескопа). Это (теперь видимое) изображение проецируется на ПЗС-матрицу. Вот так телекамера видит слабо освещенные объекты. Из-за специфики инфракрасного диапазона длин волн, а также из-за монохромного люминофорного покрытия экрана фотоумножителя, LLL-телекамера способна давать только черно-белое изображение.

Рис. 5.56. Другое решение — телекамера для низких уровней освещенности с обратным расположением матрицы

Рис. 5.57. LLL-телекамера с фотоумножителем

Рис. 5.58. LLL-телекамера

Как и следует ожидать, из-за люминофорного покрытия срок службы фотоумножителя (или точнее среднее время наработки на отказ) невелико. Оно обычно составляет пару тысяч часов.

Чтобы продлить время жизни телекамеры, необходимы объективы с высоким F-числом (по меньшей мере F/1200), особенно если телекамера будет эксплуатироваться круглые сутки. Кроме того, в этом случае более приемлемым является объектив с инфракрасной коррекцией.

В современных специализированных телекамерах для связи между люминофорным экраном фотоумножителя и ПЗС-матрицей используется оптоволоконная пластина. Эта технология позволяет избежать дальнейших потерь света и улучшает четкость изображения.

Нет нужды говорить о том, что для создания сильного электростатического поля, необходимого для ускорения электронов, требуется соответствующий источник питания. Фотоумножитель такого типа можно купить отдельно и установить в телекамеру, но качество работы специализированных интегрированных телекамер намного лучше.

Еще один интересный и инновационный проект был предложен компанией PixelVision Inc. — ПЗС-камера с обратным расположением матрицы, которая работает без фотоумножителя. Эта телекамера, по утверждениям производителя, способна давать качественное изображение при низких уровнях освещенности, что раньше было под силу только телекамерам с фотоумножителем. В обычной телекамере матрица освещается спереди, что накладывает некоторые ограничения на характеристики телекамеры. В проекте специального устройства освещение и формирование заряда происходит через тыловую поверхность, благодаря чему фотоны беспрепятственно попадают на ПЗС, что дает высокую эффективность распознавания света в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.

Производитель обещает более высокую разрешающую способность в условиях низкой освещенности — благодаря увеличению чувствительности, лучшее опознавание цели — благодаря повышенной контрастности и разрешению, низкую стоимость и длительный ресурс — благодаря увеличению надежности.

Рис. 5.59. Современная LLL-телекамера

Блоки питания телекамер и медные провода

Типичная ПЗС-телекамера потребляет около 3…4 Вт. Это значит, что для телекамеры с питанием 12 В требуется источник постоянного тока, обеспечивающий 300 мА. Телекамере с питанием от сети 24 В требуется не более 200 мА. По мере развития технологии телекамеры будут потреблять все меньше энергии.

Если несколько телекамер подсоединены к центральной линии электроснабжения, то следует принимать во внимание падение напряжения и не перегрузить блок питания.

Еще один важный фактор, который необходимо проверять при использовании блоков питания постоянного тока, это проверка — стабилизированный блок питания или нет. Например, если используется блок питания постоянного тока 12 В/2 A DC, то рекомендуется иметь запас примерно 25–30 % мощности для уменьшения перегрева. Тщательно выбирайте блок питания. Когда некоторые производители заявляют характеристику 12 В/2 А, то 2 А может означать лишь максимальное значение. Это обычно определено для кратковременных пиковых нагрузок. Другими словами, вы не можете рассчитывать на постоянный ток 2 А от любого источника с маркировкой 2 А. Это действительно зависит от изготовителя и от модели. Часто блок питания 12 В постоянного тока имеет выход 13.8 В, используемый для зарядки аккумуляторов. Учтите все это для уменьшения перегрева телекамеры, особенно если кабель, соединяющий телекамеру с блоком питания, короткий. Обычно, если кабель питания имеет длину пару сотен метров, никакого вмешательства не требуется из-за падения напряжения на проводах, но если телекамера находится поблизости от источника, то избыточная энергия где-то должна рассеиваться, и обычно это происходит в самой телекамере.

Проще говоря, телекамера 12 В DC нагревается, если она подключена к блоку питания 13.8 В, а не к блоку 12 В, и это плохо сказывается на отношении сигнал/шум.

Нестабилизированные источники постоянного тока (обычно в форме адаптеров) — это не очень здоровые вещи для ПЗС-телекамеры. Во-первых, высока вероятность того, что вы сожжете предохранитель телекамеры из-за бросков напряжения при подключении нагрузки (телекамеры в данном случае) и, во-вторых, при напряжении более чем 12 В в телекамере происходит дополнительное рассеяние энергии.

И, наконец, если внутри телекамеры нет дополнительных стабилизаторов напряжения (преобразователей постоянного тока, DC/DC) или если эта стабилизация плохого качества, то пульсации нестабилизированного напряжения могут попасть в считываемые импульсы, влияя на видеосигнал.

Рис. 5.60. Падение напряжения

С другой стороны, в большинстве стабилизированных блоков питания есть защита от короткого замыкания. Это значит, что даже если инсталлятор ошибется с полярностью или концовкой, то блок питания срежет выход, таким образом защитив блок и камеры от повреждений. К тому же, со стабилизированными блоками питания можно настроить напряжение, компенсируя падение напряжения.

Нестабилизированные блоки — совсем другое дело.

Падение напряжения следует учитывать при удаленном подключении камер. Это особенно важно для камер 12 В DC, так как падение напряжения при низких напряжениях больше. Это следствие формулы Р = UI. Для конкретного уровня потребления камеры, чем ниже уровень напряжения, тем меньше ток, что неявно усиливает падение напряжения в длинном силовом кабеле.

При использовании камер АС (переменного тока), прежде всего, следует обратить внимание на номинальное напряжение (большинство камер требуют 24 В). Довольно часто попадаются трансформаторы с указанным вторичным напряжением при полностью нагруженном трансформаторе, как в случае галогенных ламп. Это может ввести в заблуждение, так как с большими и постоянными нагрузками трансформаторы могут показывать более низкое напряжение, чем в случае подключения только одной камеры.

Потребление тока камерой АС минимально (от 200 до 300 мА), так что вам стоит поискать трансформаторы с номиналом в 24 В АС. Никоим образом не менее важна форма синусоиды, которая особо критична при использовании бесперебойных блоков питания (UPS). Если используется UPS, дающий ступенчатую синусоиду, то она может проинтерферировать с электроникой камеры и фазовой настройкой. Если UPS является частью системы видеонаблюдения, то правдоподобная синусоида это то, к чему следует стремиться.

Ниже мы ознакомимся с базовым расчетом падения напряжения в так называемом кабеле «figure-8», подсоединенном к одной камере 12 В DC.

Типичное сопротивление медных проводов, размеры и AWG приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Обычно популярный кабель «figure-8» — это кабель типа 14/0.20. Первое число указывает число жилок, второе — диаметр каждой жилки в мм. Поперечное сечение кабеля равно 14 х (0.1)2 х 3.14 = 0.44 мм2

Сопротивление медного провода «figure-8» примерно 0.04 Ом на метр. Типичная спецификация производителя для 14/0.20 дает сопротивление петли DC равное 8 Ом/100 м (петля означает 2x100 м). Используя эти значения, мы можем оценить среднее падение напряжения при питании 12 В DC камеры через 300 м кабеля, воспользовавшись законом Ома.

Допустим, наша 12 В ПЗС-камера потребляет ток 250 мА.

Это значит, что камера для блока питания является сопротивлением в 12 В / 0.25 А = 48 Ом.

Рис. 5.61. Напряжение блоков электропитания постоянного и переменного тока

Для 300 м кабеля 14/0.20 мы получим полное сопротивление петли в 24 Ом. Теперь блок питания «увидит» общее сопротивление в 72 Ом. 12 В разделятся между Rс и Rпзс пропорционально сопротивлениям, т. е. мы получим деление напряжений. По расчетам получается: Uравно 4 В.

С таким падением напряжения — в 4 В — камера, скорее всего, работать не будет.

Поэтому следует увеличить напряжение (а компактный блок питания, совмещенный с вилкой (plug-pack) этого не может), по меньшей мере, до 16 В, согласно нашим вычислениям. Однако, на практике (и в зависимости от камеры) нам понадобится всего 13 В, так как наша камера может нормально работать всего с 9 В (если мы предполагаем падение напряжения в 4 В). Это справедливо в том случае, если внутренние минимальные требования камеры (благодаря наличию преобразователей DC/DC) не более 9 В.

Если бы нам пришлось использовать кабель 24/0.20, то мы бы получили общее сопротивление петли в 15 Ом, и, используя те же вычисления, мы получим падение напряжения всего в 2.8 В.

Вывод таков: чем толще кабель, тем меньше сопротивление петли, тем меньше падение напряжения. Может помочь увеличение или накачка напряжения при помощи стабилизирующего блока питания (UPS), так как диапазон регулирования таких блоков составляет от 10 В до 16 В DC.

Тот же принцип применим и к камерам 24 В АС, но только в этом случае мы говорим о среднеквадратическом напряжении, поэтому может показаться, что падение напряжения меньше.

Закон Ома справедлив и для постоянного, и для переменного тока, так что если мы попробуем посчитать падение напряжения при включении камеры (допустим 24 В АС), нам следует учесть два момента: меньший расход тока (так как выше вольтаж) и то, что 24 В АС — это на самом деле среднеквадратическое значение, т. е. 24 x 1.41 = 33.84 Uzp (volts zero-to-peak, вольт от нуля до пика). Применяя закон Ома, мы получим более низкое падение напряжения, чем в случае 12 В DC блока питания, но только из-за различных значений тока и напряжения. Другими словами, более низкое падение напряжения с 24 В АС (и еще более низкое с 110 или 240 В АС) имеет место вовсе не потому, что к АС камерам применяются другие законы, а просто потому, что выше напряжение. Фактически по этой же причине энергия с электростанций распределяется не на том уровне, который используется в домах, а передается под напряжением в десятки тысяч вольт, так что ток и падение напряжения в кабеле при передаче на дальние расстояния становятся приемлемыми.

В качестве средства для простого расчета и справок здесь приводится таблица 5.3 со списком стандартных медных проводов, содержащая также ближайший AWG номер, наиболее распространенную многожильную технику, площадь сечения в мм2 и сопротивление в омах.

Регулировка V-фазы

Камеры переменного тока обычно синхронизированы с сетью электропитания. Это значит, что частота полей синхронизирована с частотой сетевого питания. Если все камеры системы замкнуты на один и тот же источник питания, т. е. находятся в одной фазе (не забудьте, что у нас три различные фазы, каждая из которых смещена на 120° относительно двух других), тогда мы получим (неявно) синхронизированные камеры.

Для тонкой настройки полевой (вертикальной) фазы камер используется регулировка V-фазы. Регулировка V-фазы может помочь, даже если используется сетевое питание различной фазы, с ее помощью невозможно выровнять лишь полевой синхроимпульс камер относительно точки нуля сетевого питания. Для этого потребуется осциллограф с двумя каналами. Затем одна камера, к которой настраивается полевая регулировка монитора, считается опорной. V-фаза настраиваемой камеры устанавливается так, чтобы она совпадала с V-фазой опорной камеры.

Следует отметить, что вовсе не обязательно, чтобы все АС камеры были замкнуты на одну сеть. Все зависит от конструкции камеры и электронного обеспечения для такого соединения. Если вы сомневаетесь, спросите у своего поставщика.

Рис. 5.63. Для регулировки V-фазы телекамер, синхронизированных от сети, потребуется двухканальный осциллограф

Контрольный перечень инструкций по инсталляции камер

Чтобы помочь специалистам по инсталляции, я собрал перечень инструкций, которые рекомендуется выполнить перед установкой камеры на позицию. Некоторые найдут этот список полезным, другие захотят добавить что-то еще, специфичное для их системы. Для многих выпущенных в последние годы интегрированных камер (фиксированных и поворотных), полный перечень и не понадобится, так как многое задается изготовителем. Однако, все еще попадаются такие установки, которые требуют тщательной проверки.

Итак, ниже следует перечень параметров, которые рекомендуется проверить перед инсталляцией камеры:

— Коннектор автодиафрагмы. Он обычно поставляется с камерой, а не с объективом. К сожалению, у производителей нет единых стандартов, и коннекторы автодиафрагмы бывают всяческих размеров и форм. Храните коннектор вместе с камерой. Если вы его потеряете, то найти запасной может оказаться не просто. А также храните схему выводов и проводов автодиафрагмы, которая обычно поставляется вместе с инструкциями к камере.

— Если используется DC-камера, то проверьте, где положительный, а где отрицательный конец сетевого штекера. Иногда верх — плюс, а иногда — минус. Есть такие DC-камеры, для которых вообще не обязательно знать полярность.

— Выполните настройку заднего фокуса в мастерской, особенно если используется зум-объектив. Делать настройку заднего фокуса на месте будет раз в десять сложнее. Следуйте процедуре, изложенной в разделе, посвященном настройке заднего фокуса, пока не наберетесь практического опыта.

— Выберите подходящий объектив для требуемого угла обзора. Для этого можно воспользоваться видоискателями, ручными калькуляторами, таблицами и пр. Учтите размеры ПЗС-матрицы, а также комбинацию камера/объектив и С- или CS-крепления.

— При инсталляции камеры настройте оптимальное для установленного расстояния изображение. Это не столь критично для объективов с фиксированным фокусным расстоянием, но инсталляторы иногда забывают настроить фокус камеры на месте или нечаянно поворачивают фокусировочное кольцо, а когда появятся трудности с фокусировкой, их не будет заметно днем при большой глубине резкости. Они проявятся ночью, когда глубина резкости минимальна, и тогда возникнут проблемы.

— Убедитесь в том, что установки автодиафрагмы подходят и для дневных, и для ночных условий освещенности. ALC-регулировка имеет значение только в том случае, если нужно отслеживать очень высококонтрастную сцену. Может потребоваться настройка уровня в зависимости от контрастности изображения.

— Приготовьте винты для камеры (если она инсталлируется в кожухе) и кронштейн. Это 1/4-дюймовые винты, 10–15 мм длиной. Иногда отсутствие таких простых вещей может затормозить работу.

— Убедитесь в том, что комбинация камера/объектив соответствует кожуху. Если используется вариообъектив, учтите, что при фокусировке на минимальное расстояние до объекта передняя панель объектива выдвинется вперед. Это не должно прибавить более 10 мм к длине объектива.

— Установите ID телекамеры в случае использования соответствующей модели.

— Если совместно с телекамерой с электронным затвором используется объектив с автодиафрагмой, то электронный затвор следует отключить. Если вы все же хотите использовать электронный затвор, то выбирайте объектив с ручной диафрагмой или с диафрагмой с сервоуправлением. Автодиафрагма и электронный затвор совместно работают не очень хорошо.

— В некоторых случаях потребуется выставить очень высокую скорость электронного затвора. Это обычно происходит тогда, когда ведется наблюдение за дорожным движением и требуется вести запись на видеомагнитофон или цифровой видеорегистратор. Обратите внимание на то, что при высокой скорости электронного затвора время экспонирования сокращается, что потребует большей освещенности на объектах, при этом может проявляться очень заметный вертикальный ореол.

— Отрегулируйте напряжение источнику питания телекамеры как требуется, то есть с учетом падения напряжения. Также рассчитайте ток, потребляемый всеми телекамерами, подключенными к источнику питания.

— Если используется телекамера с питанием 24 В переменного тока и нужна синхронизация, то может потребоваться подстройка V-фазы. Для этого вам будет нужен осциллограф и одна дополнительная телекамера. Эту операцию лучше всего проводить у себя в мастерской, а при установке на объекте следите за тем, чтобы телекамеры были подключены к одной фазе. В противном случае сдвиг фазы составит 120° (сдвиг фазы в трехфазной питающей сети).

— Если используется цветная телекамера, проверьте баланс белого. У некоторых телекамер предусмотрены настройки баланса белого для работы в помещении и на улице. Среди моделей телекамер с автоматической настройкой баланса белого встречаются телекамеры с функцией AWB (автоматический баланс белого) и с функцией ATWB (автоматическое отслеживание баланса белого), которая в большинстве случаев предпочтительнее.

— Если используется цифровая телекамера, то есть телекамера с цифровой обработкой в аналоговом тракте, то установите ее параметры в зависимости от ситуации.

— Если используется поворотная телекамера, то нужно установить правильный идентификатор ID и нужную скорость передачи информации для управляющих сигналов.

— Если используется поворотная телекамера, не забывайте о кронштейнах для крепления (настенные или потолочные) и обо всех необходимых разъемах для подключения, кабелепроводах и герметиках (особенно при инсталляции в уличных условиях).

6. Видеомониторы

Часто видеомониторы считают незначительным компонентном видеонаблюдения в сравнении с другими составляющими системы. Однако, если качество видеомонитора не эквивалентно качеству телекамеры (или хуже), то общее качество видеосистемы будет снижено. Вот простой, но дельный совет: выбору видеомонитора уделите столько же внимания, сколько и выбору телекамеры.

О видеомониторах в общих чертах

Видеомонитор воспроизводит поступающий с телекамеры сигнал после того, как он пройдет через средства передачи видеосигналов и устройства коммутации. Телекамера может быть высочайшего качества, с высокой разрешающей способностью, но если видеомонитор не способен воспроизвести сигнал равным или лучшим образом, то вся система потеряет в качестве.

В видеонаблюдении также, как и в телевещании, большинство видеомониторов выполнено на кинескопах, т. е. устройствах, действующих на основе технологии электронно-лучевых трубок, которые преобразуют электрическую информацию видеосигнала в визуальную. Сегодня существует множество альтернатив кинескопам: жидкокристаллические мониторы (ЖК), плазменные панели, проекционные и т. п., но наиболее популярны все же видеомониторы на кинескопах.

Изнутри экран кинескопа покрыт слоем люминофора, в котором при бомбардировке электронным лучом происходит преобразование кинетической энергии электронов в световое излучение.

Существует несколько технологий, которые используются при производстве цветных ЭЛТ-мониторов. Эти технологии отличаются мозаикой расположения цветных люминофоров.

Некоторые технологии, как, например, популярная Sony Trinitron, защищены патентом. Две другие технологии, которые показаны на иллюстрациях, предполагают использование теневой или щелевой маски. Они применяются в видеомониторах и компьютерных дисплеях. Максимальная разрешающая способность цветных видеомониторов в первую очередь ограничивается размером и структурой расположения мельчайших цветовых элементов люминофора, которые составляют цветное зерно на экране. В технических характеристиках производители ЭЛТ-мониторов обычно приводят шаг зерна (dot pitch). (Следует помнить, что этот параметр достаточно обманчив, так как разные производители измеряют его по-разному. Традиционно для теневой маски измеряется диагональный шаг зерна, т. е. расстояние между ближайшими элементами люминофора одинакового цвета, хотя некоторые производители в рекламных целях указывают горизонтальный шаг зерна. Но для мониторов с апертурной решеткой, как в технологии Sony Trinitron, имеет смысл измерять именно горизонтальный шаг зерна. Иногда в рекламных целях под этим параметром производители неявно подразумевают расстояние между соседними отверстиями в маске, которое получается немного меньше, поскольку маска расположена ближе к электронной пушке, чем люминофорный слой. Прим. ред.)

Рис. 6.3. ЭЛТ-монитор в разрезе

Рис. 6.4. Принцип работы ЭЛТ с обычной теневой маской. Цветовые элементы люминофора расположены в вершинах треугольника

Современные технологии производства позволяют получить наименьший размер зерна около 0.21 мм. Это косвенным образом определяет минимальный размер экрана заданного разрешения, и по этой причине цветные видеомониторы с небольшой диагональю не отличаются высоким разрешением.

Послесвечение люминофора электронно-лучевой трубки это еще один важный параметр, аналогичный инерционности человеческого зрения. Послесвечение слоя люминофора определяется как продолжительность свечения после окончания бомбардировки его электронами. Поскольку получаемое свечение не исчезает полностью, а снижается постепенно, то послесвечение измеряется до того времени, когда оно уменьшается до 1 % от своей начальной величины.

Послесвечение люминофора — это полезная характеристика, так как позволяет снизить мерцание, но оно не должно длиться дольше продолжительности ТВ-кадра (40 мс), если мы хотим наблюдать движущиеся объекты, а если послесвечение будет слишком длительным, то движущиеся объекты окажутся размытыми. Послесвечение большинства современных кинескопов составляет около 5 мс. С цветными мониторами немного сложнее, так как не все разноцветные люминофоры имеют одинаковое время послесвечения (самое короткое у синих люминофоров), хотя все значения составляют порядка 5 мс.

Кроме послесвечения используемый в видеомониторах люминофор имеет еще два важных свойства — это эффективность и спектральная характеристика.

Эффективность определяется отношением результирующего светового потока к мощности электронного луча. Мощность электронного луча зависит от ускорения, которое обеспечивает высокое напряжение кинескопа, а также от плотности самого луча. Разные люминофоры имеют различную эффективность, т. е. при таком же количестве электронов и напряжении дают различную яркость. Например, в цветном телевизоре люминофор, дающий зеленый цвет, имеет наибольшую эффективность, а красный — наименьшую. Поэтому в цветных телевизорах к электронным лучам, отвечающим за красный, зеленый и синий цвет, применяется следующее уравнение:

UY = 0.3 UR + 0.59UG + 0.11UВ (46)

(Коэффициенты этого уравнения учитывают спектральную чувствительность зрения, то есть зрительные ощущения человека при одинаковой интенсивности источников красного, синего и зеленого цветов. Прим. ред.)

Рис. 6.5. Цветной видеомонитор 36 см (14")

Это происходит автоматически внутри цветного видеомонитора или телевизора, и нам не нужно об этом беспокоиться, но следует подчеркнуть, насколько точным должен быть баланс трех первичных цветов. На этот баланс может повлиять даже чуть более сильное электромагнитное поле, что иногда проявляется в виде разноцветных разводов по краям экрана. Для устранения этого нежелательного эффекта используются размагничивающие катушки, которые при включении видеомонитора посылают сильный электромагнитный импульс. Цветовые искажения электромагнитной природы очень часто встречаются, когда динамики расположены очень близко к монитору. Иногда такие искажения можно видеть в том случае, когда два монитора поставлены рядом, а их электромагнитные поля влияют на точность воспроизведения красного, зеленого или синего цвета. Для того чтобы минимизировать этот нежелательный эффект, видеомониторы, которые используются в видеонаблюдении, имеют металлический корпус. Точная цветопередача на цветном мониторе требует очень точной настройки. Для начала потребуется произвести настройку баланса белого и цветовой температуры для телекамер. Затем то же самое нужно будет сделать и для видеомонитора.

Установка баланса белого — это одна из самых тонких настроек при производстве мониторов и телевизоров, так как ее очень сложно произвести точно на глаз, который легко адаптируется. Для этого используются специальные цветовые калибраторы.

Видеомониторы для видеонаблюдения подразделяются на две основные группы: черно-белые и цветные. Впрочем, в последнее время стало сложно встретить черно-белые видеомониторы.

Согласно рекомендациям ТВ-стандартов, между черно-белыми и цветными видеомониторами должна сохраняться совместимость. Другими словами черно-белый видеосигнал может быть воспроизведен на цветном видеомониторе, а цветной видеосигнал — на черно-белом видеомониторе.

Черно-белые видеомониторы отличаются более высокой разрешающей способностью, поскольку имеют одно непрерывное люминофорное покрытие, и их очень удобно использовать при измерении разрешающей способности. Наименьшая отображаемая точка на экране черно-белого видеомонитора определяется не шагом зерна, (такого составного цветного зерна просто нет в люминофоре), а наименьшим диаметром сечения электронного луча, который попадает на люминофор.

Размеры видеомониторов

Видеомониторы характеризуются размерами диагонали экрана, обычно выраженными в дюймах, иногда в сантиметрах. Черно-белые видеомониторы бывают самых разных размеров, чаще всего используются 9" (23 см) и 12" (31 см). Видеомониторы меньших размеров — 5" (13 см) и 7" (18 см) — не очень удобны, за исключением разве что систем заднего обзора, видеопереговорных систем, а также для регулировки заднего фокуса объективов. Большие мониторы чаще всего используются с видеомультиплексорами, доступны следующие размеры: 15" (38 см), 17" (43 см) и 19" (48 см). (20" — 51 см. Прим. ред.)

Наиболее популярный цветной монитор в видеонаблюдении имеет размер 14" (36 см) по диагонали.

Бывают и 9" мониторы (некоторые производители изготавливают и 10" кинескопы), которые часто гораздо дороже 14-дюймовых. Это объясняется тем, что массовое производство 14" кинескопов на внутреннем рынке снизило цены на кинескопы. Доступны также и большие цветные видеомониторы — 17" или 20", но они более высокого качества и более дорогие.

Многие инсталляторы предпочитают использовать 14" телевизор вместо соответствующего видеомонитора из-за выигрыша в цене. ТВ-приемники производятся сотнями тысяч и стали очень дешевыми. В этом случае вам понадобится ТВ-ресивер с аудио/видео (A/V) входом, так как в видеонаблюдении используется основная полоса видеосигналов.

Чтобы вывести изображение на экран, нужно выбрать A/V канал, в обход ТВ-тюнера. Если у ТВ-приемника нет A/V входа, то можно воспользоваться A/V входом видеомагнитофона, так как видеомагнитофон модулирует видеосигнал на выходе для метровых или дециметровых волн (обычно каналы 2, 3, 4 или 36).

Рис. 6.6. Цветной видеомонитор 21"

Рис. 6.7. 9" цветной видеомонитор

Качество изображения телевизора иногда сравнимо с качеством монитора, а иногда — нет. Все зависит от кинескопа, качества ресивера и от входной полосы пропускания, которая обычно соответствует сигналу телевещания 5 МГц. Есть и еще один фактор, который следует учитывать: телевизоры обычно заключены в пластмассовые корпуса и не защищены от электромагнитного излучения соседних устройств. Как мы знаем, в системах видеонаблюдения рядом может находиться несколько видеомониторов, и именно поэтому видеомониторы в видеонаблюдении обычно заключены в металлические корпуса. (Есть и другие аргументы: металлический корпус в какой-то мере снижает уровень электромагнитного излучения для оператора, уменьшает вероятность возгорания прибора. Кроме того, видеомониторы рассчитаны на круглосуточную работу в течение многих лет, чего нельзя сказать о телевизорах. Прим. ред.)

Настройка видеомонитора

На передней панели видеомониторов обычно имеется четыре регулятора: «строчная синхронизация» (horizontal hold), «кадровая синхронизация» (vertical hold), «яркость» (brightness) и «контрастность» (contrast).

Схема строчной синхронизации настраивает фазу строчного синхроимпульса схемы видеомонитора относительно сигнала телекамеры.

Эффект от настройки строчной синхронизации похож на сдвиг картинки влево или вправо. Если фаза строчной развертки установлена слишком далеко, то в крайнем положении регулятора изображение становится неустойчивым и строчная синхронизация срывается. Аналогичный эффект может проявиться в случае, если мал размах строчных синхроимпульсов или они искажены при передаче по слишком длинному коаксиальному кабелю (падение напряжения, вызванное значительным сопротивлением, и завал высоких частот из-за значительной емкости). Последний эффект не может быть компенсирован регулировкой строчной синхронизации. Этой регулировкой можно только центрировать изображение.

Регулятор кадровой синхронизации настраивает фазу кадрового синхроимпульса. Это может потребоваться для компенсации различного положения кадровых синхроимпульсов от различных телекамер. Обычно видеомонитор настраивается на один видеосигнал, так что изображение остается стабильным. Однако если несколько несинхронизированных видеосигналов последовательно переключаются на данный видеомонитор, может проявиться нежелательный эффект, который называется picture roll (медленное перемещение изображения по вертикали). Пожалуй, это самый нежелательный эффект в видеонаблюдении. Он имеет место из-за неспособности видеомонитора быстро перестраиваться на различные сигналы по мере их переключения в последовательном или матричном видеокоммутаторе (этот вопрос обсуждается в разделе, посвященном видеокоммутаторам). Это также означает, что различные видеомониторы имеют различное время синхронизации (вхождения в синхронизм). Хорошие видеомониторы быстрее входят в режим кадровой синхронизации.

Рис. 6.8. Регуляторы типичного черно-белого видеомонитора

Рис. 6.9. Карманный тестовый генератор телевезионных сигналов — это очень удобно

В видеонаблюдении наиболее распространенным типом систем являются системы с переключением нескольких телекамер на один видеомонитор. Поэтому мы уделим побольше внимания рассмотрению синхронизации в видеонаблюдении.

Системы типа одна телекамера — один видеомонитор используются очень редко. Не только потому, что это дорого, но и потому, что это не практично. Прежде всего, требуется дополнительное физическое пространство для размещения мониторов, но самое главное, оператор не может долго концентрировать внимание сразу на нескольких видеомониторах.

(Однако для небольших видеосистем подобная конфигурация имеет право на жизнь, так как у нее ряд неоспоримых преимуществ: отсутствует неконтролируемое время на переключение, нет оцифровки с присущими ей недостатками, а «живучесть» системы намного выше, так как легко диагностировать неисправный элемент и заменить. Прим. ред.)

«Контрастность» позволяет настраивать динамический диапазон электронного луча, что позволяет повышать и понижать контрастность изображения (диапазон от черного до белого).

Обычно это делается тогда, когда меняются условия освещенности в помещении (где стоят мониторы).

«Яркость» отличается от регулировки контрастности: она поднимает или снижает уровень постоянной составляющей тока электронного луча, сохраняя тот же динамический диапазон.

Этой настройкой пользуются в том случае, когда воспроизведение тонов видеосигнала выглядит неестественно. Простое эмпирическое правило гласит: настрой яркость и контрастность так, чтобы зритель увидел максимально возможное количество деталей. Чем слабее свет в помещении с видеомониторами, тем ниже установка контрастности. Снижение контрастности улучшает четкость изображения (меньше сечение электронного луча) и продлевает время жизни кинескопа. Иногда не удается хорошо настроить яркость и контрастность, особенно при переключении различных телекамер с различными видеосигналами. Для объективной регулировки яркости и контрастности следует использовать тестовый генератор телевизионных сигналов, дающий сигнал градаций яркости — таблицу с равномерно распределенными уровнями серого. После чего контрастность и яркость настраиваются таким образом, чтобы все ступени были одинаково хорошо различимы. После такой настройки можно объективно судить о яркости и контрастности телекамеры. В результате мы можем решить, нуждается ли объектив данной телекамеры в настройке уровня или ALC.

Со временем, из-за непрерывной бомбардировки электронов, покрывающий кинескоп слой люминофора изнашивается. Расчетный срок службы черно-белых кинескопов составляет от 20000 до 30000 часов. Это всего пара лет непрерывной работы. Изношенный люминофор ЭЛТ дает изображения низкой контрастности и четкости. Цветной видеомонитор «протянет» немного дольше — ведь меньшее количество электронов (не забудьте, что здесь три раздельных луча для трех основных цветов) используется для возбуждения трех люминофоров (80 % мощности электронных лучей рассеивается защитной маской. Надо сказать, что «подсевший» цветной кинескоп хуже передает изображение, чем «подсевший» черно-белый кинескоп вследствие нарушения баланса белого. Прим. ред.). В любом случае, через несколько лет постоянного использования регулировка контрастности и яркости более не смогут компенсировать старение кинескопа, и видеомонитор придется заменить (ИЛИ, если есть возможность, то кинескоп, самую дорогую деталь. Прим. ред.).

Рис. 6.10. Усовершенствованный карманный генератор тестовых сигналов

Puc. 6.11. Передняя панель управления усовершенствованного черно-белого видеомонитора

Рис. 6.12. Тестовый сигнал для анализа полосы пропускания

Рис. 6.13. Секция с частотами 2.5 МГц и 5 МГц крупным планом

Иногда, если черно-белый видеомонитор воспроизводит все время одну и ту же неподвижно установленную телекамеру, становится заметен эффект «запечатленного образа» (как и в случае телекамер с передающими трубками). Если регулировку яркости и контрастности использовать осторожно и в соответствии с комнатным освещением, срок службы видеомонитора можно продлить. То же относится и к телевизорам.

Еще два регулятора — «линейность» (linearity) и «размер по вертикали» (picture height) — обычно находятся на задней стенке видеомонитора.

«Линейность» настраивает линейность кадровой развертки, что отражается на вертикальной симметрии изображения. Если линейность не настроена соответствующим образом, круги принимают яйцеобразную форму. Для настройки линейности видеомонитора потребуется тестовый генератор телевизионных сигналов, формирующий на экране круг. Иногда вместо него можно использовать ПЗС-телекамеру (ПЗС-матрица не дает геометрических искажений), позиционируя ее перпендикулярно плоскости круглого объекта.

«Размер по вертикали» позволяет настроить изображение по высоте. Если высота не настроена, круги окажутся эллиптическими. Затрагивается также и размер растра (он уменьшается или увеличивается), что косвенным образом изменяет разрешающую способность по вертикали.

Большинство видеомониторов имеет регулировку фокусировки электронного луча (focus), обычно он находится внутри видеомонитора, поблизости от высоковольтного блока. Этот регулятор настраивает сечение электронного луча в месте контакта со слоем люминофора, влияя на четкость изображения. На некоторых видеомониторах этот регулятор расположен на передней панели и называется aperture.

На цветных видеомониторах есть регулятор «Цвет» (color), позволяющий увеличивать или уменьшать насыщенность цвета в цветовом сигнале. Он отличается от регулировки яркости. Цветные видеомониторы особо чувствительны к статическим и другим внешним электромагнитным полям, так как воспроизведение цвета в сильной степени зависит от точности динамического сведения трех электронных лучей (красного, зеленого, синего).

Даже незначительное присутствие другого магнитного поля (громкоговоритель рядом с кинескопом) может повлиять больше на один из лучей, чем на другие. В результате получаются неестественные цветовые пятна в тех областях экрана, которые ближе к источнику магнитного поля. Для борьбы с такими эффектами, цветные ТВ-мониторы снабжены дополнительным элементом конструкции — катушкой размагничивания. Она представляет собой петлю из проводников вокруг кинескопа, на которую каждый раз при включении видеомонитора подается сильный токовый импульс. Благодаря этому создается короткий, но сильный электромагнитный импульс, удаляющий все остаточные магнитные поля. Если внешнее поле сильное и постоянное, то размагничивающая катушка с ним не справится. (Действие катушки размагничивания основано на формировании в ней затухающего колебательного процесса. Прим. ред.)

Рис. 6.14. Для анализа полосы частот различных видеомониторов используются специальные генераторы качающейся частоты

Рис. 6.15. Увеличенное изображение, на котором отчетливо виден шаг зерна кинескопа с теневой маской. Для сравнения рядом помещена линейка

Существуют и профессиональные видеомониторы (спроектированные для телевещания), и они довольно часто используются в крупных и улучшенных системах видеонаблюдения. Они оборудованы усовершенствованной электроникой и кинескопами с разрешающей способностью по горизонтали свыше 600 ТВЛ. Такие видеомониторы имеют дополнительные регуляторы (кроме упомянутых выше): «оттенки» (hue) (это сами цвета: красный, зеленый, оранжевый и др.), «насыщенность» (saturation) (характеризует беспримесность цвета, т. е. сколько в изображении содержится белого, при насыщенности 100 % цвет не содержит белого), «H-V задержка» (H-V delay) (очень полезная особенность — задержка строчного и кадрового синхроимпульса: кинескоп отображает сигнал, разделенный на четыре области, аналогично видеоквадратору (разделителю экрана), так что можно визуально проконтролировать строчный и кадровый синхроимпульсы) и «уменьшение растра» (underscan) (монитор показывает 100 % видеосигнала, что особенно важно при тестировании разрешающей способности телекамеры).

Переключатель сопротивления

На задней панели большинства видеомониторов рядом с двумя BNC-коннекторами находится переключатель сопротивления.

Задача переключателя: либо нагрузить коаксиальный кабель на 75 Ом (если видеомонитор является последним в цепи элементов), либо оставить его в положении высокоомного входа (high), если видеомонитор не является последним компонентом на пути видеосигнала.

Как мы уже обсуждали, все используемые в видеонаблюдении источники видеосигнала спроектированы при работе на нагрузку 75 Ом, что требует такого же входного сопротивления у приемников видеосигнала (в данном случае видеомониторов).

Только тогда мы получим 100-процентную передачу энергии и хорошее воспроизведение изображения.

Если же видеомонитор не является последним элементом на пути сигнала (например, еще один видеомонитор использует тот же сигнал), то следует поставить полное сопротивление первого видеомонитора на «high», а 75 Ом установить на последнем (оконечном видеомониторе). (Рассмотренное техническое решение носит название сквозной видеовход или сквозная петля — loop through. Прим. ред.)

Большинство видеомониторов систем видеонаблюдения имеют пассивный вход видеосигнала. Существуют видеомониторы и другие устройства (видеомагнитофоны, видеопринтеры, видеоусилители-распределители и пр.), у которых видеовход активен. «Активный» означает, что видеосигнал проходит через каскад усилителя и разделяется на две или более составляющих, согласованных с полным сопротивлением. В этом случае нет переключателей, так как и переключать нечего. Другими словами, пусть вас не смущает, если вы не увидите переключателя полного сопротивления на некоторых профессиональных видеомониторах или видеомагнитофонах. Это просто означает, что видеовход и так имеет 75 Ом, а выход следует трактовать как новый сигнал от телекамеры.

Рис. 6.16. На задней панели типичного видеомонитора находятся разъемы вход/выход BNC и переключатель полного сопротивления

Условия наблюдения

Число видеомониторов в системе видеонаблюдения может быть довольно большим. Проектируя систему, важно знать, сколько видеомониторов можно будет использовать на месте, как их расположить и правильно выбрать расстояние просмотра. Есть ряд факторов и рекомендаций даже для системы с одним видеомонитором. Это особенно важно, если операторы проводят большую часть времени перед экранами видеомониторов.

В рекомендации CCIR 500 (теперь ITU) говорится, что предпочтительные условия просмотра зависят от частоты смены полей ТВ-системы, размера экрана и соотношения между расстоянием просмотра и размерами экрана.

Обычно оптимальное расстояние между оператором и видеомонитором рассчитывается как высота экрана, умноженная на семь. Эти рекомендации основаны на пределе разрешающей способности человеческого глаза. Другими словами, приведенные значения позволяют оператору системы видеонаблюдения различать все мелкие детали на экране с определенным разрешением, не приближаясь излишне близко к нему (предполагается, что у оператора 100 % зрение). Более подробно мы разберем предложенные значения немного далее.

В практическом варианте мы имеем следующую таблицу для наиболее распространенных размеров видеомониторов:

В этой таблице приведены лишь рекомендации, и, применяя их в различных обстоятельствах, следует проявить гибкость. В больших системах, где перед оператором может находиться дюжина видеомониторов, расстояние просмотра может быть иным. Важно также спланировать количество операторов для наблюдения за данным числом видеомониторов и точки наблюдения.

Таблица 6.2

Известно, что дрожание по вертикали становится особенно заметным в периферической области зрения. Другими словами, если перед вами много видеомониторов, то скорость обновления кадров окружающих видеомониторов влияет на ваше зрение, даже если на видеомонитор, находящийся прямо перед вами, вам смотреть вполне комфортно. Поэтому некоторые производители разрабатывают для видеонаблюдения 100 Гц видеомониторы (это более критично для PAL и SECAM изза их более низкой частоты кадровой развертки).

Рис. 6.17. Рекомендуемые значения расстояния для оптимального восприятия деталей

100 Гц видеомониторы просто удваивают скорость обновления в 50 полей, и изображение выглядит неподвижным «как скала». Сидеть перед такими видеомониторами длительное время определенно лучше, и я бы предложил именно такие видеомониторы в случаях, когда нужен экран большего размера. Ведь чем больше размер экрана, тем более заметно мерцание.

Рассмотрим еще один вопрос: электростатическое излучение больших видеомониторов. Хотя оно и пренебрежимо мало, но если в помещении находится видеостена, то большое количество мониторов может оказывать заметное влияние на среду. Это подтверждает и количество пыли, собираемой большим числом видеомониторов. В медицине принят стандарт низкого уровня радиации — MPR II. Некоторые производители тоже приняли этот стандарт и будут отдавать предпочтение системам с такими видеомониторами.

Рис. 6.18. 100 Гц видеомонитор с низким уровнем излучения (стандарт MPRII)

Рис. 6.19. При проектировании эффективного диспетчерского пункта необходимо учитывать доступное пространство, количество операторов и масштабность системы видеонаблюдения (количество установленных камер)

В больших системах управление визуальным воспроизведением имеет жизненно важное значение. Например, не все видеомониторы должны воспроизводить изображение все время. Эффективность системы будет выше, если оператор(ы) будет(ут) концентрировать внимание на одном или двух активных мониторах (обычно большего размера), а остальные будут погашены. В случае активности (при обнаружении тревоги), детектирования движения или пропажи видеосигнала, погашенный видеомонитор может быть запрограммирован на вывод изображения предварительно выбранной телекамеры. В этом случае внимание оператора будет сразу же привлечено к новому изображению, и система будет более эффективной. Дополнительным преимуществом станет увеличение срока службы видеомонитора.

Многие матричные видеокоммутаторы могут быть запрограммированы на гашение и вывод изображения с телекамеры по тревоге, только когда это необходимо.

Еще один аспект условий наблюдения касается размеров видеомонитора и влияния размеров на разрешение изображения. Если используется 9", 12" или 17" монитор, разрешающая способность будет более-менее одинаковой (в предположении, что электроника одинакового качества). Но воспринимаемая четкость изображения может различаться. Если на 9" видеомонитор смотрит один оператор с расстояния примерно 1 метр, то все будет в порядке. Но если смотреть с такого же расстояния на 17" видеомонитор (для просмотра квадового изображения, например), и на экран выведено полное изображение, то будет казаться, что разрешение картинки ниже, чем у 9" монитора.

Это иллюзия, которая обусловлена различным расстоянием до экрана и его размерами. (С увеличением размера экрана становится заметней строчная структура растра, что обусловлено конечным сечением луча кинескопа при постоянном числе активных строк. Прим. ред.)

Помимо традиционных видеомониторов с электронно-лучевой трубкой, существуют и другие способы отображения, которые можно использовать при построении современных систем видеонаблюдения. В этой связи нужно упомянуть проекционные мониторы, проекторы, ЖК-мониторы и плазменные мониторы. У каждого из них имеется своя специфика, которую нужно учитывать при проектировании и инсталляции системы видеонаблюдения, определенный срок службы, а также достоинства и недостатки.

Рис. 6.20. Изображение на центральном проекционном мониторе появляется только по тревоге, привлекая внимание оператора

Гамма-коррекция

Характеристики люминофора кинескопа имеет нелинейный характер. Это означает, что при отображении линейного видеосигнала (непрерывное возрастание от уровня черного (О В) до уровня белого (0.7 В) яркость люминофора на экране будет возрастать нелинейно. Характеристика черно-белого видеомонитора «ток электронного луча — обеспечиваемая лучом яркость» имеет вид параболической функции с показателем степени 2.2.

Идеально нам хотелось бы иметь систему видеонаблюдения, в которой бы осуществлялось линейное воспроизведение уровней яркости и цветов. Но так как характеристика слоя люминофора ЭЛТ далеко не линейна, нам приходится это компенсировать. Легче всего компенсацию сделать в телекамере. Если характеристику ПЗС-телекамеры «яркость-напряжение» (обычно линейную) электронным образом модифицировать к виду, обратному характеристике ЭЛТ (1/2.2=0.45), то мы получим линейную систему камера-монитор.

Если поместить две кривые (камеры и монитора) в одну систему координат, то они расположатся симметрично относительно прямой в 45°. Это походит на математический символ у (гамма), отсюда и название этой характеристики.

На практике, если гамма-коэффициент телекамеры не комплементарен характеристике видеомонитора, качество изображения не будет столь же хорошим. Это отразится на неестественном воспроизведении уровней яркости: на высококонтрастном изображении будут отсутствовать детали в среднем диапазоне яркостей.

Гамма-коэффициент большинства черно-белых видеомониторов равен 2.2, тогда установка по умолчанию для черно-белой телекамеры должна быть равна 0.45. Естественно, ПЗС-телекамеры имеют линейный гамма-коэффициент (1).

Цветные видеомониторы особенно чувствительны к гамма-эффекту, и, как упоминалось выше (в разделе «Цветное телевидение»), системы NTSC и PAL спроектированы для двух различных допускаемых значений гамма-коэффициентов цветного люминофора. Теоретически в NTSC гамма-коэффициент должен быть равен 2.2, но на практике люминофоры ближе к 2.8, как предполагается в PAL.

Более высокие значения гамма-коэффициента выглядят как более высококонтрастное изображение. Понятно, что это зависит не только от стандарта (NTSC или PAL), но также и от типа люминофорного покрытия кинескопа видеомонитора.

В настоящее время вопросу гамма-коррекции нужно уделять еще больше внимания, так как мы все чаще используем стандартные компьютерные дисплеи для просмотра цифровых видеозаписей.

Следует помнить, что различные операционные системы, видеодрайверы и программы управляют гамма-коррекцией по-разному.

ЖК-мониторы

Жидкокристаллические мониторы (ЖК-мониторы) — это мониторы на жидких кристаллах, которые представляют собой органическое вещество, способное отражать свет при подаче тока. Жидкокристаллическая технология появилась еще в 1970 году, но в течение длительного времени ее качество изображения оставляло желать лучшего. ЖК-монитор состоит из жидкой суспензии, которая находится между двумя стеклянными или пластиковыми пластинами. В обычном состоянии кристаллы в этой суспензии расположены параллельно друг другу, что позволяет свету проходить через них. При подаче тока кристаллы меняют ориентацию и блокируют свет, не давая ему пройти. Кристалл выглядит черным для наблюдателя.

Принцип работы технологии ЖК столь же значительно отличается от ЭЛТ, как ПЗС-камеры отличаются от телекамер с передающими трубками, так как в ЖК-мониторах изображение формируется не развертывающим электронным лучом, а путем адресации жидкокристаллических ячеек, которые поляризуются в различном направлении при подаче напряжения на их электроды. Значение напряжения определяет угол поляризации, что в свою очередь определяет прозрачность каждого пиксела, формируя таким образом элементы изображения. На раннем этапе развития технологии жидкие кристаллы были очень нестабильны, а сама технология была непригодна для массового производства, но сейчас ситуация изменилась.

ЖК-мониторы также называют LCD-дисплеями, TFT-мониторами и плоскопанельными дисплеями.

Среди достоинств ЖК-технологии необходимо упомянуть отсутствие высоковольтных компонентов, отсутствие износа люминофорного слоя, так как он отсутствует (т. е. неограниченный срок службы экрана). (С последним утверждением трудно согласиться, так как яркость лампы подсветки со временем снижается. Прим. ред.)

Еще более привлекательными ЖК-мониторы делают их небольшие габариты, отсутствие геометрических искажений, низкое энергопотребление и отсутствие влияния электромагнитных полей, как в случае с ЭЛТ-мониторами.

Кроме того, цена на ЖК-мониторы постоянно снижаются, в то время как яркость и контраст повышаются. Это одна из основных причин, по которой потребители переходят с традиционных ЭЛТ-мониторов на ЖК-мониторы, тогда как предыдущие ЖК-технологии были неэффективны, имели большое время отклика и обеспечивали низкий контраст.

Хотя существует много вариантов ЖК-технологии, их можно условно разделить на две группы: пассивная ЖК-технология DSTN (dual-scan twisted nematic, экран с двумя полями сканирования на сверхскрученных нематических жидких кристаллах), которая сейчас практически не используется, и активно-матричная ЖК-технология TFT (thin film transistor, экран на тонкопленочных транзисторах), которая сейчас применяется почти повсеместно.

ЖК-экран состоит из нескольких слоев, которые расположены в следующем порядке (от зрителя): поляризационный фильтр, стекло, электрод, ориентирующий слой, слой жидких кристаллов, ориентирующий слой, электрод, стекло и поляризационный фильтр.

В разрезе TFT-дисплей напоминает многослойный бутерброд. На крайних сторонах такого бутерброда расположены стеклянные подложки, между которыми находятся тонкопленочные транзисторы, цветовой фильтр, обеспечивающий первичные цвета красного, зеленого и синего, и слой жидких кристаллов. За ними, дальше всего от зрителя находится флуоресцентная подсветка, которая работает на просвет, подсвечивая пикселы сзади.

Общий принцип действия ЖК-монитора в упрощенном виде выглядит следующим образом. Свет от подсветки, проходя через первый поляризационный фильтр, попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором; затем свет проходит через цветовые фильтры. Транзистор создает электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Свет, проходя через такую упорядоченную молекулярную структуру, меняет свою поляризацию, и в зависимости от нее будет либо полностью поглощен вторым поляризационным фильтром на выходе (образуя черный пиксел), либо не будет поглощаться или поглотится частично (образуя различные цветовые оттенки, вплоть до чистого белого).

Рис. 6.22. ЖК-мониторы компактны и выглядят очень элегантно

Рис. 6.23. ЖК-экран в разрезе

Так же, как и в обычном мониторе с электронно-лучевой трубкой, в ЖК-мониторе три разноцветные жидкокристаллические ячейки (красная, зеленая, синяя) формируют полный пиксел. Как и в случае с ЭЛТ-технологией, в ЖК-технологии пикселы имеют определенный размер, который определяет, сколько линий мы сможем увидеть на экране. Обычно размер пиксела для ЖК-монитора составляет примерно 0.28 мм, а этого достаточно, чтобы на экране ноутбука с диагональю 14 дюймов получить разрешение 1024x768 пикселов.

Для ЖК-монитора очень важным параметром будет время отклика пиксела. Чем оно меньше, тем лучше, но известно, что это время больше, чем послесвечение люминофора, по этой причине для получения стабильных изображений частоту обновления экрана у ЖК-дисплеев делают ниже, чем у компьютерных ЭЛТ-дисплеев.

Угол обзора — это еще один важный параметр, который необходимо учитывать при выборе ЖК-монитора. В настоящее время не так уже редко встречаются значения угла обзора более 120°.

И, наконец, одно из самых слабых мест ЖК-технологии (по сравнению с ЭЛТ) — это контраст. В ЭЛТ-мониторе проще добиться более высокого контраста, хотя общая яркость при этом может быть даже ниже, чем в ЖК-мониторе. Это происходит потому, что электронный луч можно полностью выключить, когда на экране нужен черный цвет, а лампа подсветки в ЖК-мониторе работает постоянно, и, когда нужно воспроизвести черный цвет, немного света все равно проходит через пикселы, как бы хорошо ни перекрывали они свет. Для хорошего ЖК-монитора нормальным контрастом считается 400:1.

Среди достоинств, которыми обладают ЖК-мониторы и которые отсутствуют в традиционных мониторах, нужно отметить отсутствие проблем с геометрическими искажениями, сведением или фокусировкой. Кроме того, все современные ЖК-мониторы — это цифровые устройства, в отличие от обычных ЭЛТ-мониторов. А это означает, что видеоадаптеры с цифровым выходом не производят цифро-аналогового преобразования графической информации, которое требуется, для того чтобы вывести изображение на мониторе с электронно-лучевой трубкой. Теоретически отсутствие цифро-аналогового преобразования позволяет более точно воспроизводить цвета и пикселы. Впрочем, те ЖК-мониторы, которые подключены к стандартному аналоговому видеовыходу, вынуждены проводить обратное аналогово-цифровое преобразование (как мы уже говорили, ЖК-мониторы — это цифровые устройства), которое в сочетание с «лишним» цифро-аналоговым преобразованием на компьютерном видеоадаптере может привести к заметным артефактам на изображении.

Вследствие точной и дискретной структуры матрицы пикселов ЖК-монитора, самое четкое изображение можно получить только тогда, когда видеоадаптер компьютера работает с «настоящим» разрешением ЖК-монитора. Другими словами если в ЖК-мониторе используется матрица 1280x1024 пикселов, то видеоадаптер компьютера должен работать именно с этим разрешением, а не больше или меньше.

Некоторые ЖК-мониторы имеют композитный видеовход, раздельный видеовход Y/C и компьютерные видеовходы RGB. При отображении композитного видеосигнала на таком мониторе, его электроника осуществляет масштабирование изображения, например, до разрешения XGA.

Для систем видеонаблюдения сейчас очень часто используются ЖК-мониторы, которые имеют следующие разрешения (указанные в пикселах), широко распространенные в мире компьютерной техники:

VGA: 640х480

SVGA: 800х600

XGA: 1024x768

SXGA: 1400x1050

UXGA: 1600x1200

WSGA: 1640x1024

WUXGA: 1920x1280

Apple 30": 2560x1600

Рис. 6.24. Один из самых больших ЖК-мониторов: 30" монитор от Apple с разрешением 2560x1600 пикселов

Проекционные технологии

Хотя мониторы с кинескопами получили очень широкое распространение, однако их физические размеры также ограничены — в основном, высоким напряжением, необходимым для ускорения электронов. Самые большие кинескопы, которые используются в системах видеонаблюдения, не превышают 68 см (27"). Впрочем, существуют и альтернативные способы формирования большого изображения — это проекционные методы.

Несколько лет назад проекционные мониторы были очень громоздкими, дорогими и сложными в установке и эксплуатации. Обычно они состояли из трех отдельных оптических систем, каждая из которых проецировала свой первичный цвет.

Современные проекторы стали значительно меньше, дешевле, ярче и более простыми в установке и эксплуатации. В большинстве случаев у них есть несколько видеовходов: композитный видеовход, компонентный (или RGB) видеовход, раздельный видеовход Y/C, компьютерный видеовход S-VGA и др. Большинство проекторов — это устройство с одним объективом, которое проецирует свет через ЖК-матрицу.

Одним из самых больших достоинств проекционных технологий считается их способность формировать изображение нужного размера в зависимости от доступной поверхности на стене или специальном экране. Проекторы пока еще не могут давать такую же яркость, как кинескоп, но проекционные технологии развиваются стремительно, и на рынке появляются все более и более яркие проекторы.

Яркость обычно выражается в люменах, и типичный ЖК-проектор имеет около 1500 люменов, чего вполне хватает даже для достаточно освещенной комнаты. (Если быть более точным, то яркость проектора измеряется не в люменах, а в ANSI-люменах. Это единица, характеризующая среднюю величину светового потока на контрольном экране с диагональю 40" при минимальном фокусном расстоянии вариообъектива. Измеряется величина освещенности в 9 контрольных точках, а для получения результата в ANSI-люменах значения умножаются на его площадь и усредняются. Прим. ред.)

Разрешение ЖК-проекторов тоже постоянно растет, и с прогрессом ЖК-технологии появились проекторы с разрешениями выше XGA и вплоть до SXGA, а этого достаточно для проведения высококачественных презентаций, показа телевизионных программ и, конечно, для систем видеонаблюдения.

Сейчас на рынке в основном представлены две технологии, каждая из которых использует сильный источник света. Эти технологии воплощены в ЖК-проекторах и DLP-проекторах. В то время как сейчас DLP-технология позволяет получить более четкое и яркое изображение, ЖК-технология не стоит на месте и постоянно совершенствуется.

DLP-технология была разработана в компании Texas Instruments. Эта технология основана на микросхеме DMD (digital micro-mirror device, цифровое микрозеркальное устройство), которая представляет собой микросхему памяти с матрицей, состоящей из миллионов микрозеркал (похожей по размерам и виду на ПЗС матрицу).

Рис. 6.25. ЖК-проектор

Рис. 6.26. В основе каждого DLP-проектора находится DMD-матрица, которая разработана и производится только компанией Texas Instruments

Источник света освещает матрицу с зеркалами, а зеркала формируют изображение на экране любого размера. Размер каждого зеркала — 26 миллионных миллиметра. Зеркала так малы, что в крупице соли могут поместиться сотни зеркал.

Каждое зеркало представляет собой пиксел экрана. Все они контролируются схемой, расположенной на матрице, и каждое из сотен переключений выполняется с очень высокой точностью. Зеркало может находиться в одной из двух позиций: отражать свет (зеркало повернуто к источнику света) или не отражать свет (отвернуто от источника света). При очень высокой скорости переключения микрозеркал, которая не воспринимается человеческим глазом как мелькание, можно дозировать количество отраженного света и таким образом передавать градации серого или воспроизводить цвета. Например, если в течение определенного очень короткого периода времени зеркало было чаще повернуто к источнику света, то человеческий глаз это будет воспринимать как светлую точку вплоть до белой. Если же зеркало было чаще отвернуто от источника света, то точка будет восприниматься темной вплоть до черной. Так можно передавать до 1024 градаций серого. В таком виде изображение является черно-белым, для того чтобы оно стало цветным, применяются специальные вращающиеся с огромной скоростью цветовые фильтры, напоминающие лопасти вентилятора, только размещающиеся на одной поверхности. Переключение фильтров синхронизировано с видеоинформацией, которая поступает на DMD-матрицу, на частоте, превышающей в три раза скорость обновления поступающих изображений (то есть 150 Гц для PAL и 180 Гц для NTSC).

Отфильтрованный таким образом свет попеременно проецируется на микрозеркала DMD-матрицы, которые переключаются в соответствии с цифровой видеоинформацией, поступившей и сохраненной в запоминающей матрице. Отраженный от микрозеркал свет попадает на линзу, которая проецирует изображение с поверхности DMD-матрицы. (Фильтры последовательно создают синее, зеленое и красное изображения, которые человеческий глаз воспринимает как одно цветное. Одной DMD-матрицей оснащается большинство DLP-проекторов, но существуют также двух-и трехматричные схемы. Система с двумя матрицами подразумевает разделение светового потока специальными призмами на две составляющие и пропускание его через фильтр с двумя секторами — желтым (смесь красного и зеленого) и фиолетовым (красный с синим). Система с тремя матрицами аналогична двухматричной, но более традиционна — свет, проходя через призму, разделяется на три составляющих, каждой из которых соответствует одна DMD-матрица. Цветовые фильтры в таких проекторах уже не требуются. Прим. ред.)

В зависимости от того, используется ли в конструкции DLP-проектора одна матрица или три, размер яркого проекционного экрана может меняться от 1.5 м до 5 м (по диагонали). Изменяя проекцию вариообъективом, размеры проекции можно увеличивать или уменьшать до практически любых размеров экрана. Но, пожалуй, самыми важными преимуществами (помимо миниатюрных размеров) данной технологии следует назвать высокое разрешение, яркость и точность передачи цветов независимо от размера экрана.

В DLP-технологии применяется индивидуальная цифровая обработка каждого пиксела. Отсюда и ее название — «цифровая обработка света» (digital light processing).

Рис. 6.27. Процесс отражения света в DMD

Плазменные панели

Некоторые ученые называют плазму четвертым состоянием вещества (первые три: твердое, газообразное, жидкое). Часто плазму называют ионизированным газом. Теория плазмы находится за пределами сюжета нашей книги, но хотелось бы упомянуть здесь о применении плазмы в видеомониторах.

Такие видеомониторы состоят из массивов пикселов, каждый из которых включает группу из трех люминофоров: красного, зеленого и синего. В противоположность кинескопам, где световое излучение вызвано электронной бомбардировкой, в плазменных панелях газ, находящийся в плазменном состоянии, реагирует с люминофором каждого элемента пиксела. В плазменных панелях каждый подпиксел контролируется индивидуально, что позволяет получить 16.7 млн. цветов.

Благодаря тому факту, что каждый пиксел возбуждается индивидуально, не происходит геометрических искажений, как в кинескопе, а четкость изображения и богатство цветов поднимаются на новые уровни. Контрастность картинки тоже высока, обычно более 400:1, что делает плазменные панели пригодными для ярко освещенных зон.

Так как плазменная панель не требует высоких напряжений (как кинескоп), то возможно увеличение размеров дисплеев. Типичный размер плазменной панели лежит в пределах от 105 см (42") до 125 см (50"). Но самое важное, что толщина плазменных панелей очень мала — от 10 до 15 см (4–6"). Это не только привлекательно с эстетической точки зрения, но и очень удобно для помещений с ограниченным пространством.

Следует отметить, что поскольку работа плазменных панелей основывается на люминофоре, то они со временем выцветают. Производители обычно говорят о 30000 часах работы, после чего яркость снижается до 50 % своей начальной величины. Это порядка трех лет непрерывной работы, примерно столько же работают видеомониторы с кинескопами.

Рис. 6.28. Принцип работы плазменной панели

Рис. 6.29. Плазменная панель

Дисплеи с автоэлектронной эмиссией (технология FED)

Недавно Motorola™ представила еще одну альтернативу отличного воспроизведения, но на экране стандартного размера, а не на проекционном экране. Концепция плоского дисплея с активной эмиссией света получила название «технология FED» (дисплей с автоэлектронной эмиссией).

Вместо одного катода (как в случае стандартного дисплея с кинескопом), в FED-устройствах на каждый пиксел приходятся сотни маленьких источников катодных лучей. FED-панель состоит из двух стеклянных пластин, разделенных вакуумом. Заднее стекло (катод) создано из миллионов мельчайших вершинок, источников электронов, ускоряющихся в вакууме. Переднее стекло (анод) покрыто слоями стандартных люминофоров.

FED-панель обладает многими преимуществами анодного стекла кинескопа, но она тоньше, легче, потребляет меньше энергии и не дает геометрических искажений. Расположение адресуемого х-у эмиттера исключает нелинейность и подушкообразные искажения, присущие кинескопу. Компании, разрабатывающие FED-устройства, утверждают, что эти типы панелей будут дешевле, так как их проще изготавливать, чем ЖК-панели; а поскольку FED-панели не нуждаются в единой RGB-пушке (которая и определяет размеры и форму кинескопа), то они будут больше, но тоньше и легче.

Рис. 6.30. Принцип работы FED-панели

7. Устройства обработки видеосигналов

Простая концепция «камера-монитор» используется только в небольших системах видеонаблюдения.

В более крупных системах сигнал до воспроизведения на видеомониторе проходит через видеокоммутатор или другое оборудование, осуществляющее обработку видеосигнала.

Термин «устройство обработки видеосигналов» относится к любому электронному устройству, выполняющему ту или иную обработку видеосигнала: переключение между несколькими входами, сжатие на один квадрант экрана, подъем высоких частот и др.

Аналоговое коммутационное оборудование

Самое простое и наиболее широко распространенное устройство, используемое в небольших и средних видеосистемах, — это последовательный видеокоммутатор.

Последовательные видеокоммутаторы

Поскольку в большинстве систем видеонаблюдения телекамер больше, чем видеомониторов, то требуется устройство, последовательно переключающееся с сигнала одной телекамеры на сигнал другой.

Такое устройство называется последовательным видеокоммутатором.

Последовательные видеокоммутаторы бывают разные. Самый простой — это 4-входовый видеокоммутатор, есть 6, 8, 12, 16 и даже 20-входовые видеокоммутаторы. Не исключено и другое количество входов, хотя встречается реже.

На передней панели видеокоммутатора расположен ряд кнопок для каждого входа, и кроме переключателя для ручного выбора телекамер есть переключатель для включения телекамер в последовательность или их обход. При помощи переменного резистора может быть изменено время наблюдения. Наиболее распространенная и целесообразная установка времени наблюдения составляет 2–3 секунды. Более короткое время слишком непрактично и будет утомлять глаза оператора, а более длительное время сканирования может привести к потере информации с тех телекамер, которые не отображались в это время на экране. Так что в некотором смысле последовательные видеокоммутаторы — это всегда компромисс.

Кроме классификации по количеству видеовходов, последовательные коммутаторы можно классифицировать по наличию или отсутствию входов тревоги.

Если последовательный видеокоммутатор имеет входы тревоги, это означает, что срабатывание внешних нормально разомкнутых (N/O) или нормально замкнутых (N/C) «сухих» контактов может остановить последовательное переключение и отобразить на экране видеосигнал из зоны тревоги. В качестве источников сигнала тревоги могут служить различные устройства тревожной сигнализации. Для внутренних (находящихся в помещении) систем выбор подходящего датчика не вызывает вопросов, но вот к внешним датчикам тревоги больше требований и подобрать их труднее. Не существует универсального датчика, который подходил бы для всех применений. Диапазон вариантов наблюдаемых зон и окружающих условий слишком велик. При выборе датчика может помочь специализированный поставщик, который обладает и знаниями, и опытом.

Рис. 7.1. Простой 8-канальный последовательный видеокоммутатор

Рис. 7.2. Усовершенствованный видеокоммутатор

Наиболее распространены пассивные и активные инфракрасные датчики, датчики открывания дверей, видеодетекторы движения и подобные устройства. Проектируя подобного рода систему, следует подумать об активности коммутатора после отключения тревоги, то есть о том, сколько времени видеосигнал тревоги будет оставаться на экране, требуется ли ручной или автоматический сброс тревоги, и если верно последнее, через сколько секунд он должен срабатывать; что случится, если одновременно сработает несколько датчиков тревоги и т. п. Ответы на эти вопросы и определяют эффективность видеосистемы и алгоритм ее функционирования. Не существует общего ответа на все подобные вопросы, поэтому следует проверить все технические характеристики оборудования, а лучше, если вы протестируете систему сами.

Довольно часто, хотя нельзя назвать это правилом, простые последовательные видеокоммутаторы (без входов тревоги) имеют только один выход видеосигнала. Последовательные коммутаторы с входами тревоги довольно часто имеют два выхода, один — для вывода изображений в режиме последовательного переключения, другой — для вывода изображения по тревоге (второй выход часто называется «тревожный» или «spot»).

Последовательный видеокоммутатор (или для краткости коммутатор) — это самое экономичное устройство в цепи между совокупностью телекамер и видеомонитором. Это не значит, что не существует более сложных и усовершенствованных последовательных коммутаторов. Существуют модели с функцией генератора текста (идентификация телекамер, время, дата), множественными опциями конфигурации интерфейса RS-485 или RS-422 и пр.

Некоторые подобные модели имеют функцию подачи по коаксиальному кабелю или напряжения питания для телекамеры, или синхронизирующих импульсов. Это необходимо для синхронизации телекамер, что мы сейчас и обсудим. Большинство этих усовершенствованных последовательных видеокоммутаторов может быть легко расширено до миниатюрного матричного коммутатора.

Синхронизация

Один из самых важных аспектов видеокоммутатора, независимо от числа его входов, — это используемый метод переключения. То есть, если на вход коммутатора подается сигнал более чем с одной телекамеры, то, естественно, сигналы будут в различных фазах. Это следствие того факта, что каждая телекамера в некотором смысле представляет собой автономный генератор, выдающий сигнал частоты, соответствующей ТВ-стандарту (625x25=15625 Гц для CCIR и 525x30=15750 Гц для EIA), и трудно себе представить, чтобы полдюжины телекамер случайным образом могли бы быть в одной фазе. Даже если у вас только две телекамеры, и то вряд ли. Такие сигналы, находящиеся в случайной фазе, мы называем несинхронизированными. Когда несинхронизированные сигналы проходят через последовательный видеокоммутатор, то на экране видеомонитора проявляется нежелательный эффект: медленное перемещение изображения по вертикали. Причиной этого эффекта являются разности фаз кадровых синхроимпульсах различных телекамер, что приводит к раздражающему глаз эффекту, который возникает каждый раз при переключении коммутатора с одной камеры на другую. Этот эффект становится еще более неприемлем, если производится запись выходного сигнала с коммутатора на видеомагнитофон.

Почему нарушение кадровой синхронизации более заметно на видеомагнитофоне? Головка видеомагнитофона требует механической синхронизации кадровыми синхроимпульсами от различных телекамер, в то время как видеомонитор делает это электронным образом. Единственный способ успешно преодолеть эффект перемещения изображения по вертикали заключается в синхронизации источников сигналов, то есть телекамер.

Самый удобный способ синхронизации телекамер — это использование внешнего генератора синхроимпульсов. В этом случае следует использовать телекамеры с входом для внешней синхронизации (имейте в виду, не каждая телекамера имеет возможность внешней синхронизации). У различных телекамер различные входы синхронизации, но вот наиболее распространенные варианты используемых для синхронизации сигналов:

— Строчные синхроимпульсы (синхроимульсы строчной развертки HD)

— Кадровые синхроимпульсы (синхроимпульсы кадровой развертки VD)

— Импульсы синхросмеси (HD и VD в одном сигнале, композитный видеосинхроимпульс или CVS).

Для синхронизации телекамер от синхрогенератора нужны дополнительные коаксиальные кабели (кроме кабелей для передачи видеосигналов), а синхрогенератор должен иметь столько же выходов, сколько телекамер в системе.

Понятно, такое решение является достаточно дорогим, хотя теоретически — это самый правильный способ синхронизации. Некоторые производители выпускают модели, в которых синхроимпульсы от видеокоммутатора к телекамере передаются по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Единственная проблема при такой конфигурации — все оборудование должно быть от одного производителя.

Рис. 7.3. Телекамера с синхронизацией от сети (24 В АС) с внешним входом кадрового синхроимпульса

Есть и более дешевые способы борьбы со срывом кадровой синхронизации. Один из наиболее приемлемых — это использование телекамер с синхронизацией от сети (Line-locked). Это телекамеры либо 24 В АС, либо 240 В АС (110 В АС для США, Канады, Японии). Частота сети 50 Гц (60 Гц в Канаде, США и Японии) совпадает с частотой кадровой синхронизации, так что телекамеры с синхронизацией от сети выполнены таким образом, что фиксируют пересечение нуля синусоиды сетевого электропитания и настраивают кадровый синхроимпульс по фазе с частотой сети. Если все телекамеры системы подключены к одному источнику электропитания (одной фазы), то все телекамеры будут с ним синхронизированы и, соответственно, будут синхронизированы между собой.

Этот метод самый дешевый, хотя может давать нестабильность фазы — из-за сильных промышленных нагрузок, включаемых и выключаемых непредсказуемым образом. И все же, это самый простой путь.

Есть даже решение для случая, когда различные телекамеры подключены к различным источникам питания, — это так называемая регулировка V-фазы, регулятор расположен на корпусе телекамеры, что позволяет электронике телекамеры обеспечить синхронизацию даже при разности фаз до 120°. Следует отметить, что низковольтные телекамеры переменного тока (24 В АС) более популярны и более практичны, чем высоковольтные, и главным образом потому, что они безопаснее.

Некоторые телекамеры спроектированы для приема видеосигнала предыдущей телекамеры и синхронизации по этому сигналу. Этот процесс называется синхронизация типа «master-slave» (ведущий-ведомый).

Соединяя все телекамеры в такую цепочку, можно получить синхронизированную систему, где одна телекамера будет ведущей (master), а все остальные — ведомыми (slave). Для этого все телекамеры должны быть соединены дополнительным коаксиальным кабелем, кроме кабеля для передачи видеосигнала.

И все же не каждый последовательный видеокоммутатор может использовать преимущества синхронизированных телекамер. Коммутатор должен иметь еще и опцию переключения по кадровому синхроимпульсу. Только тогда коммутатор может переключать синхронизированные сигналы в момент вертикального синхроимпульса, так что переключение будет гладким, без перемещения изображения по вертикали. Коммутаторы без этой опции переключаются произвольным образом, не в конкретно определенный период видеосигнала. Если время наблюдения настроено на конкретное значение, то коммутатор с опцией переключения по вертикальному синхроимпульсу срабатывает с учетом этой величины, но только в период вертикального синхроимпульса. Таким образом, переключение происходит чисто, в период вертикального гасящего импульса, и не дает «срыва» изображения на экране видеомонитора.

Обычные видеокоммутаторы, не обладающие этой опцией, будут переключать сигнал в любой момент процесса вывода изображения, и это может произойти, например, на середине развертки поля. Если телекамеры синхронизированы, эффекта срыва кадровой синхронизации не будет, но все же оператор будет наблюдать излом изображения из-за резкого переключения с одного сигнала на другой в середине выводимого поля изображения.

Та же концепция переключения применима и для старшего брата последовательного видеокоммутатора — матричного видеокоммутатора.

Рис. 7.4. Элементы кадрового синхроимпульса

Матричные видеокоммутаторы

Матричный видеокоммутатор (Video Matrix Switcher — VMS) приходится старшим братом последовательному коммутатору. Матричный видеокоммутатор (VMS) является мозгом системы и входит в состав больших систем видеонаблюдения.

Если мы расположим на схеме видеовходы против видеовыходов, то получим матрицу — отсюда и название «матричный». Довольно часто матричные видеокоммутаторы называют узловыми (cross-point). Узлы (или точки пересечения) — это электронные переключатели, которые в любой момент могут подключить любой вход к любому выходу, сохраняя при этом режим согласования нагрузки.

Так, один видеосигнал может быть выбран одновременно более чем на одном выходе. А несколько входов могут быть выбраны для переключения по одному выходу, только в этом случае мы получим последовательное переключение между несколькими входами, так как иметь более одного видеосигнала на одном выходе в один момент времени невозможно.

Таким образом, матричный видеокоммутатор по существу представляет собой большой последовательный коммутатор с рядом усовершенствований:

— VMS может контролироваться несколькими операторами. Вспомните: последовательный коммутатор имеет кнопки на передней панели, так что только один оператор может управлять системой в данный момент времени. Матричным видеокоммутатором может одновременно управлять дюжина операторов и даже более. В этом случае каждый оператор обычно контролирует один видеоканал. В зависимости от модели VMS может быть достигнут определенный уровень интеллектуального управления. Операторы могут иметь равные или различные приоритеты, зависящие от их положения в структуре безопасности.

— VMS обрабатывают сигналы со многих видеовходов и подают их на большое число выходов, но, что наиболее важно, их число может быть легко расширено просто добавлением модулей.

— В состав VMS входят цифровые контроллеры для управления поворотными устройствами и объективами. Клавиатура обычно имеет встроенный джойстик или кнопки, служащие управляющими элементами, а в месте установки телекамеры имеется так называемый PTZ-блок (приемник сигналов телеуправления), который по сути входит в систему VMS. PTZ-блок обменивается с матричным видеокоммутатором цифровой информацией и управляет поворотным устройством и вариообъективом и, возможно, другими дополнительными устройствами (такими как омыватель/очиститель стекла термокожуха телекамеры).

— VMS генерирует код идентификации телекамеры, время, дату, имя оператора системы, сообщения тревоги в блоке выводимой на экран информации, накладываемой на видеосигнал.

— VMS имеет множество входов и выходов тревоги и может быть расширен до практически любого их количества. Возможна любая комбинация тревог, вроде N/O (нормально разомкнутые контакты), N/C (нормально замкнутые контакты) и их логические комбинации OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ-НЕ), AND (И), NAND(H-HE).

— Мозгом устройства является микропроцессор, его использование позволяет матричным видеокоммутаторам выполнять сложные задачи по управлению видеосигналом и сигналами тревоги. Вечно растущие требования к мощности и производительности обработки приводят к тому, что микропроцессоры становятся все дешевле и мощнее. Сегодня эти сложные операции выполняет современный персональный компьютер. Вследствие этого установка VMS превращается в задачу программирования, сложную, но вместе с тем предоставляющую огромную мощность и гибкость: парольная защита для обеспечения безопасности, регистрация данных, тестирование системы, переконфигурирование по модему и пр. Последнее веяние — это использование графического интерфейса пользователя в среде Windows™ или OS/2™, сенсорных экранов, графического представления зоны наблюдения, модифицируемого при изменении зоны и многое другое.

— Разработчику системы или руководителю VMS может показаться сложным устройством, но он прост и дружественен по отношению к оператору и, что еще более важно, быстр в отклике на чрезвычайные ситуации.

Рис. 7.5. Усовершенствованный матричный видеокоммутатор

Рис. 7.6. Матричный видеокоммутатор Махрго в Star City Casino (Сидней) обрабатывает сигналы более чем от 1000 телекамер с записью более чем на 800 видеомагнитофонов

Рис. 7.7. Матричный видеокоммутатор Plettac системы видеонаблюдения в аэропорту Франкфурта

В мире всего горстка фирм выпускает матричные видеокоммутаторы, большая часть из них находится в США, Великобритании, Дании, Германии, Японии и Австралии. Многие придерживаются традиционной концепции узлового переключения с небольшим уровнем перепрограммируемости с использованием EPROM, поддерживаемой аккумулятором. Более ранние концепции с EPROM (без подзарядки) могли работать лишь несколько недель. Но многие фирмы пошли путем гибкого программирования и хранения данных на гибких и жестких дисках, что предохраняет от потери информации даже при обесточивании системы в течение более двух месяцев.

Требование совместимости привело многие системы к PC-платформе, которая знакома большинству пользователей и, в то же время, обеспечивает совместимость со многими программами и операционными системами, которые могут совместно работать.

Новые модели матричных видеокоммутаторов учитывают практически каждую деталь. Прежде всего, конфигурирование новой системы или переконфигурирование старой осуществляется очень просто — посредством ввода данных в меню установки. Однако высокий уровень защиты программы установки не позволит любому встречному «играть» с настройками, доступ имеют только зарегистрированные пользователи, которые знают код и процедуры доступа.

Рис. 7.8. Клавиатура интеллектуального, эргономичного и конфигурируемого матричного видеокоммутатора

Далее, VMS стали достаточно интеллектуальными и мощными, так что стало возможным управление другими сложными устройствами. Это освещение в здании, кондиционирование воздуха, контроль открывания дверей и шлагбаумов на автомобильных стоянках, управление электроснабжением и другими ежедневными операциями, производимыми в определенное время суток или при конкретных обнаруживаемых обстоятельствах.

К сожалению, не существует стандарта или единого языка конфигурирования и программирования матричных коммутаторов. Производители используют различные концепции и идеи, так что очень важно найти хорошего эксперта по данной системе.

Обычно матричные коммутаторы поставляются в базовой конфигурации с 16 или 32 входами и 2 или 4 выходами видеосигнала. Это наиболее распространенные конфигурации, хотя возможны и другие.

Многие коммутаторы имеют несколько входов и выходов тревоги. Почти все коммутаторы в базовой конфигурации имеют опцию генератора текста и клавиатуру управления.

Инструкция для оператора и другая техническая информация являются неотъемлемой частью устройства.

Рис. 7.9. Большие матричные видеокоммутаторы Pacific Communications поставляются аккуратно смонтированными

Большинство поставщиков просят указывать при заказе, требуется ли включить модули PTZ-управления, так как во многих системах используются только фиксировано установленные телекамеры и управление поворотными устройствами не требуется. В некоторых матричных видеокоммутаторах управление поворотными устройствами заложено изначально.

Последнее не означает, что приемник сигналов телеуправления является обязательным компонентом VMS.

Поскольку количество поворотных устройств может меняться от системы к системе, то при заказе надо учитывать прогнозируемое число таких устройств. Сколько из них вы будете действительно использовать в системе, зависит от ее конструкции и модели. В большинстве случаев VMS использует цифровое управление с ограниченным числом адресуемых блоков.

Это число зависит также и от расстояний, и может меняться от 1 до 32 поворотных устройств. Для большего числа приемников сигналов телеуправления потребуются дополнительные модули PTZ-контроля.

Повторю еще раз, что до сегодняшнего момента между продукцией различных производителей не было совместимости, и поэтому видеокоммутатор одной марки и приемник сигналов телеуправления другой фирмы. В большинстве случаев, если система с матричным коммутатором нуждается в обновлении, вам придется заменить систему почти целиком, за исключением телекамер, объективов, видеомониторов и кабелей. Хотя, честно говоря, в период между первым изданием книги и этим, я обнаружил, что все больше производителей начали выпускать многофункциональные панели управления (driver boards), при помощи которых можно контролировать, по меньшей мере, пару различных марок. Более того, сейчас выпускаются преобразователи протоколов (protocol converter boxes), которые позволяют пользователю, знающему протоколы скоростной телекамеры и матричного видеокоммутатора, использовать их в одной системе.

Небольшие системы — с числом камер до 32 — легко конфигурируются, но если от матричного коммутатора требуется большее число входов и выходов, то лучше поговорить с представителем производителя и точно определить требуемые модули. Таким образом вы поймете разницу между приемлемой и дорогой системой, так же как между функционирующей и нефункционирующей системой.

Так как матричные видеокоммутаторы кроме простого переключения каналов умеют делать и многое другое, то их иногда называют системой управления видеонаблюдения. Это не значит, что VMS может выполнять функцию видеоквадратора или мультиплексирование сигналов. Если требуется выполнение этих функций, то вам понадобятся видеоквадратор и видеомультиплексор. (В настоящее время имеются видеомультиплексоры с функцией матричного видеокоммутатора. Прим. ред.)

Рис. 7.10. Типичный приемник сигналов телеуправления

Цифровое переключение и оборудование для обработки видеосигналов

Видеоквадраторы

«Неумение» последовательных коммутаторов отображать все телекамеры одновременно и проблемы с синхронизацией заставили разработчиков оборудования для систем видеонаблюдения на создание нового устройства — видеоквадратора (разделителя экрана).

Видеоквадратор помещает изображение от четырех (или менее) телекамер на один экран, разделенный на четыре прямоугольные области, по аналогии с прямоугольной системой координат иногда называемые квадрантами (отсюда иногда используемое название такого прибора «quad»). Для решения этой задачи видеосигнал вначале должен быть оцифрован, а затем сжат до размера соответствующего квадранта (отсюда еще одно название прибора — quad compressor). Электроника прибора приводит все синхроимпульсы к единой временной базе, в результате формируется единый видеосигнал, в котором представлены сигналы всех четырех квадрантов, поэтому нет необходимости во внешней синхронизации.

Видеоквадратор — это прибор с аналоговыми входом и выходом, выполняющий цифровую обработку изображения.

Как и в случае любого цифрового устройства обработки изображений, здесь есть ряд моментов, которые необходимо знать, чтобы уметь определять качество системы: разрешение кадровой памяти в пикселах (по горизонтали и по вертикали) и скорость обработки изображений.

Рис. 7.11. Типичный черно-белый видеоквадратор

Типичная для современных видеоквадраторов емкость кадровой памяти составляет 512 х 512 или 1024 х 1024 пикселов. Первое сравнимо с разрешающей способностью телекамеры, но не забывайте, что эти 512 х 512 пикселов мы разбиваем на четыре изображения, и каждый квадрант будет иметь разрешение 256 х 256 пикселов, что приемлемо лишь для системы среднего уровня. Итак, если у вас есть выбор, то выбирайте видеоквадратор с большей кадровой памятью. Кроме того, каждый пиксел хранит информацию об уровне яркости (в черно-белых видеоквадраторах) и цветовую информацию (в цветных видеоквадраторах). Обычный черно-белый видеоквадратор хорошего качества дает 256 уровней серого, хотя для некоторых приложений достаточно 64 уровней. А вот 16 уровней серого — это слишком мало, и изображение будет выглядеть чересчур оцифрованным. Цветные видеоквадраторы высокого качества дают более 16 млн. цветов, то есть 256 уровней по каждому из трех первичных цветов (всего 2563).

Рис. 7.12. Двухстраничный видеоквадратор

Еще один важный аспект видеоквадратора — это время обработки изображения. Когда появились первые устройства, цифровая электроника работала сравнительно медленно, и видеоквадратор мог обрабатывать всего несколько изображений в секунду, поэтому вы могли видеть «дерганье» перемещающихся объектов на экране. Медленные видеоквадраторы есть и сегодня. Чтобы движение на экране было плавным, электроника должна обрабатывать каждое изображение на полевой частоте ТВ-системы (1/50 с или 1/60 с), только тогда на отображении не будет задержек и эффект оцифровки будет менее заметен. Такие «быстрые» приборы называются видеоквадраторами реального времени. Видеоквадраторы реального времени с высоким разрешением стоят дорого. Цветные приборы дороже, чем черно-белые, так как в этом случае на каждый канал требуется три модуля кадровой памяти (по числу первичных цветов). Если в системе больше четырех телекамер, то решением может быть использование двух-страничных видеоквадраторов, в этом случае до 8 телекамер могут переключаться последовательно в виде двух изображений с квадовым представлением. Большинство таких видеоквадраторов позволяет настраивать время отображения между переключениями.

Другая очень удобная характеристика, свойственная большинству видеоквадраторов, — это входы тревоги. При получении сигнала тревоги, соответствующая телекамера переключается с квадового режима на полноэкранный. Обычно это режим реального времени, то есть аналоговый сигнал отображается без цифровой обработки и хранения в кадровой памяти. Переключение по тревоге в полноэкранный режим особенно важно в режиме видеозаписи. Независимо от того, насколько хорошим кажется выходной сигнал с видеоквадратора, при записи на VHS-магнитофон разрешающая способность ограничивается возможностями видеомагнитофона. Это составляет 240 ТВЛ (мы обсудим это позже в разделе, посвященном видеомагнитофонам) для цветного сигнала и около 300 ТВЛ для черно-белого. При воспроизведении в квадовом режиме с видеомагнитофона очень трудно сравнивать детали в таком изображении с тем, что было в исходном изображении в режиме реального времени. По этой причине система может быть спроектирована таким образом, чтобы при срабатывании датчика тревоги происходил переход с квадового отображения на полноэкранное.

Рис. 7.13. Видеоквадратор с входами тревоги

В последствии детали видеозаписи по тревоге могут быть изучены подробнее. В качестве устройств активации могут быть использованы самые разные датчики, но чаще всего это пассивные и активные инфракрасные детекторы, видеодетекторы движения, тревожные кнопки и датчики открывания дверей.

Как и для последовательных видеокоммутаторов с входом тревоги следует четко определить, что последует после работы в режиме тревоги, то есть как долго видеоквадратор останется в полноэкранном режиме, требуется ли ручное подтверждение восприятия тревоги оператором. Это мелочи, но они многое могут изменить в построении видеосистемы и ее эффективности.

Иногда потребителя устраивает и запись в квадовом режиме, в этом случае достаточно простого видеоквадратора, без входов тревоги.

Однако, если требуется запись полноэкранного изображения, то следует осторожно относиться к выбору видеоквадратора с функцией увеличения при воспроизведении. Они могут выглядеть так же, как и устройства с входами тревоги, но на самом деле они не поддерживают запись полноэкранного изображения, как этого можно было бы ожидать; вместо этого они электронным образом «раздувают» записываемые квадранты на полный экран. Разрешение таких увеличенных изображений составляет лишь четверть (1/2 по вертикали и 1/2 по горизонтали) того, что должно быть.

Видеомультиплексоры

Естественная эволюция устройств цифровой обработки изображений сделала видеомультиплексоры лучшей альтернативой видеоквадраторам, особенно для записи. Видеомультиплексоры — это устройства, выполняющие временное мультиплексирование входных видеосигналов и дающие два типа выходных видеосигналов: один для просмотра и один для записи.

Выход для видеонаблюдения позволяет показывать изображения со всех телекамер на одном экране одновременно. То есть, если у нас есть 9-канальный видеомультиплексор с 9 телекамерами, то все они будут представлены на экране в виде мозаики 3 х 3 (мультиэкранное отображение. Прим. ред.). Та же концепция применима к 4- и 16-канальным видеомультиплексорам. В большинстве видеомультиплексоров любая телекамера может быть выбрана для полноэкранного отображения. Пока на видеовыходе воспроизводятся эти изображения, на магнитофонный выход видеомультиплексора посылаются разделенные по времени мультиплексированные изображения со всех телекамер, выбранных для записи. Это разделенное по времени мультиплексирование похоже на очень быстрый последовательный видеокоммутатор с той лишь разницей, что все видеосигналы синхронизированы для последовательной записи на видеомагнитофон. Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, выполняющие лишь быстрое переключение каналов (для записи) и вывод полноэкранных изображений, без функции мозаичного воспроизведения. Такие устройства называются frame switcher (коммутатор кадров), причем при записи они ведут себя подобно видеомультиплексорам. (Более распространенное название — симплексный видеомультиплексор. Прим. ред.)

Рис. 7.14. Uniplex — один из первых видеомультиплексоров

Рис. 7.15. Мультиплексирование видеозаписи

Чтобы понять, как это происходит, мы упомянем здесь несколько моментов, касающихся концепции записи на видеомагнитофон (эти вопросы также обсуждаются в следующем разделе). Головки видеомагнитофона (обычно две) расположены на 62 мм вращающемся барабане, который выполняет спиральную развертку магнитной ленты, проходящей вплотную с барабаном.

Вращение зависит от ТВ-системы: для PAL это 25 оборотов в секунду, а для NTSC — 30. Если две головки расположены на барабане под углом 180° напротив друг друга, спиральная развертка может составлять 50 полей/с на чтение или запись для PAL и 60 — для NTSC. Это означает, что каждое ТВ-поле (состоящее из 312.5 строк для PAL и 262.5 строк для NTSC) записывается на диагональные, плотно расположенные дорожки магнитной ленты. Когда видео-магнитофон воспроизводит записанную информацию, он делает это на скорости, соответствующей ТВ-стандарту, так что мы опять получаем движущееся изображение.

Понятно, поскольку головки видеомагнитофона представляют собой электромеханические устройства, то точность вращения здесь критична. Из-за электромеханической инерции видеомагнитофоны обладают более длительным временем захвата кадровой синхронизации, чем видеомониторы. Это становится причиной еще больших проблем с перемещением изображения по вертикали при записи несинхронизированных телекамер с помощью последовательного видеокоммутатора.

Рис. 7.16. 8-канальный видеомультиплексор

При нормальной записи и воспроизведении видеоголовки постоянно считывают или записывают поля, одно за другим, по 50 (60 в NTSC) полей в секунду.

Вместо того, чтобы записывать одну телекамеру несколько секунд, затем другую и т. д. (что делает последовательный видеокоммутатор), видеомультиплексор обрабатывает видеосигнал таким образом, что каждое следующее поле, посылаемое на видеомагнитофон, исходит от другой телекамеры (обычно следующего по порядку входа).

Итак, в действительности мы имеем на выходе очень быстро переключаемый сигнал, который переключается со скоростью, соответствующей скорости записывающих головок. Эта скорость зависит от типа видеомагнитофона и от режима записи (как в случае видеомагнитофонов с функцией time lapse, что мы обсудим ниже). Вот почему так важно настроить видеомультиплексор на выходную скорость, соответствующую конкретному видеомагнитофону. Это можно сделать в меню установок любого видеомультиплексора. Если на вашем видеомультиплексоре нет конкретного видеомагнитофона, то можете попробовать выбрать типовую установку или же, если нет ничего похожего, последуйте методу проб и ошибок и попытайтесь найти эквивалентную модель (Современные видеомультиплексоры имеют вход VEXT для синхронизации импульсами с видеомагнитофона, что исключает описанную выше процедуру. Прим. ред.). Основное различие time lapse видеомагнитофонов заключается в том, что одни записывают поля, другие кадры.

Кроме синхронизации выхода (MUX–VCR), теоретически нужна еще и синхронизации входов (камеры-MUX), но поскольку видеомультиплексоры являются цифровыми устройствами обработки изображения, то приведение всех синхроимпульсов от телекамер к единой временной базе происходит в самом видеомультиплексоре. То есть сигналы различных телекамер могут быть «смешаны» в одном видеомультиплексоре, и нет никакой необходимости их синхронизировать.

Однако на рынке встречаются и другие модели видеомультиплексоров, которые осуществляют внешнюю синхронизацию телекамер посредством синхроимпульсов, передаваемых по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Эти модели видеомультиплексоров не теряют времени на временную коррекцию синхроимпульсов и поэтому должны работать быстрее. (Другое решение проблемы — использование в видеомультиплексорах двух параллельно работающих процессоров, осуществляющих поочередную оцифровку входных видеосигналов, в результате отсутствует время на ожидание прихода начала поля следующей несинхронизированной телекамеры. Прим. ред.)

Если необходимо воспроизведение, то выход видеомагнитофона вначале обращается к видеомультиплексору, затем видеомультиплексор извлекает сигнал выбранной телекамеры и посылает изображение на видеомонитор. Видеомультиплексор может отобразить любую телекамеру на полном экране или воспроизвести все записанные телекамеры в мозаичном режиме (вывести несколько изображений одновременно).

Рис. 7.17. 16-входовый видеомультиплексор со сквозными видеовходами

Время обновления видеозаписи

Следует понимать, что количество кадров (изображений), взятых от каждой телекамеры для записи, зависит от общего числа подсоединенных к видеомультиплексору телекамер и временного режима работы time lapse видеомагнитофона. То есть, невозможно одновременно записать в реальном режиме времени изображения со всех телекамер — ведь это мультиплексирование с временным разделением.

Однако можно улучшить качество работы видеосистемы при помощи внешних датчиков тревоги и встроенного в видеомультиплексор детектора активности (что мы объясним позже). Лучше всего записывать минимальное количество телекамер в самом быстром (насколько это практически возможно) режиме записи. Проще говоря, если заказчик может менять ленту хотя бы раз в сутки, не следует использовать режим time lapse больший, чем «24 часа». Если система не обслуживается в выходные, то следует выбрать режим «72 часа». А если позволяет бюджет, то вместо 16-канального видеомультиплексора для 9 (или более) телекамер лучше использовать 9-канальные (некоторые производители выпускают 8- и 10-канальные устройства) видеомультиплексоры и два видеомагнитофона. Тогда частота записи удвоится и нужно будет использовать две ленты вместо одной.

Вот как можно посчитать временные интервалы между последовательными кадрами с каждой телекамеры. Допустим, у нас имеется видеомагнитофон с режимом time lapse «24 часа». Ранее мы установили, что нормальный (реального времени) видеомагнитофон записывает 50 полей в секунду в PAL и 60 в NTSC.

Если вы откроете техническое руководство time lapse видеомагнитофона, то вы увидите, что видеомагнитофон в режиме «24 часа» делает запись каждые 0.16 секунды; даже если у вас нет руководства, то это легко подсчитать: если видеомагнитофон PAL делает запись в режиме реального времени, то он записывает поле каждые 1/50=0.02 с. Частота записи time lapse видеомагнитофона в режиме «24 часа» в 24/3=8 раз меньше, тогда мы получим 0.02x8=0.16 с. Аналогичный расчет для видеомагнитофона NTSC даст нам, что одно поле записывается каждую 1/60=0.0167 с. В режиме «24 часа» с лентой Т120 мы получим 24/2=12. Это значит, что в режиме 24 «часа» в формате NTSC лента time lapse видеомагнитофона двигается в 12 раз медленнее, чтобы уместить 24 часа на одной 2-часовой ленте. Таким образом, скорость обновления каждого записываемого поля в режиме «24 часа» составляет 12x0.0167=0.2 с.

Рис. 7.18. Типовая схема соединения типичный видеомультиплексор — time lapse видеомагнитофон

Все приведенные выше вычисления сделаны для сигнала одной телекамеры, то есть, если к видеомультиплексору подсоединена только одна телекамера, то он будет делать запись каждые 0.16 ев PAL и каждые 0.2 с в NTSC. Если в системе большее число телекамер, то чтобы подсчитать скорость обновления для каждой телекамеры, нужно умножить это значение на число телекамер и добавить время, которое видеомультиплексор тратит на временную коррекцию несинхронизированных телекамер. Если у нас, например, 8 телекамер на запись, то получим 8x0.16=1.28 с (PAL) и 8x0.2=1.6 с (NTSC). Добавив к этому время, затрачиваемое на синхронизацию и реальные временные интервалы между записями каждой телекамеры, получим примерно от 1.5 до 2 с. Это неплохой результат, особенно если учесть, что все 8 телекамер записываются на одну ленту.

Если нам нужно идентифицировать важное событие, которое имело место, например, в 3 часа дня, мы можем либо просмотреть изображение со всех телекамер в мозаичном режиме и найти ту из них, на которой зарегистрирована важная активность, либо просмотреть все телекамеры по отдельности в полноэкранном режиме.

Рис. 7.19. Типичное отображение с помощью видеомультиплексора

Для некоторых видеосистем 2 секунды — это слишком большая потеря времени, и тогда могут приго-диться вход тревоги или детектор активности. Большинство видеомультиплексоров имеют входы тревоги, благодаря чему можно перейти в режим приоритетной записи. Режим приоритетной записи — это режим, при котором сигналы от телекамеры с тревогой видеомультиплексор записывает с приоритетом. Допустим, поступил сигнал тревоги, связанный с телекамерой 3. Вместо нормального временного мультиплексирования 8 телекамер в последовательности 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, мы получим 1, 3, 2, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 3 и т. д. Временной интервал задержки в таких случаях длиннее для всех телекамер, кроме 3. Но поскольку номер 3 — это самая важная для данного момента телекамера, то приоритетное кодирование «заставит» телекамеру 3 записываться каждые 2x0.16=0.32 с, или на практике почти каждые 0.5 с (из-за временной коррекции). Это гораздо лучшая реакция, чем предыдущие 2 с для простого мультиплексного кодирования. Следует отметить, что если на входах видеомультиплексора больше одного сигнала тревоги, то временной «провал» между последовательными кадрами телекамер удлиняется, и если мы проходим через все входы тревожных телекамер, то получаем простое мультиплексное кодирование. (Кроме приоритетной видеозаписи некоторые видеомультиплексоры позволяют реализовать режим эксклюзивной видеозаписи, то есть запись видеосигналов только тех зон, где произошла тревога, что еще больше повышает ценность записанной информации. Прим. ред.)

Если система не может использовать внешние датчики тревоги, то следует помнить, что многие видеомультиплексоры имеют встроенные детекторы активности. Это очень удобная характеристика, суть которой заключается в том, что каждый канал видеомультиплексора анализирует изменения видеоинформации при каждом обновлении кадровой памяти. Если произошли изменения (что-то движется в поле зрения), то активируется «внутренняя тревога», которая, в свою очередь, включает схему приоритетной кодировки. Это очень помогает при анализе вторжений или иных событий. Детектирование активности можно отключить. Некоторые модели видеомультиплексоров позволяют конфигурировать зоны детектирования. (Более того, может быть реализован детектор движения, обеспечивающий срабатывание выходных контактов тревоги. Настройками можно выбрать чувствительность, игнорировать влияние медленно изменяющейся освещенности и пр. с тем, чтобы минимизировать уровень ложных тревог. Прим. ред.)

На рынке оборудования для систем видеонаблюдения появились видеомагнитофоны реального времени с функцией time lapse, что может запутать нас в вопросе подсчета скорости записи. Это более быстрые устройства, с модифицированной механикой, записывающие 16.7 полей в секунду в PAL (одно поле в 0.06 с) и 24 часа на ленту Е240. В случае NTSC около 20 полей в секунду (поле в 0.05 с) может быть записано за 24 часа на ленту Т160. Понятно, чтобы подсчитать скорость обновления информации мультиплексированных телекамер при записи на такой видеомагнитофон, следует умножить число телекамер на вышеупомянутую скорость обновления полей.

Честно говоря, это не настоящее время записи в реальном времени, но определенно лучше, чем обычный режим time lapse. Насколько я знаю, есть только один производитель, оборудование для систем видеонаблюдения которого действительно делает 24 ч записи со скоростью 50 полей в секунду (PAL) и 60 (NTSC) — это Elbex.

В системе NTSC лента используется при более высокой скорости записи (2 метра в минуту), чем в системе PAL или SECAM (1.42 метра в минуту). Еще более запутывает вопрос то, что на VHS лентах маркируется время воспроизведения, а не длина ленты. Поэтому лента Т120 (2-часовая), купленная в США, — это не то же, что лента Е120 (2-часовая), купленная в Великобритании. Американская лента Т120, длиной 246 метров, дает два часа воспроизведения на NTSC-видеомагнитофоне. Такая же лента, используемая на видеомагнитофоне PAL, даст 2 часа и 49 минут воспроизведения. А английская лента Е120, длиной 173 метров, даст 2 часа воспроизведения на видеомагнитофоне PAL. Та же лента на NTSC-видеомагнитофоне даст 1 час и 26 минут воспроизведения. В таблице 7.1. приведено время воспроизведения лент в PAL, SECAM и NTSC.

Симплексные и дуплексные видеомультиплексоры

Многие видеомультиплексоры позволят вам просматривать изображения с любой выбранной телекамеры в мозаичном режиме. Если нужно просмотреть записанную ленту, то, как мы уже говорили, вначале сигнал с выхода видеомагнитофона поступает не на видеомонитор, а на видеомультиплексор, где происходит декодирование сигналов. В этот момент видеомультиплексор не может быть использован для записи. Итак, если необходимо одновременно сделать запись и просмотреть изображение, то потребуется еще один видеомультиплексор и видеомагнитофон. Видеомультиплексоры, которые в конкретный момент времени могут выполнять только одну задачу, называются симплексными.

Но бывают и дуплексные видеомультиплексоры, фактически представляющие собой «два в одном» — два видеомультиплексора в одном корпусе, один для записи, другой для воспроизведения. Если требуется одновременное воспроизведение и запись, то потребуется два видеомагнитофона.

Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, называемые триплексными. Эти устройства обладают той же функциональностью, что и дуплексные, но вдобавок могут воспроизводить на одном экране комбинацию из наблюдаемых в данный момент и воспроизводимых с видеомагнитофона изображений на одном видеомониторе.

Видеомультиплексоры, как и видеоквадраторы, могут быть черно-белыми или цветными. Кадровая память тоже имеет ограничения. Наиболее узким местом в смысле разрешающей способности является сам видеомагнитофон. Новые современные системы видеонаблюдения инсталлируются с видеомагнитофонами Super VHS, что дает улучшенное разрешение до 400 ТВЛ (сравните с 240 ТВЛ в обычном VHS-формате).

Видеомультиплексоры можно с успехом использовать и в других приложениях, не только при видеозаписи. Например, если нужно передавать по радиоканалу более одного видеосигнала. Используя два идентичных симплексных видеомультиплексора на концах линии, мы сможем передавать более одного изображения в режиме мультиплексирования с временным разделением. В этом случае скорость обновления для каждой телекамеры будет такой же, как при записи этих телекамер в реальном режиме (3 часа) на видеомагнитофон.

Рис. 7.20. 16-канальный триплексный видеомультиплексор

Видеодетекторы движения

Видеодетекторы движения (Video Motion Detector — VMD) — это устройства, анализирующие поступающие на вход видеосигналы и определяющие наличие изменений в видеосигнале; в случае их появления активируется выход тревоги.

Быстро развивающаяся технология обработки изображений позволяет запоминать и обрабатывать изображения в течение очень короткого времени. Если время обработки равно или меньше 1/50 с (PAL) или 1/60 с (NTSC), что, как мы знаем, равно скорости обновления «живого» видео, то мы можем обрабатывать изображение без потери полей и сохранить видимость «движения в реальном времени». На самом раннем этапе развития VMD была возможна только аналоговая обработка. Такие простые VMD все еще применяются и, пожалуй, достаточно эффективны в сопоставлении с их ценой, хотя они не способны сделать сложный анализ и поэтому дают большое количество ложных тревог.

Принципы работы аналогового VMD (иногда их называют видеосенсорами движения) очень просты: видеосигнал с камеры подается на VMD и затем на монитор или любой видеокоммутатор. При помощи нескольких регуляторов, расположенных на передней панели устройства, на анализируемом изображении позиционируются маленькие метки (обычно четыре).

Рис. 7.21. Простой аналоговый одноканальный видеодетектор движения

Рис. 7.22. Система Dindima с видеодетектором движения (VMD) на базе PC

Эти прямоугольные метки указывают зоны чувствительности, а уровень видеосигнала определяется электроникой VMD. Как только уровень меняется (становится выше или ниже) — то есть кто-то появился в поле зрения и попал в отмеченные зоны — активируется тревога. Чувствительность определяется величиной изменения уровня яркости, вызывающей состояние тревоги (обычно 10 % или более от максимального размаха видеосигнала).

Сигнал тревоги обычно звуковой, кроме того, VMD обеспечивает замыкание выходных контактов, что может использоваться для запуска других устройств. Подтверждение восприятия предупреждающего сигнала может быть автоматическим (через несколько секунд) или ручным. На передней панели устройства находится регулятор чувствительности, и если его настроить соответствующим образом, то можно получить неплохие результаты. Ложные тревоги будут всегда — их могут вызвать колышущиеся на ветру деревья, прогуливающиеся кошки, световые блики — но причина тревоги всегда может быть определена при воспроизведении записи с видеомагнитофона (если VMD к нему подсоединен).

VMD нередко являются лучшим решением, чем пассивные инфракрасные детекторы (PIR), не только потому, что причину тревоги можно увидеть, но и потому, что VMD точно анализирует все, что видит телекамера. Если используются PIR-детекторы, то зона охвата датчиков должна соответствовать полю обзора телекамеры, — только тогда система будет эффективна.

Если в системе несколько телекамер, то мы не сможем переключаемые видеосигналы подавать на VMD, так как это будет постоянно вызывать сигналы тревоги, и тогда нам потребуется по одному VMD на телекамеру. В системах последующей обработки видеосигнала метки зоны чувствительности могут быть сделаны невидимыми, оставаясь при этом активными.

Следующий шаг VMD-технологии — это цифровой видеодетектор движения (DVMD), еще более сложное и популярное устройство. И конечно же, более дорогое, но при этом более надежное и дающее меньшее количество ложных тревог.

Основные различия между DVMD различных производителей лежат в области алгоритмов программного обеспечения и обработки движения. Эти концепции достигли такой стадии, что теперь можно игнорировать движение сгибаемых ветром деревьев, можно выделить движение машин на заднем плане изображения и исключить его из процесса принятия решения об активации тревоги. В последние годы были разработаны DVMD-устройства, учитывающие перспективу. Это означает, что по мере передвижения объектов в направлении «от камеры» (при этом их размеры на изображении уменьшаются), увеличивается чувствительность VMD с целью компенсации уменьшения размеров объекта из-за эффекта перспективы. Следует отметить, что этот эффект также зависит от объектива.

Рис. 7.23. 3-мерный VMD на базе PC (Practel)

Рис. 7.24. Усовершенствованное многоканальное устройство обнаружения движения

Сегодня многие компании выпускают дешевые альтернативы сложным автономным системам в виде РС-плат. Платы снабжены специализированным программным обеспечением, и в качестве VMD может использоваться практически любой персональный компьютер. Более того, можно хранить кадры изображения на жестком диске и передавать их по телефонной линии, подсоединенной к PC. VMD имеет множество опций настройки, и для его установки вам потребуется уйма времени, но в награду вы получите надежное функционирование системы с меньшим количеством ложных тревог.

Стандартной опцией для многих VMD-устройств стал специальный метод записи, называемый «предыстория тревог» (pre-alarm history). Лежащая в его основе идея довольно проста, но чрезвычайно полезна для систем видеонаблюдения. При возникновении состояния тревоги сохраняются записанные изображения как после активации тревоги, так и до активации (Для этого видеосигналы сначала поступают в буфер с емкостью хранения потока видеосигналов в течение нескольких секунд, а уже потом из буфера могут подаваться для записи на жесткий диск. Прим. ред.). В результате мы получаем последовательность изображений, отражающих не только период тревожной ситуации, но и то, что ей предшествовало.

Одной из последних разработок в этой области стала (оригинальная) концепция трехмерной видеодетекции движения, предложенная одной австралийской компанией. Согласно этой концепции предлагается использовать две (или более) телекамеры для наблюдения за объектом под различными углами, что дает чрезвычайно низкий уровень ложных тревог. Таким образом определяется трехмерная объемная защищаемая зона, которая невидима для публики, но вполне различима для электроники, выполняющей обработку изображения. Согласно этой концепции движение перед любой из камер не вызовет ситуации тревоги до тех пор, пока не будет нарушена защищаемая зона, воспринимаемая с позиций обеих телекамер. Опираясь на эту концепцию, можно организовать наблюдение, например, за ценными произведениями искусства в галереях; тревога не будет активироваться каждый раз, когда кто-то проходит перед произведением искусства, а только тогда, когда объект будет сдвинут с места.

Довольно часто более удобен такой вариант: детектирование тревоги происходит не в том случае, когда кто-то или что-то движется в поле зрения, а только когда фиксированный объект смещается со своего положения. Эти можно сделать при помощи видеодетектора стационарных объектов (VNMD, video non-motion detector). Это устройство во многом аналогично VMD, но только в этом случае собирается дополнительная информация о тех объектах, которые стационарны в течение длительного времени. Любые движения вокруг выбранных объектов не вызывают сигнала тревоги; тревога активируется только в том случае, когда защищаемый объект смещается со своей стационарной позиции.

В последние годы появились телекамеры с цифровой обработкой сигнала со встроенной схемой VMD.

Это удобно в тех системах, в которых запись и/или тревога активируются только в том случае, если человек или объект перемещается в поле зрения данной телекамеры.

Все вышеупомянутые VMD имеют выход тревоги, обеспечивающий замыкание релейных контактов, которые включают дополнительные устройства видеонаблюдения, вроде видеомагнитофонов, матричных видеокоммутаторов, кадровой памяти, сирен и т. п. Если вы решили использовать именно такое устройство, то следует точно выяснить у поставщика типы выхода тревоги, так как это может быть все что угодно, начиная от изолированных нормально разомкнутых контактов и заканчивая напряжением 5 В логического уровня.

Упомянем также VMD, которые кроме обнаружения движения могут звонить на удаленные станции приема и посылать изображения по телефонным линиям. С такими устройствами становится возможен дистанционный мониторинг практически из любого места земного шара. Изображения посылаются на принимающую станцию только тогда, когда VMD обнаруживает движение, что экономит затраты на международные телефонные звонки.

Устройства видеопамяти

Концептуально устройство видеопамяти — это очень простое электронное устройство, предназначенное для временного хранения изображений. Две его основные части — это аналого-цифровой преобразователь и оперативное запоминающее устройство (RAM). Первая часть осуществляет преобразование аналогового видеосигнала в цифровой код, который затем сохраняется в ОЗУ до тех пор, пока подключено питание.

Главным преимуществом устройства видеопамяти в сравнении с видеомагнитофонами является время отклика. Так как устройство не содержит механических частей, то запись изображений при активации тревоги выполняется мгновенно. Затем информация передается на видеопринтер или видеомонитор для просмотра или проверки.

Более сложные устройства обычно содержат несколько страниц кадровой памяти, на которые постоянно записываются последовательности изображений на основе принципа «первым поступил — первым выводится» (FIFO), вплоть до момента активации тревоги. При активации тревоги можно просмотреть не только события, происходящие в момент тревоги, но также несколько кадров, предшествующих ситуации тревоги; таким образом устройство хранит краткую историю событий. Это та же концепция, что и «предыстория тревог» в VMD-устройствах.

Еще одно применение устройства видеопамяти — использование в качестве устройства кадровой синхронизации. Это устройство непрерывно обрабатывает поступающие на вход видеосигналы и выполняет временную коррекцию, синхронизируя сигнал по внутреннему синхрогенератору. Поскольку этот процесс выполняется с очень большой скоростью (в реальном режиме времени) и устройство видеопамяти имеет высокую разрешающую способность, то ощутимого ухудшения видеосигнала не возникает. Это очень удобное устройство для просмотра коммутируемых изображений от несинхронизированных телекамер на одном мониторе. В таких случаях данное устройство выполняет функции синхронизатора, то есть исключает эффект перемещения изображений по вертикали.

Устройства видеопамяти, используемые в системах видеонаблюдения, делятся на черно-белые и цветные устройства. Качество устройства видеопамяти определяется прежде всего разрешающей способностью, то есть количеством пиксел, которые могут быть сохранены, и, во-вторых, выраженным в двоичных единицах количеством уровней серого, а в случае цветного устройства — числом бит, используемых для хранения цвета. Типичное устройство видеопамяти хорошего качества имеет более 400x400 пикселов, а обычное разрешение составляет 752x480 пикселов и 256 уровней яркости (28). Для цветного устройства видеопамяти (с тремя цветовыми каналами) мы получим более 16 млн. цветов (256x256x256).

Рис. 7.25. Устройство видеопамяти

Видеопринтеры

Видеопринтеры обычно используются в больших системах, когда необходимо получать твердые копии «живого» или записанного изображения для их последующей оценки или использования в качестве свидетельства. Есть два типа видеопринтеров: черно-белые и цветные. В черно-белых видеопринтерах выходным носителем обычно служит термографическая бумага, но некоторые, более дорогие, модели могут выводить печать на обычную бумагу. Видеопринтеры с термографической бумагой, используемые для вывода черно-белого сигнала, работают так же, как и факсимильные аппараты: размер и разрешение выводимых изображений зависят от разрешения принтера. Отпечатки, сделанные на термографических принтерах, не долговечны и не стабильны (из-за старения термографической бумаги), и для длительного хранения приходится фотокопировать отпечатанные изображения.

Цветные видеопринтеры выводят печать на специальную бумагу, и процесс печати подобен работе принтеров с термической возгонкой красителя с использованием голубых, пурпурных, желтых и черных фильтров. Качество печати великолепное, но число копий ограничено — для каждой пачки бумаги приходится менять картридж.

Более сложные видеопринтеры обладают рядом управляющих функций, включая вставку заголовков, регулирование четкости, задание числа копий и функцию сохранения изображений в кадровой памяти принтера до вывода на печать. Во многих случаях пользователи систем видеонаблюдения не хотят инвестировать средства в видеопринтер, и тогда возникает потребность в услугах специализированных центров. Туда доставляется магнитная лента, с которой и выводятся на печать изображения, соответствующие конкретным событиям.

Рис. 7.26. Цветной видеопринтер

8. Аналоговые видеомагнитофоны

Совсем еще недавно видеомагнитофоны были очень важной частью любой системы видеонаблюдения (и записи), но с появлением цифровых видеорегистраторов (DVR) количество новых инсталляций систем видеонаблюдения с видеомагнитофонами стало стремительно сокращаться. Впрочем, отдавая должное старым добрым временам, когда без видеомагнитофонов нельзя было представить систему видеонаблюдения, в этом издании книги я оставил главу о видеомагнитофонах. Кроме того, если вам придется столкнуться со старой системой видеонаблюдения, то вам, возможно, понадобятся знания, изложенные в этой главе. Особое внимание уделено TL-видеомагнитофонам, которые были предшественниками цифровых видеорегистраторов.

Немного истории и основная концепция

Реально эра записи на магнитную ленту началась в 1935 г. с появления первого коммерческого звукового магнитофона фирмы AEG, названного просто Магнитофоном. В нем использовалась ацетатцеллюлозная лента, покрытая порошком карбонильного железа. Даже при том, что это были очень хорошие звукозаписывающие устройства для своего времени, их эксплуатационные показатели постоянно повышались на протяжении 30-х и 40-х годов до тех пор, пока в конце 40-х годов радиопередачи не стали выходить в записи, не отличаясь при этом по качеству от прямого эфира.

Принципы записи на магнитную ленту известны большинству из нас по старым добрым кассетным аудиомагнитофонам. Сигнал переменного тока (АС), проходя через обмотку аудиоголовки, генерирует переменный магнитный поток сквозь магнитно-проницаемое металлическое кольцо, называемое головкой. Для того, чтобы магнитный поток вышел из кольца (в противном случае, магнитный поток останется внутри сердечника), в сердечнике сделана небольшая прорезь.

Благодаря этой прорези формируется неоднородность для магнитного поля, которое выходит из сердечника и замыкается по воздуху, возвращаясь к другому концу прорези. Но если мы поместим магнитную ленту очень близко к головке, то поток будет проходить через ленту.

Магнитная лента сама по себе очень тонкая и покрыта магнитным порошком, микроскопические частицы которого действуют как небольшие магнитики. Если наложить внешнее магнитное поле, то эти небольшие частицы могут быть поляризованы в различных направлениях, в зависимости от силы тока и его направления.

Если магнитная лента неподвижна, то никакая информация не будет записана, за исключением последнего состояния магнитного поля.

Чтобы произвести звуковую запись, лента должна двигаться с постоянной скоростью. Эта скорость зависит от разрешения, то есть от самой высокой частоты, которую необходимо записать. Чем быстрее движется лента и чем меньше зазор в кольце, тем более высокую частоту можно записать.

По аналогии это напоминает ситуацию: в наличии имеются две авторучки, одна — с острым, другая — с обычным пером. Пользуясь острым пером, мы можем писать более мелким шрифтом и на одном и том же пространстве разместить больше информации, чем при пользовании обычным пером.

Этот пример — упрощенное описание того, как производится звуковая запись. В действительности же звуковой сигнал не записывается непосредственно в том виде, в каком он поступает, а скорее в виде амплитудно-модулированного синусоидального сигнала. Было установлено, что при этом нелинейные искажения при записи намного ниже. Для звуковой кассеты скорость движения ленты была выбрана равной 4.75 см/с. Таким образом, получасовая запись одной стороны кассеты С-60 занимала примерно 86 м ленты (4.75x60x30=8550 см). При хорошем качестве ленты и с чистой головкой возможная полоса пропускания записи звука составляет приблизительно от 50 Гц до 15000 Гц. Если сравнивать с сегодняшними цифровыми CD-стандартами, то такие характеристики звуковой записи не кажутся столь внушительными. Очевидно, что с большими магнитофонами (катушечного типа) и учетверенной скоростью ленты в 19 см/с записанная и воспроизведенная полоса пропускания будет намного шире.

Первоначально была предпринята попытка применить к записи видеосигналов концепцию, подобную применяемой при аудиозаписи на магнитную ленту, когда в 50-х годах были разработаны весьма странные устройства со скоростью протяжки ленты около 1000 см/с с необычайно большими бобинами. Теория, на основе которой построена запись на магнитную ленту, показала, что, чтобы сделать запись монохромного видеосигнала с полосой пропускания всего 3 МГц (при приемлемом качестве изображения, что соответствует только 15 кГц при аудиозаписи), требуется скорость протяжки ленты около 3 м/с (300 см/с). Легко можно вычислить, что при такой скорости только для одночасовой записи требуется 3x60x60=10800 м ленты. Качество такой продольной записи было все еще очень низким, а оборудование — чрезвычайно громоздким и неудобным в использовании.

Зная размер ленты С-60 (86 м), можно представить себе физический размер бобин, на которых намотано 10 км ленты. Поскольку это представлялось абсолютно непрактичным, то было принято решение отыскать другой способ достижения нужной скорости ленты относительно видеоголовки. В 1950-х годах два инженера из Атрех™ придумали систему с поперечным сканированием, которая имела 4 вращающихся видеоголовки, через которые лента проходила с невероятной скоростью — 40 м/с. Эта система была способна записывать сигнал в полосе пропускания до 15 МГц и обеспечивала качество, достаточное для телевещания. Но для коммерческого рынка и для рынка видеонаблюдения это было слишком дорогим продуктом, поэтому требовалась разработка альтернативных проектов и решений.

Рис. 8.1. Принцип магнитной записи

Ранние концепции видеомагнитофонов

В конце 50-х годов была предложена концепция спирального сканирования. Это была намного более простая система по сравнению с поперечным сканированием, хотя первоначально все производители предложили конструкции с открытыми бобинами, несовместимые друг с другом. В магнитофонах еще не использовались кассеты, и они не были предназначены для домашнего просмотра.

В 70-х годах Sony™ предложила свой стандарт U-matic, который, обладая хорошими техническими показателями для своего времени и используя кассеты вместо открытых бобин, твердо обосновался в индустрии вещания.

В 1972 году Philips™ вышла на рынок со своим первым устройством N1500, ориентированным на рынок бытовой электротехники; это было новым этапом в развитии кассетных магнитофонов, но, к сожалению, этот видеомагнитофон продавался не слишком хорошо. Он позволял вести запись в течение одного часа и имел встроенный тюнер, таймер и радиочастотный модулятор. Все это было ориентировано на разработку проекта System 2000, но, к сожалению, в этот же период появилось цветное телевидение, и множество людей копили деньги, чтобы купить цветные телевизоры, а не кассетные видеомагнитофоны.

Рис. 8.2. Ранняя модель видеомагнитофона VHS

В начале 70-х годов Matsushita™ и JVC™ вышли на рынок со своими конкурирующими предложениями, то есть, с домашней видеосистемой (VHS), a Sony™ в то же время предложила систему BETA. Таким образом, возникла ожесточенная конкуренция между System 2000, BETA и VHS. В их основах были заложены сходные, но, к сожалению, полностью несовместимые концепции.

В то время VHS стала наиболее популярной и широко востребованной системой на рынке бытовой видеотехники. С технической точки зрения VHS изначально была самой слабой системой по качеству, но она была намного проще остальных в изготовлении и дешевле.

За прошедшие годы множество усовершенствований позволили значительно улучшить ее качество по сравнению с тем, что она представляла собой изначально, и сегодня в системах видеонаблюдения, как и на рынке домашней видеопродукции, VHS используется более, чем в 90 % случаев. Как только VHS получила широкое признание, Sony вышла на арену со своим форматом 8 мм и затем с форматом Hi 8 мм, предлагая намного меньшие ленты и лучшее качество записи, a JVC™ тем временем выпустила свою систему Super VHS, соответствующую качеству Hi 8.

Как мы уже упомянули, для систем видеонаблюдения был разработан специальный тип кассетного видеомагнитофона VHS, так называемый time lapse видеомагнитофон. Именно поэтому в этой книге мы рассмотрим только концепцию VHS. Вероятно, мы проявим некоторую несправедливость к другим существующим форматам, подобным U-Matic, Beta или 8, но время и место, которыми мы располагаем, позволяют сконцентрироваться только на том оборудовании, которое сегодня используется в большинстве систем.

Концепция бытовых видеомагнитофонов (VHS)

Спиральное сканирование — это концепция, в соответствии с которой головки располагаются на наклонном барабане, вращающемся со скоростью, равной частоте видеокадров, то есть 25 оборотов в секунду для системы PAL и 30 — для системы NTSC. Необходимая скорость движения ленты относительно головки достигается, главным образом, вращением головки барабана.

Первоначально в конструкции бытовых видеомагнитофонов (Video Home System — VHS) фактически использовались две видеоголовки, расположенные под углом 180° друг к другу. Они монтировались на вращающемся цилиндре, называемом барабаном видеоголовок. Таким образом, когда производится запись или воспроизведение, каждая головка записывает или воспроизводит одно телевизионное поле. Видеолента охватывает барабан на 180°, таким образом одна из двух видеоголовок всегда находится в контакте с лентой. Фактическая скорость ленты относительно неподвижных частей отсека, где помещается лента видеомагнитофона, составляет 2.339 см/с (система PAL), т. е. приблизительно вдвое меньше скорости ленты в аудиокассете. Для системы NTSC эта скорость несколько выше — 3.33 см/с.

Используемый в VHS формат ленты по ширине составляет 1/2" (12.65 мм), и, как это можно видеть из приведенного ниже рисунка, ширина каждой из наклонных дорожек составляет приблизительно 0.049 мм, а их длина равна примерно 10 см. На таком небольшом пространстве должна быть записана информация 312.5 строк системы PAL (и 262.5 строк системы NTSC).

Рис. 8.3. Барабан VHS с двумя видеоголовками

Когда вы задумаетесь об этом, вам станет понятно, насколько важно качество ленты — как магнитное покрытие, так и механическая целостность и износоустойчивость.

Кроме видеосигнала, который записывается на наклонных дорожках, на ленте также записываются: звуковой сигнал с помощью стационарной аудиоголовки в верхней части ленты и сигналы управления в ее нижней части. На видеосигнал, формируемый схемой видеомагнитофона, накладываются определенные ограничения. Для начала, конструкция записывающей системы VHS, включающая размер барабана видеоголовок, скорость вращения и качество видеоленты, определяет ширину полосы сигнала, который может быть записан на видеоленту.

Рис. 8.4. Кинематическая схема лентопротяжного механизма VHS

Когда видеосигнал поступает на входной каскад видеомагнитофона, он проходит сквозь низкочастотный фильтр с крутым срезом и значением верхней граничной частоты 3 МГц. Этот фильтр пропускает лишь информацию об яркости, в то время как информация о цветности выделяется фильтром из высокочастотной части того же сигнала. Такое вырезание сигнала яркости производится по причине того, что просто невозможно записывать больше информации. Все это — ограничения концепции VHS.

Из простого соотношения, которое мы приводили ранее, получаем, что 3 МГц соответствуют разрешающей способности по горизонтали в 240 ТВЛ. Фактически это является ограничением для цветного видеосигнала при воспроизведении. Отсюда становится ясно, что в современных системах видеонаблюдения именно видеомагнитофон почти всегда представляет собой наиболее узкое место в процессе достижения хорошего качества воспроизведения изображений.

При записи только сигналов черно-белого изображения низкочастотная фильтрация может быть опущена, поскольку в этом случае отсутствует несущая сигнала цветности. В таких случаях фактическая разрешающая способность будет немного выше и может приближаться (в зависимости от качества ленты и видеомагнитофона) к 300 ТВЛ. Многие видеомагнитофоны имеют автоматические выключатели, позволяющие обойти этот фильтр, но в большинстве time lapse видеомагнитофонов для этого предусмотрен ручной переключатель.

Фактически видеосигнал яркости не записывается непосредственно в том виде, в каком он поступает, а модулируется так же, как это делается при записи звука. В VHS для яркости применяется частотная модуляция (ЧМ) с девиациями частоты, начиная с 3.8 МГц (соответствует самому низкому уровню — импульсам синхронизации) и до 4.8 МГц (соответствует максимальным значениям — уровню белого). Информация о цветности, поступающая со входа видеомагнитофона, записывается непосредственно после преобразования с понижением частоты, с несущей частотой 627 кГц и занимает спектральный диапазон 0… 1 МГц. Это становится возможным, потому что яркость частотно модулируется выше этой области.

В процессе дальнейшей разработки концепции системы VHS было выполнено множество усовершенствований. Были выпущены модели с четырьмя головками, был предложен режим длительного воспроизведения и значительно повышена стабильность режима паузы. Кроме того, в моделях Hi-Fi было улучшено качество записи звука, которое изначально была очень низким при низкой скорости поперечной записи. Вместо первоначальных 40 Гц… 12 кГц полосы звуковых частот, с помощью аудиоголовок, расположенных непосредственно на барабане видеоголовок и вращающихся с той же скоростью, что и видеоголовки, записывается звук безукоризненного качества. При такой высокой скорости ленты относительно головок звуковая полоса пропускания была расширена до 20 Гц…20 кГц, и соотношение сигнал/шум существенно увеличилось — с 44 дБ до более 90 дБ. Звуковые каналы Hi-Fi записываются не на отдельных дорожках, а в более глубоком слое ленты и с различным азимутальным углом записываемого частотно-модулированного (ЧМ) сигнала. Поэтому такой тип записи называется мультиплексированная по глубине запись.

Даже несмотря на то, что были изготовлены более качественные ленты и видеоголовки, полоса частот видеосигнала не могла быть значительно расширена вследствие ограничений самой концепции. Принимая это во внимание, разработчики VHS представили новый улучшенный формат, названный Super VHS.

Рис. 8.5. Упрощенный чертеж: ленты VHS в масштабе 1:1 и схема записи

Рис. 8.6. Композитный видеосигнал

Рис. 8.7. Принцип VHS

Рис. 8.8. Принцип S-VHS

Рис. 8.9. Структура ленты S-VHS

Super VHS, Y/C и гребенчатая фильтрация

Следующий крупный шаг в развитии видеомагнитофонов системы VHS был сделан в 1987 году с представлением концепции Super VHS. Формат Super VHS улучшил качество яркости и цветности записываемых видеосигналов, сохранив при этом совместимость с форматом VHS. Такая совместимость подразумевает использование одного и того же типа видеоголовок, вращающихся с одинаковой скоростью и под тем же углом.

В основном видеомагнитофоны Super VHS (S-VHS) отличаются от VHS более широкой полосой пропускания. Это достигается выделением сигналов цветности и яркости из композитного видеосигнала с помощью специального гребенчатого фильтра и последующей модуляцией сигнала яркости на более высокой частоте и в более широкой полосе ЧМ-сигнала, частота которого изменяется от 5.4 МГц до 7 МГц. Это означает, что видеосигнал яркости может быть записан в полосе частот, превышающей 5 МГц, что дает разрешение свыше 400 ТВЛ. При этом используются видеоголовки тех же физических размеров, но обладающие лучшими характеристиками. Кроме того, хотя и применяются видеоленты тех же размеров, однако качество их магнитного покрытия намного выше.

Видеомагнитофоны системы S-VHS могут записывать и воспроизводить записи форматов VHS и S-VHS.

Чтобы выполнить запись формата S-VHS, должна быть использована лента S-VHS (видеомагнитофон S-VHS распознает ленту S-VHS с помощью небольшой щели на кассете). Видеомагнитофон системы VHS не может воспроизводить записи, выполненные в стандарте S-VHS.

Когда сигналы цветности и яркости объединены в полном композитном видеосигнале, всегда заметны видимые перекрестные искажения. Чтобы минимизировать этот дефект, формат S-VHS допускает непосредственный вход и выход раздельных сигналов яркости и цветности. Эта пара обозначается Y/C (Y используется для яркости, а С — для цветности), им соответствуют контакты миниатюрных разъемов DIN (Deutsche industrie norme), которые находятся на задней панели видеомагнитофонов S-VHS.

Если у вас есть источник видеосигнала, который формирует Y/C-сигналы (это относится к некоторым видеомультиплексорам, видеомагнитофонам или устройствам видеопамяти и некоторым цветным телекамерам. Прим. ред.), то они могут быть подсоединены к видеомагнитофону S-VHS специальным Y/C-кабелем, который составлен из двух миниатюрных коаксиальных кабелей.

Среди некоторых пользователей существует неверное представление, будто мы в состоянии делать видеозапись высокого качества только в том случае, если сигнал Y/C поступает на S-VHS видеомагнитофон. Это неверно, поскольку система S-VHS была разработана прежде всего для записи композитных видеосигналов. С этой целью для S-VHS был разработан специальный адаптивный гребенчатый фильтр, с помощью которого цветовая информация выделяется из композитного видеосигнала без существенной потери разрешения сигнала яркости (что наблюдается в случае с фильтром нижних частот в формате VHS).

Ранее проблема разделения сигнала Y/C решалась путем пропускания композитного видеосигнала через фильтр нижних частот и отфильтровывания цветового сигнала на частотах выше приблизительно 2.5 МГц в системе NTSC (выше 3 МГц в системе PAL), чтобы получить сигнал яркости. Уменьшенная полоса частот Y-сигнала значительно ограничивала разрешение изображения. Для выделения цветового сигнала использовался полосовой фильтр, но он все-таки содержал высокочастотные составляющие сигнала яркости, то есть имелись перекрестные искажения. (На изображении это проявляется в виде цветового муара. Прим. ред.)

Между тем известно, что основной композитный видеосигнал по своей природе периодический, что обусловлено строчной и кадровой разверткой, а также процессами гашения. Это означает, что если такой сигнал рассмотреть в частотной области (с применением анализа Фурье), то его спектр в большей степени будет представлен дискретными гармониками, нежели равномерным спектром. Этот факт является особенно важным и фундаментальным в анализе телевизионного сигнала.

Процесс разделения сигналов Y/C может быть упрощен путем выбора определенного соотношения междучастотами строчной и кадровой развертки и частотой цветовой поднесущей. Частота цветовой поднесущей в системе NTSC (подобный подход может быть применен и к системе PAL), Fsc, выбрана равной 3.579545 МГц (обычно приводится округленное значение 3.58 МГц). Это соответствует 455-ой гармонике частоты строчной развертки, Fh, деленной на два (согласно определениям NTSC).

Fh = 15734.26 Гц

Fsc = 455 · Fh/2 = 3.579545 МГц

Поскольку видеокадр содержит 525 строк, а сам кадр состоит из двух поочередно передаваемых полей, то в каждом поле содержатся 262.5 строк. Отсюда частота строчной развертки равна: Fv = Fh/262.5 = 59.94 Гц. Кадр состоит их двух полей, поэтому частота кадра равна Fv/2 = 29.97 Гц.

Рис. 8.10. Категории гребенчатого фильтра

Так как видеосигнал по своей природе периодический, спектральное распределение видеочастот сгруппировано по блокам. Анализ Фурье статического видеосигнала показывает, что энергетический спектр сконцентрирован в блоках, отстоящих друг от друга на 15.734 кГц, что равно частоте строчной развертки. Каждый блок имеет боковые полосы с разнесением 59.94 и 29.97 Гц. Таким образом, сигнал яркости не имеет непрерывного распределения энергии в полосе частот. Вместо этого он существует в виде блоков энергии, отстоящих друг от друга на 15.734 кГц. Эти блоки не очень широки, из-за чего большая часть пространства между ними пуста.

Сигнал цветности тоже по своей природе периодический, поскольку он появляется при каждом рабочем ходе по строке и прерывается на время гашения. Поэтому, сигнал цветности будет также сгруппирован в блоки с интервалом 15.734 кГц по всей полосе частот. Если цветовая поднесущая выбрана на

нечетной гармонике Fh/2 (455), то сигналы блоков цветового сигнала попадут точно между сигналами яркости. Вследствие этого сигналы Y и С могут занимать одно и то же частотное пространство, реализуя процесс частотного разделения.

Эта идея лежит в основе гребенчатых фильтров. Гребенчатый фильтр может быть разработан таким образом, что его амплитудно-частотная характеристика будет иметь нули на периодических частотных интервалах. На средней частоте между нулями, гребенчатый фильтр пропускает сигнал. Если гребенчатый фильтр настроен на те же самые интервалы 15.734 кГц, что присутствуют в спектре Y/C, то он будет пропускать сигнал Y, подавляя сигнал С или наоборот.

При использовании кабелей Y/C для связи между компонентами видеосистемы S-VHS наблюдаются минимальные перекрестные искажения цвета и яркости, однако для системы видеонаблюдения это непрактично, поскольку требует использования двух коаксиальных кабелей. Миниатюрный кабель Y/C, который поставляется с некоторыми моделями видеомагнитофонов S-VHS, является двойным коаксиальным кабелем, предназначенным только для небольших расстояний, поскольку его затухание намного больше, чем у широко распространенного кабеля RG-59/U. Основное назначение таких Y/C-соединений — это возможность перезаписи.

Следует также отметить, что технология гребенчатой фильтрации совершенствуется с каждым днем.

Сегодня самые усовершенствованные модификации гребенчатых фильтров используются не только в видеомагнитофонах S-VHS, но также и в высококачественных видеомониторах и телевизорах.

Сначала это был двумерный гребенчатый фильтр, в котором, чтобы сравнить «содержимое» цветового сигнала и выбрать оптимальную фильтрацию, использовалась не одна единственная строка видеосигнала, а еще и две соседние — предыдущая и последующая (отсюда название — двумерный). Дальнейшее усовершенствование было привнесено трехмерной гребенчатой фильтрацией и цифровой гребенчатой фильтрацией, когда информация о цвете обрабатывается не только в одном телевизионном поле, но и в предыдущем и последующем полях (поэтому — трехмерный). Новые разработки продолжают повышать разрешение и точность воспроизведения цвета.

Возможно, что в состав вашего оборудования входят, например, видеомагнитофон S-VHS и видеомонитор, оба со встроенными гребенчатыми фильтрами, но необязательно одинакового типа и качества. Имеет смысл поэкспериментировать, поскольку может случиться так, что лучшее качество при воспроизведении изображения будет достигнуто, если с видеомагнитофона взять композитный видеосигнал, информация о цвете из которого будет извлекаться гребенчатым фильтром видеомонитора (если он обладает лучшими параметрами), чем при использовании кабельного соединения Y/C между видеомагнитофоном S-VHS и видеомонитором.

Таким образом, применение в системе видеонаблюдения видеомагнитофонов S-VHS с цветными телекамерами высокого разрешения и одним коаксиальным кабелем для композитного видеосигнала является все же гораздо более предпочтительным, чем использование видеомагнитофонов формата VHS.

Качество записываемого сигнала обеспечивается высоким качеством адаптивного гребенчатого фильтра, встроенного в видеомагнитофон S-VHS, и воспроизведенный сигнал будет хорош настолько, насколько его способен будет отображать видеомонитор. Если используется цветной видеомонитор с высоким разрешением, который к тому же обладает своим гребенчатым фильтром, то качество будет намного выше, чем при использовании видеомониторов, предназначенных для коммерческого использования. Если мы предполагаем, что разрешающая способность по горизонтали телекамеры составляет 470 ТВЛ,

видеомагнитофон S-VHS имеет приблизительно 400 ТВЛ, а видеомонитор — 600 ТВЛ, то ясно, что видеомагнитофон представляет самое узкое место в смысле разрешающей способности и воспроизведенный сигнал будет иметь около 400 ТВЛ (предполагается, разумеется, использование ленты формата S-VHS).

Другое второстепенное замечание, затерявшееся среди многочисленных технических вопросов, связанных с видеомагнитофонами формата S-VHS, связано с режимами LP/SP (длительное воспроизведение/стандартное воспроизведение). Качество S-VHS достижимо как в режиме длительного воспроизведения, так и в режиме стандартного воспроизведения. Наблюдается весьма незначительное ухудшение записи в области верхних частот вследствие более близкого расположения видеодорожек и более медленного перемещения ленты, но этот дефект почти не обнаруживаем.

Использование бытовых видеомагнитофонов для целей видеонаблюдения

Самый тривиальный вопрос, который часто задают мне люди, далекие от техники, звучит так: «Могу ли я присоединить телекамеру к своему домашнему видеомагнитофону и записывать, а потом просматривать запись по телевизору?». Ответ — «Да», хотя вам следует иметь в виду, что при этом произойдет снижение качества записи из-за использования оборудования, не предназначенного специально для систем видеонаблюдения.

Типичный бытовой видеомагнитофон кроме радиочастотного (антенного) входа, имеет также входы Аудио/Видео (A/V). Обычно они представлены в виде входных розеток (иногда их называют RCA-разъемами), одна предназначена для основной полосы пропускания видеочастот (это то, что, как мы ранее упоминали, передается нам камерой видеонаблюдения), а другая — для звукового сигнала. Таким образом, видеосигнал камеры видеонаблюдения должен быть присоединен непосредственно к видеовходу видеомагнитофона с помощью соответствующего адаптера (BNC-RCA). После этого видеовыход видеомагнитофона (того же самого типа RCA) должен быть присоединен к видеовходу телевизора. Как видеомагнитофон, так и телевизор должны быть переключены на канал A/V, после чего изображение с телекамеры должно появиться на экране вашего телевизора.

Рис. 8.11. Стойки с видеомагнитофонами в Сиднейском казино «Star City», которые записывают сигналы со всех телекамер в режиме реального времени и полностью управляются матричным коммутатором.

Однако, если ваш телевизор не имеет входа A/V, то радиочастотный выходной сигнал видеомагнитофона должен быть принят на радиочастотном (или антенном) входе телевизионного приемника. Понятно, что телевизор при этом должен быть настроен на канал видеомагнитофона, которым в большинстве случаев должен служить один из ДМВ-каналов (36–39), поскольку это — заранее определенная зона для видеомагнитофонов, но некоторые более ранние модели могут модулировать свой сигнал в диапазонах метровых волн — 0, 1,2 или 3. В этом случае видеомагнитофон также должен быть настроен на канал A/ V, чтобы передать сигнал телекамеры с видеовхода на радиочастотный выход. В обоих упомянутых случаях видеомагнитофон включается между телекамерой и телевизором. При просмотре сигнала в реальном времени или в записи изображение появляется на экране телевизора, и в режиме воспроизведения видеомагнитофон отсекает входящий сигнал «живого» изображения и показывает на том же самом телевизоре записанное изображение.

При сравнении моделей бытовых видеомагнитофонов со специально предназначенными для видеонаблюдения time lapse видеомагнитофонами, которые будут рассмотрены в следующем параграфе, становятся очевидными их многочисленные неудобства: нет встроенных времени и даты в записываемый видеосигнал, нет входов для внешних датчиков тревоги и максимальное время записи может быть достигнуто в режиме длительного воспроизведения, который не превышает 10 часов для системы цветного телевидения PAL и 8 часов для системы NTSC. Однако, имеются и некоторые, вполне определенные преимущества: цена обычного видеомагнитофона очень низка и доступна, а изображения записываются в полном объеме, то есть 50 полей в секунду для системы PAL и 60 полей в секунду для системы NTSC.

Из-за последнего обстоятельства некоторые производители матричных видеокоммутаторов разработали специальные аппаратные средства и программные интерфейсы для своих устройств с тем, чтобы можно было управлять работой бытовых видеомагнитофонов. Обычно это делается путем исключения пульта дистанционного управления на ИК-лучах, при этом полное управление видеомагнитофоном осуществляется посредством матричного видеокоммутатора. Для больших систем это сопряжено почти с такими же материальными затратами, как если включать в их состав видеомультиплексоры или time lapse видеомагнитофоны. По этой причине, а также вследствие необходимости обеспечения записи в режиме реального времени на протяжении всего времени работы, такое решение стало особенно привлекательным для больших видеосистем в казино. Имея матричную систему, надлежащим образом разработанную и запрограммированную, можно полностью автоматизировать и контролировать работу сотен и сотен видеомагнитофонов, исключение составляет только замена лент.

Здесь нам следует упомянуть также, что из-за различных скоростей записи в двух телевизионных стандартах, рассмотренных в настоящей книге (системах цветного телевидения PAL и NTSC), мы имеем различную длину видеозаписи, и, следовательно, слегка различное время записи/воспроизведения. Представленная ниже таблица должна дать достаточно полную информацию о таких несоответствиях. Пожалуйста, обратите внимание, что международная маркировка ленты для устройств системы PAL предусматривает букву «Е», а для устройств системы NTSC — букву «Т».

Видеомагнитофоны с прерывистой записью

Time lapse (TL) видеомагнитофоны — это особая категория видеомагнитофонов, которые были разработаны специально для индустрии безопасности.

Основное отличие TL-видеомагнитофонов VHS от бытовых видеомагнитофонов состоит в следующем:

— TL-видеомагнитофоны могут производить запись продолжительностью до 960 часов на 180-минутную (PAL) или 120-минутную ленту (NTSC). Возможны и другие режимы записи от 3 до 960 часов: 12, 24, 48, 72, 96, 120, 168, 240, 480 и 720 часов. Это достигается с помощью шагового двигателя, который позволяет перемещать ленту с дискретным шагом, в то время как барабан видеоголовок непрерывно вращается. Обычно вплоть до режима 12-часовой записи лента перемещается с постоянной скоростью, после которого, начиная с режима «24 часа», она движется дискретными шагами. Время, прошедшее между последовательными кадрами, увеличивается при выборе более длительного режима. Типичные промежутки времени показаны в таблице 8.2.

Упомянутые режимы относятся к 180-минутной или 120-минутной ленте в зависимости от рассматриваемой системы цветного телевидения. Если вместо них используется 240-минутная лента, то соответствующий TL-режим увеличивается на 1/3, то есть 24 часа растягиваются на 32 часа, 72 часа — на 96, и так далее. Тот же самый логический подход применяется при использовании 300-минутной ленты, когда TL-режимы увеличиваются на 2/3, то есть 24 часа переходят в 40 часов, 72 часа — в 120, и так далее. Для получения более детальной информации, пожалуйста, воспользуйтесь таблицей 8.2.

Ясно, что, когда TL-видеомагнитофон делает запись в TL-режиме, события не записываются в режиме реального времени, поскольку каждую секунду не записываются 50 полей (60 для NTSC). Соответствующее воспроизведение напоминает видеовоспроизведение в режиме паузы, происходящее короткими, но регулярными интервалами, как показано в таблице 8.2. TL-видеомагнитофоны могут записывать и воспроизводить запись в любом режиме независимо от того, в каком режиме она была сделана. В режиме стоп-кадра изображение имеет исключительно высокое качество. Если изображение неустойчиво, то специальный регулятор стабильности стоп-кадра, отсутствующий в бытовых моделях видеомагнитофонов, позволяет стабилизировать изображение до абсолютно четкого стоп-кадра. Это имеет огромное значение, если целью является верификация записи.

Рис. 8.12. Time lapse видеомагнитофон VHS

— TL-видеомагнитофоны не имеют никаких тюнеров, то есть прием нормального радиочастотного сигнала невозможен.

— TL-видеомагнитофоны могут быть приведены в действие внешним сигналом тревоги, который способствует немедленному переключению устройства из режима TL в режим реального времени в течение заранее заданной продолжительности (15 с, 30 с, 1 мин, 3 мин) или пока не перестанет действовать внешний сигнал тревоги, после чего устройство опять возвращается в режим TL.

Обычно входом тревоги являются не находящиеся под напряжением нормально разомкнутые контакты (N/O). Это очень мощная функция TL-видеомагнитофонов. Когда осуществляется запись по сигналу тревоги, большинство TL-видеомагнитофонов индексирует ленту таким образом, что становится возможным быстрый поиск соответствующей зоны. Некоторые устройства предлагают производить поиск по времени, дате и часу, а некоторые предлагают еще и сканировать сигналы тревоги, что было бы очень удобно в случае необходимости ежедневной обработки более одного сигнала тревоги.

— TL-видеомагнитофоны способны трансформировать входящие сигналы тревоги в сигналы выходного напряжения, которые могут быть использованы для запуска дополнительных устройств, таких как зуммер, строб-вспышка и тому подобных.

— TL-видеомагнитофоны могут быть запрограммированы на повторную запись, что является очень полезным в том случае, если лента вдруг оказалась короче, чем ожидалось, и рядом не оказалось оператора, чтобы ее заменить.

— Среднее время безотказной работы (MTBF) видеоголовки, используемой в TL-видеомагнитофонах составляет, как правило, около 10000 часов, что эквивалентно почти одному году непрерывной записи/воспроизведения. По истечении этого срока рекомендуется производить замену видеоголовки.

Все TL-видеомагнитофоны в той или иной форме показывают выработанный ресурс видеоголовки. Это указывается либо на ртутном индикаторе, либо с помощью электроники в режиме меню.

— Некоторые TL-видеомагнитофоны могут быть запрограммированы на запись только одного кадра по каждому входному сигналу тревоги. При применении такого типа записи на одной ленте можно разместить более 960 часов записи. Кроме того, TL-видеомагнитофоны, как и бытовые видеомагнитофоны, имеют установку записи по таймеру. Это означает, что они могут быть запрограммированы на запись в определенное время и в определенные дни.

TL-видеомагнитофоны являются важнейшими устройствами в системах видеонаблюдения даже несмотря на то, что они представляют собой самое слабое звено в смысле разрешающей способности. Кроме их использования для мультиплексированной записи, одной из наиболее важных особенностей является их способность к переключению на запись в режиме реального времени при получении внешнего сигнала тревоги. Большинство моделей, имеющихся на рынке, по тревоге могут быть переведены из режима «Стоп» в режим записи в реальном времени, но более выгодным представляется свойство, когда тот же самый сигнал тревоги переводит видеомагнитофон в режим записи в реальном времени, когда он уже работает в TL-режиме.

Причина очень проста: видеомагнитофоны, будучи электромеханическими устройствами, обладают определенной инерцией. Это означает, что несколько долей секунды (а иногда даже больше секунды) могли бы быть потеряны, пока видеоголовка начнет вращаться и лента охватит барабан. Если TL-видеомагнитофон уже делает запись в TL-режиме, то требуется только несколько миллисекунд, чтобы перейти к записи в режиме реального времени, поскольку лента уже находится на месте, а видеоголовки уже вращаются. Если возникает беспокойство относительно расходования ленты (при малом времени записи в time lapse режиме, что на самом деле не является необходимым), может быть выбран TL-режим с самым большим временем записи.

Рис. 8.13. Time lapse видеомагнитофон S- VHS

В некоторых TL-видеомагнитофонах и даже в бытовых моделях с функцией Quick Start (быстрый старт) лента уже охватывает головки, и они готовы вести запись, находясь даже в режиме остановки. Такие видеомагнитофоны гораздо быстрее реагируют на нажатие кнопки записи. Следует иметь ввиду, что большинство бытовых моделей имеет некоторую задержку по времени, в течение которой устройство пребывает в резервном режиме (standby), после чего лента расправляется в исходное состояние. Этот период может продолжаться минуту или две, а иногда доходить до десяти.

Многие инсталляторы модифицировали бытовые модели для записи по сигналу тревоги, что на самом деле довольно просто сделать. К контактам кнопки записи параллельно подключаются контакты реле, которое управляется внешним сигналом тревоги. Имейте в виду, что в таких случаях перестает действовать гарантия на видеомагнитофон (Существуют сравнительно простые устройства управления режимом записи бытового видеомагнитофона по сигналу тревоги, использующие для этого ИК-порт видеомагнитофона. Прим. ред.).

Другая немаловажная подробность заключается в том, что при запуске такого видеомагнитофона по сигналу тревоги не будут фиксироваться ни время, ни дата произошедшей тревоги. Ограничением разрешающей способности видеомагнитофонов формата VHS по горизонтали для цветного сигнала являются, как упоминалось ранее, 240 ТВЛ (по вертикали разрешающая способность определяется используемой телевизионной системой). Поскольку в системах видеонаблюдения до сих пор часто используются черно-белые телекамеры, большинство TL-видеомагнитофонов оснащены переключателем для выбора между черно-белым и цветным режимом. Если установлен черно-белый режим, видеосигнал обходит фильтр нижних частот, используемый для отделения цветной информации от полного цветового видеосигнала, способствуя таким образом повышению разрешающей способности по горизонтали для черно-белого сигнала более чем до 300 ТВЛ (что также сильно зависит от качества ленты и чистоты головок).

Рис. 8.14. Типичные разъемы и клеммы на задней панели TL-видеомагнитофона

Если мы хотим получить качество записи, превосходящее даже то, что предоставляет формат VHS, то для этого мы можем использовать модели Super VHS с режимом time lapse. Эти модели предлагают ту же самую гибкость и программируемость, что и VHS TL-видеомагнитофоны, только при этом они обладают лучшим качеством изображения и, соответственно, они более дорогие.

Вне зависимости от того, какой тип видеомагнитофона вы используете, разрешение видеосигнала не следует считать жестко установленным (это справедливо также и в отношении бытовых видеомагнитофонов). Оно может оказаться значительно ниже теоретического значения, если не выполнено любое из следующих требований:

— Прежде всего, на вход видеомагнитофона подавайте видеосигнал хорошего качества. Особо важное значение это имеет для строчных синхроимпульсов сигнала, так как они воспроизводятся с ленты как часть видеосигнала. Если телекамера удалена на значительное расстояние, и сигнал поступает с искаженными синхроимпульсами и сигналами цветовой синхронизации (падение напряжения и завал высоких частот), то воспроизведение будет очень неустойчивым, верх изображения может искажаться, цвет мигать. Поскольку лента и головки еще больше ограничивают разрешающую способность, то они тоже влияют на качество синхроимпульсов. То, как эти искажения отображаются на экране видеомонитора, в большой степени зависит от схемы синхронизации видеомонитора, однако, при низком уровне записанных синхроимпульсов (и видеоинформации) видеомонитор не сможет исправить ситуацию.

— Всегда используйте ленты хорошего качества. Здесь огромную роль играют равномерность магнитного покрытия и качество пленочной основы. Хорошие ленты не только улучшают качество записи, но и продлевают срок службы как видеоголовок, так и механики видеомагнитофона в целом. Плохие ленты (или подделки известных торговых марок) имеют неравномерный магнитный слой, который довольно часто отслаивается, и микроскопические частицы скапливаются в видеоголовках, причиняя ущерб на сумму, превышающую сэкономленные на качестве ленты средства.

— Видеоголовки нуждаются в регулярной чистке, но делать это следует только с помощью проверенных чистящих средств. Лучше всего проконсультироваться по этому вопросу со специалистами из вашего местного магазина, продающего видеотехнику, или с сервисной службой. Они обладают ценным практическим опытом эксплуатации видеомагнитофонов, который вы могли бы применить к системе видеонаблюдения. Если вы в течение длительного периода не чистите свой видеомагнитофон, то в конце концов увидите на экране «снег». Чтобы убедиться, что это является следствием грязной головки, а не плохой ленты или сигнала (что тоже может проявляться подобным образом), возьмите ленту известной торговой марки и с хорошей записью, а затем воспроизведите запись.

Если «снег» все еще остается, то необходимо чистить видеоголовки. Не путайте «снег», производимый грязными головками, с тем, который обусловлен плохой настройкой трекинга видеомагнитофона и может быть устранен его регулировкой. Различие заключается в количестве «снега». Трекинг обычно нуждается в регулировке, если в нижней части экрана видеомонитора наблюдается срыв изображения.

В таблице 8.2 приведено количество полей, записываемых каждую секунду при различных установках TL-режима для обеих основных телевизионных систем NTSC и PAL. Время обновления представляет временной интервал между полями в последовательности.

9. Цифровое видеонаблюдение

До сих пор большинство обсуждаемых в этой книге вопросов относилось к аналоговым видеосигналам. Большинство современных систем видеонаблюдения по-прежнему используют аналоговые телекамеры, хотя все большее число производителей предлагают сетевые телекамеры, которые предназначены для передачи видео по компьютерным сетям. Всего несколько лет назад к тем немногим компонентам систем видеонаблюдения, которые работали с цифровым видео, относились устройства видеопамяти, видеоквадраторы, видеомультиплексоры, внутренние схемы телекамер с цифровой обработкой видеосигналов (Digital Video ProcessingDSP). Но ситуация изменилась.

Сейчас мы с уверенностью можем сказать, что в большинстве современных систем видеонаблюдения, хотя они по-прежнему работают с аналоговыми телекамерами, используются цифровые видеорегистраторы для наблюдения и долгосрочного хранения записей. Качество телекамеры всегда остается отправной точкой, от которой мы отсчитываем качество системы видеонаблюдения, но теперь равным образом стали важны и качество записанного цифрового изображения, и качество обработки этого изображения.

В период между настоящим и первым изданиями этой книги (с 1996 года по 2005 год) произошли революционные сдвиги в таких сферах, как телевидение, мультимедийные приложения, фотография и видеонаблюдение. Основная часть новых разработок связана с цифровой технологией. Одним из локомотивов подлинного бума в индустрии видеонаблюдения стал переход к цифровой обработке, передаче и хранению видеоинформации. Этот «локомотив» набрал ход только недавно, что и послужило причиной выхода полностью нового издания этой книги, где мы подробно обсудим вопросы, связанные с цифровыми и сетевыми технологиями и сжатием изображения.

Всего лишь несколько лет назад стоимость производительной цифровой электроники, способной обрабатывать видео в режиме реального времени, была слишком высокой и экономически неоправданной. Но в настоящее время с постоянным увеличением производительности и скорости микросхем памяти, процессоров и жестких дисков происходит постоянное уменьшение их стоимости.

Таким образом, цифровая обработка видеосигналов оказалась не только возможной и более доступной, но фактически стала единственной альтернативой при обработке большого количества качественных видеосигналов.

Цифровое видео проникло в индустрию вещательного телевидения в начале 1990-х годов. Подобно любой новой технологии, на первых порах использовалось очень редко и стоило дорого. Сегодня мы говорим о цифровом видео как о новом стандарте, который пришел на смену аналоговому телевидению почти 50-летней давности. Существует два варианта: телевидение стандартной четкости (SDTV, Standard Definition), у которого соотношение сторон 4:3 и привычное качество, и телевидение высокой четкости (HDTV, High Definition) с соотношением сторон 16:9 и примерно в 5 раз большим количеством пикселов. Во многих странах мира уже ведется телевизионное вещание в цифровой форме, обычно в том и другом формате (SDTV и HDTV). Неудивительно, что большинство потребителей предпочитают стандарт HDTV, у которого выше разрешение и соотношение сторон, характерное для широкоформатного экрана кинотеатра, но так как в видеонаблюдении мы имеем дело со стандартным разрешением, то в этой мы рассмотрим все основные вопросы, связанные с цифровым видео стандартного разрешения с соотношением сторон 4:3.

Цифровые видеорегистраторы (DVR) и сетевые телекамеры стали причиной нового роста в индустрии видеонаблюдения, источником больших прибылей и новых идей решений в разработке интеллектуальных систем видеонаблюдения. Они сделали очень зыбкой и практически невидимой ту границу, которая отделяет компьютеры, сетевые и информационные технологии от видеонаблюдения.

Преимущества цифрового видеонаблюдения

По определению аналоговые сигналы могут иметь любое значение в заданном диапазоне. Примером такового аналогового сигнала может служить как аудиосигнал, так и видеосигнал. Как мы знаем, заданным диапазоном для аналогового видеосигнала является интервал от 0 вольт, что соответствует черному, до 0.7 вольт, что соответствует белому.

Как уже говорилось ранее, большинство телекамер, используемых сейчас в видеонаблюдении, формируют аналоговые сигналы. Однако основная проблема, с которой мы сталкиваемся при работе с аналоговыми сигналами, заключается в том, что в них возникает и накапливается шум, и, как читатели, вероятно, знают из собственного опыта, в реальных условиях от этого шума избавиться невозможно. Он накапливается на каждом этапе формирования, передачи и обработки видеосигнала.

Возникая еще в матрице и электронике телекамеры на начальном этапе формирования сигнала, шум увеличивается как при передаче (в кабеле), так и на завершающем этапе (в видеомониторах и устройствах записи и т. д.). Чем длиннее путь видеосигнала, тем больше шума мы получим в конце этого пути.

Именно в этом проявляется существенное отличие цифрового сигнала. Так, одним из наиболее принципиальных различий между аналоговым и цифровым сигналом, кроме непосредственно формы, является иммунитет к шумам. Цифровой сигнал в электронной форме также подвержен воздействию шума, как и аналоговый. Но цифровые сигналы могут иметь только два значения: нуль и единицу. Шум будет воздействовать на сигнал только в том случае, если его величина достигнет уровней, которые могут превзойти помехоустойчивость цифровых схем, определяющих равенство сигнала нулю или единице. Это означает, что цифровые сигналы допускают аккумуляцию шума до невообразимого уровня по сравнению с аналоговыми видеосигналами, поэтому мы говорим, что цифровые сигналы фактически имеют иммунитет к шумам. (Можно также отметить, что уровням «нуль» и «единица» в цифровых электронных устройствах соответствуют режимы отсечки или насыщения активных элементов, а в этих режимах усиление наводок невозможно. Прим. ред.)

В конечном итоге, это дает более протяженные расстояния для передачи, высокую помехозащищенность и отсутствие деградации сигнала, то есть более высокое качество изображения.

Другое важное преимущество цифрового видеосигнала — это возможность цифровой обработки и хранения информации. Под этим подразумевается улучшение изображения, его сжатие, различные коррекции и т. д. Крайне существенным является то, что копия и оригинал ничем не отличаются по качеству изображения. Сколько бы копий цифрового изображения мы ни делали (1,2 или 10), качество всегда будет оставаться таким же, как у оригинала. И последним (не по степени важности) преимуществом цифрового видео является возможность проверки подлинности копии. Эта функция часто называется нанесением «водяных знаков» (water-mark) и позволяет защитить информацию, записанную в цифровой форме от подделки, что крайне важно для индустрии видеонаблюдения.

Рис. 9.2. Представление цифрового видеосигнала

Цифровые видеорегистраторы (DVR)

В настоящее время в видеонаблюдении эпоха записи на видеокассеты практически завершилась. Пять лет назад при подготовке предыдущего издания книги, видеомагнитофоны еще встречались в большом количестве, а цифровые видеорегистраторы только начинали появляться. Сейчас они поменялись местами. Но какие реальные преимущества дают в видеонаблюдении цифровые видеорегистраторы по сравнению с видеомагнитофонами?

Во-первых, видеомагнитофоны с аналоговым методом хранения информации не позволяют быстро найти нужную запись от нужной телекамеры, исключение составляет относительно быстрый поиск по тревогам, который имеется во многих TL-видеомагнитофонах. Так как видеомагнитофоны хранят информацию в аналоговом виде, то ее дальнейшая обработка практически невозможна. Запись видеомагнитофона всегда имеет более низкое качество, чем у исходного видеосигнала.

Первоначально были попытки внедрить цифровую запись в видеонаблюдении на цифровых кассетах формата DAT. Несмотря на то, что информация записывалась в цифровом виде, доступ к ней по-прежнему осуществлялся последовательно, что не так эффективно, как при произвольном доступе к информации жесткого диска. Кроме того, жесткие диски имеют значительно более высокую скорость передачи данных и большую емкость, чем у других доступных устройств хранения. При этом можно записывать видео с качеством выше, чем S-VHS, используя соответствующие алгоритмы сжатия. Еще несколько лет назад существовала проблема длительности записи на жесткие диски, но это уже осталось в прошлом. Сейчас широко распространены жесткие диски объемом 300 Гбайт, а цифровые видеорегистраторы с объемом внутреннего дискового пространства 1200 Гбайт (1.2 Тбайт) перестали быть редкостью.

Хранение многих недель записи от нескольких телекамер перестало быть проблемой. Современные жесткие диски теперь имеют малое время доступа и при использовании хорошего алгоритма сжатия теперь на одном жестком диске можно хранить и воспроизводить в режиме реального времени (то есть с частотой обновления кадров «живого» видео) записи от нескольких телекамер одновременно.

Стоимость жестких дисков ежедневно снижается. Читателям, вероятно, интересно будет узнать, что когда шла работа над предыдущим изданием этой книги, появился первый жесткий диск формата 3.5 дюйма с емкостью 30 Гбайт. Теперь в 2005 году за ту же самую цену мы можем купить жесткий диск с десятикратной емкостью. В связи с возросшим значением жестких дисков для современной системы видеонаблюдения, эту главу мы завершим обсуждением их наиболее важных технических параметров.

Суммарное время записи, то есть сколько дней или неделей записи может храниться на жестком диске определенной емкости (например, 300 Гбайт) зависит от типа сжатия и качества исходного изображения. Также очень важным фактором будет вид записи: постоянная запись или запись по детектору движения. Запись по детектору движения стала очень популярной в видеонаблюдении, так как она позволяет увеличить время записи как минимум в 2–3 раза (это очень сильно будет зависеть от качества самого детектора движения). Конечно, можно увеличивать и емкость дискового пространства цифрового видеорегистратора, но при этом нужно не забывать и о повышении отказоустойчивости, что может быть уже изначальным требованием заказчика.

Когда мы имеем дело с таким количеством переменных, невозможно дать однозначный ответ. Но, поскольку я знаю, что одним из первых вопросов многих клиентов бывает вопрос о том, сколько дней записи можно будет хранить, то чтобы вам немного помочь, на нашем веб-сайте (www.cctvlabs.com) я разместил две таблицы, позволяющие автоматически рассчитывать время записи.

Все сказанное выше приводит нас к различным размышлениям о том, что мы должны учитывать при выборе алгоритма сжатия, накопителей и их скорости передачи информации. Поэтому нам нужно понимать теорию обработки и сжатия цифрового видео. В следующей части главы мы постараемся объяснить основы.

Рис. 9.3. Цифровые видеорегистраторы

Стандарты и стандартизация

Существует несколько международных организаций, которые занимаются разработкой стандартов для цифрового видео. Более всего известен Международный телекоммуникационный союз ITU (International Telecommunication Union), который является агентством ООН, специализирующимся в сфере телекоммуникаций. Подразделение ITU-T является его постоянным органом. Оно занимается изучением технических и текущих вопросов, а также вопросов, связанных с тарификацией, и выпускает рекомендации, нацеленные на международную стандартизацию. Международная ассамблея стандартизации телекоммуникаций WTSA (World Telecommunication Standardization Assembly) собирается раз в четыре года и определяет темы для изучения рабочими группами ITU-T, которые, в свою очередь, готовят рекомендации по этим темам. Утверждение рекомендаций ITU-T подробно описано в Резолюции 1 WTSA. В некоторых сферах, которые попадают в поле зрения ITU-T, необходимые стандарты разрабатываются совместно с другими организациями, такими, как ISO и IEC.

Международная организация по стандартизации ISO (International Organization for Standardization) и Международная электротехническая комиссия IEC (International Electrotechnical Commission) являются основой специализированной системы международной стандартизации. Национальные институты, члены ISO и IEC, участвуют в разработке международных стандартов через технические комитеты ISO и IEC.

Эти технические комитеты создаются для работы над определенными техническими вопросами и имеют свою специализацию. Комитеты ISO и IEC сотрудничают в сфере взаимных интересов. Другие международные организации, правительственные и неправительственные организации, связанные с ISO и IEC, тоже принимают участие в разработке стандартов. В сфере информационных технологий ISO и IEC организовали совместный комитет ISO/IEC JTC1. Предварительные стандарты, разработанные техническим комитетом, передаются для голосования в национальные институты для голосования. Для утверждения стандарта в качестве международного необходимо одобрение не менее 75 % организаций, имеющих право голоса.

Некоторые рекомендации, такие, как новый стандарт Н.264, были подготовлены совместно группами ITU-T SG16 Q.6, которая известна как VCEG (Video Coding Experts Group), и ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, которая также называется MPEG (Moving Picture Experts Group). Группа VCEG была сформирована в 1997 году для поддержки уже существовавших стандартов ITU-T кодирования видео и для разработки новых стандартов для применения в широкой сфере коммуникационных и некоммуникационных приложений.

Группа MPEG (экспертная группа по вопросам движущегося изображения) была образована в 1988 году с целью разработки стандартов кодирования аудио и видео для различных сфер применения, таких, как хранение, распространение и передача цифровой информации.

Следует отдельно оговорить и то, что хотя в видеонаблюдении мы используем видеосигнал и будем говорить о сжатии движущихся изображений, нашло применение и сжатие отдельных неподвижных изображении. Поэтому, чтобы подчеркнуть разницу между этими двумя видами сжатия, мы будем говорить о сжатии видеоизображения (подвижного) и сжатии изображения (неподвижного). (Однозначной терминологии в русском языке не существует. Можно говорить о сжатии изображения и сжатии видеопотока. Прим. ред.)

Алгоритмы сжатия видеоизображения используют три измерения: горизонтальное, вертикальное и временное. Поэтому такой вид сжатия часто называют еще временным и межкадровым. Типичным примером алгоритмов с межкадровым сжатием являются MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263 и Н.264.

Алгоритмы сжатия изображения используют только два измерения: горизонтальное и вертикальное.

Типичными его представителями будут JPEG и Wavelet (JPEG-2000).

В видеонаблюдении нам очень часто приходится сталкиваться со сложной задачей выбора оптимального алгоритма сжатия для какой-либо конкретной задачи. Запомните, простого и однозначного решения этой задачи не существует. Очень часто многое зависит от того, насколько хорошо мы понимаем различия между различными алгоритмами сжатия, но еще важнее знать, для чего нужна система видеонаблюдения.

Если цифровая система видеонаблюдения должна обеспечивать безопасность кассира в банке или раздающего карты в казино, то необходимы высокие скорости записи и отображения. Очень часто будет предпочтительна скорость «живого» видео (25 кадров в секунду для PAL и 30 — для NTSC), хотя в некоторых случаях будет достаточно и 10 кадров в секунду. Скорость записи и отображения теоретически можно снизить еще больше, но это не будет практичным решением. В данном случае тестирование поможет вам выбрать оптимальное решение.

В качестве другого примера приведем типичную задачу записи повседневной активности людей. Например, люди входят и выходят из фойе здания. В данном случае высокая скорость записи только увеличит объем архива, что снизит общую эффективность системы видеонаблюдения, так как архивные записи еще кому-то впоследствии потребуется просмотреть и проанализировать. Повседневную человеческую деятельность достаточно записывать со скоростью 2 кадра в секунду (хотя можно и повысить скорость), при условии что качество изображения достаточно высоко, а уровень сжатия низок. Что мы увидим в записи и насколько высок будет уровень детализации, зависит от угла обзора объектива, но если на изображении можно разглядеть лицо человека при высокой скорости записи, то это можно будет сделать и при скорости записи 2 кадра в секунду.

Еще одной важной технологией записи, которую применяют в видеонаблюдении, является запись с мультиплексированием. В современном цифровом видеонаблюдении мы во многом копируем то, что было сделано во времена аналоговой записи с использованием видеомультиплексоров и видеомагнитофонов. В настоящее время типичный цифровой видеорегистратор, используемый в видеонаблюдении, на самом деле представляет собой устройство, в котором объединены функции видеомультиплексора и видеомагнитофона с цифровой записью. В таких устройствах удобнее применять сжатие изображения, а не сжатие видеоизображения, так как цифровой видеорегистратор будет сжимать телевизионные кадры или поля как отдельные изображения, от какой бы телекамеры ни пришло то или иное изображение. Некоторые возразят, что серьезным недостатком алгоритмов сжатия изображения, которые используются в цифровых видеорегистраторах с мультиплексированием, будет достаточно большой размер одного изображения (обычно при хорошем качестве одно сжатое телевизионное поле занимает примерно 30–60 килобайт). Но преимуществом таких алгоритмов сжатия изображения оказывается то, что каждое изображение будет независимым от других, то есть оно само по себе содержит достаточно информации, чтобы его можно реконструировать, не пользуясь предшествующими или последующими кадрами записи. Юридически в некоторых случаях такие алгоритмы сжатия изображения будут предпочтительнее по причине независимости отдельных кадров записи. Это, конечно, не означает, что сжатие видеоизображения не позволит использовать запись в суде, а только подчеркивает тот факт, что алгоритмы сжатия видеоизображения реконструируют нужный кадр на основе предшествующих или последующих кадров записи. При использовании алгоритмов сжатия изображения мы можем иметь значительно более низкую скорость записи, чем 25 кадров в секунду (29.97 кадров в секунду для NTSC), что позволяет экономить пространство жесткого диска. А в сочетании с записью по детектору движения, которая имеется в большинстве цифровых видеорегистраторов с записью с мультиплексированием, это превращает DVR в очень мощную замену традиционной комбинации видеомультиплексора и видеомагнитофона. Поэтому на один цифровой видеорегистратор сейчас можно записывать без перезаписи несколько телекамер со скоростью нескольких кадров в секунду в течение многих дней, недель и даже месяцев. Об этом можно было только мечтать еще 5-10 лет назад.

Когда мы хотим достичь максимально возможного качества с максимально возможной скоростью записи в цифровых видеорегистраторах, лучше всего подходит межкадровое сжатие, поскольку оно эксплуатирует межкадровую избыточность видеопотока. Впрочем, для достижения максимальной эффективности требуется продолжительный по времени видеосигнал от одной телекамеры. Другим достоинством алгоритмов сжатия видеоизображения является то, что поддержка записи звука в них включена изначально. Алгоритмы с межкадровым сжатием используют предсказание движения (не путать с детектированием движения), что делает движение более плавным при воспроизведении. Кстати, именно поэтому такие алгоритмы и не используются при записи с мультиплексированием.

Более того, если в цифровом видеорегистраторе есть несколько видеовходов и межкадровое сжатие, то скорее всего по каждому входу он записывает на жесткий диск независимые видеопотоки.

Еще одна важная особенность, напрямую связанная с межкадровым сжатием, заключается в появлении задержки (отставания), которая хорошо заметна в таких стандартах сжатия, как MPEG-1 и MPEG-2. Это непосредственно связано с принципами, реализованными в межкадровом сжатии, где избыточность видеосигнала сокращается при сравнении кодируемого кадра с предшествующим и последующим, что требует буферизации и вызывает задержку при кодировании и декодировании. Этот эффект более всего заметен в стандарте MPEG-2, где высокое качество изображения достигается при высокой скорости передачи данных (обычно более 4 Мбит/с), что вызывает задержку от половины до одной секунды. В вещательном телевидении или при просмотре фильма на DVD такая задержка видеосигнала не будет существенной, но она может стать серьезной проблемой в видеонаблюдении, когда нужно управлять поворотной камерой, сигнал которой кодируется для передачи по сети. Впрочем, снизив скорость передачи данных и уменьшив размер структуры GOP (group of pictures), можно добиться приемлемой задержки в 200 миллисекунд и даже меньше с незначительным ухудшением качества изображения.

Рис. 9.4. Один и тот же фотоснимок с различным разрешением: 50x50, 100x100 и 200x200 пикселов

Стандарты сжатия видеоизображения, которые используют низкую скорость передачи данных и предназначены для видеоконференций (то есть предусматривают двустороннюю передачу видеопотоков), такие, как Н.263 и MPEG-4 имеют значительно меньшую задержку, хотя качество изображения тоже снижается.

За последнее десятилетие технологии обработки и сжатия изображения эволюционировали очень быстро и значительно. Хотя в большинстве случаев MPEG-2 доминирует в индустрии вещательного телевидения и DVD, не исключено, что новые и более эффективные стандарты сжатия со временем его вытеснят. К момену написания этой книги самым новым и наиболее перспективным стандартом сжатия видеоизображеия считался Н.264 (на базе MPEG-4 v.10, также известный как кодек AVC, advanced video codec), a самым новым и перспективным стандартом сжатия изображения был JPEG-2000 (на базе Wavelet-сжатия). Впрочем, будущее покажет, так ли это на самом деле.

Теперь перечислим стандарты сжатия, которые используются или могут быть использованы в ближайшeм будущем в видеонаблюдении. Более подробно мы их рассмотрим далее в этой главе.

— JPEG и Motion-JPEG (сжатие изображения)

— JPEG-2000 /Wavelet и Motion JPEG-2000 (сжатие изображения)

— MPEG-1 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1–3 Мбит/с)

— MPEG-2 (сжатие видеоизображения, используется скорость передачи данных 1-30 Мбит/с)

— MPEG-4 (сжатие видеоизображения, используется еще меньшая скорость передачи данных 9.6 кбит/с-1.5 Мбит/с)

— MPEG-7 (новая концепция, имеющая функции интеллектуального поиска объектов)

— MPEG-21 (самая новая концепция, обещающая большую степень интеграции возможностей семейства MPEG)

— Н.261 (сжатие видеоизображения, один из первых и самых старых стандартов, предназначен для видеоконференций, использует скорости передачи, кратные 64 кбит/c, характерные для ISDN)

— Н.263 (улучшенный Н.261, использует еще меньшие скорости передачи данных)

— Н.264/AVC (новый и прогрессивный стандарт сжатия видеоизображения с широкой областью применения)

— Другие (собственные и гибридные реализации)

Рис. 9.5. Аналого-цифровое преобразование начинается с дискретизации и квантования аналогового видеосигнала

Существуют и другие, гибридные виды сжатия, которые сочетают особенности сжатия изображения и сжатия видеоизображения. Например, сжатие типа Motion Wavelet или Multi-Layer JPEG и другие собственные разработки компаний-производителей.

Преимущества аппаратной компрессии очевидны: скорость сжатия постоянна и не зависит от загруженности центрального процессора другими задачами (передача по сети, резервное копирование данных и т. д.).

Впрочем, общеизвестно, что программная компрессия позволяет легко и быстро модифицировать устройства записи и добавлять новые функции, так как она зависит только от программного кода, который можно легко обновить.

ITU-601: Объединяя NTSC и PAL

Прежде чем перейти к обработке или хранению сигнала в цифровом формате, осуществляется его аналого-цифровое преобразование. Оно может производиться в сетевой телекамере или в цифровом видеорегистраторе. На этом этапе происходит дискретизация и квантование аналогового сигнала (преобразование в дискретную форму). Частота дискретизации и количество уровней квантования зависят от качества и быстродействия электроники и определяют разрешение (качество) оцифрованного изображения и частоту регенерации цифровой кадровой памяти. В данной связи необходимо понимать, что, несмотря на большой выбор вариантов дискретизации и квантования при аналого-цифровом преобразовании, был разработан телевизионный стандарт оцифровки и большая часть продукции, используемой в видеонаблюдении, соответствует ему.

Рекомендация ITU-R BT.601 определяет оцифровку аналогового видеосигнала, состоящего из яркостной компоненты Y красной цветоразностной компоненты и синей цветоразностной компоненты, с базовой частотой дискретизации 3.375 МГц, которая будет общей как для PAL, так и для NTSC. Яркостная компонента оцифровывается с четырехкратной базовой частотой дискретизации (то есть 3.375 х 4 = 13.5 МГц), а цветоразностные компоненты оцифровываются с двукратным увеличением базовой частоты дискретизации (то есть 6.75 МГц). Таким образом, этот формат оцифровки известен как 4:2:2. Существуют и другие форматы оцифровки, такие, как 4:1:1 и 4:4:4, но формат 4:2:2 является одним из наиболее распространенных в видеонаблюдении.

Если мы сейчас вспомним количество строк в кадре и количество кадров в секунду для стандарта, то, перемножив 625 строк в кадре на 25 кадров в секунду, получим 15625 строк в секунду. Теперь частоту дискретизации 13.5 МГц (то есть 13500000 раз в секунду) разделим на полученное значение, что даст нам 864 отсчета для каждой строки. Таково качество дискретизации видеосигнала PAL согласно рекомендациям ITU-601C частотой дискретизации 13.5 МГц. Поскольку длительность строки PAL составляет 64 мкс, то 864 отсчета, которые приходятся на строку, разбивают этот период времени на очень малые интервалы (см. рис. 9.6).

Рис. 9.6. Частота дискретизации, рекомендованная ITU-601

Следует отметить, что 864 отсчета в строке включают в себя и импульсы синхронизации.

Для стандарта NTSC с 525 строками и частотой обновления 59.94 Гц (именно 59.94, а не 60) мы получаем 525 х 29.97 Гц = 15734.25 строк в секунду. Разделив 13.5 МГц на 15734.25 Гц, получим 858 отсчетов на одну строку, которые опять будут включать в себя импульсы синхронизации.

Рис. 9.7. Дискретизация сигнала

Итак, подводя итоги, еще раз отметим, что, согласно рекомендации ITU-601, для дискретизации яркостного сигнала в стандарте PAL используется 864 отсчета на одну строку, а в стандарте NTSC — 858 отсчетов на строку. В обоих случаях используется частота 13.5 МГц.

Из изложенных выше фактов следует очень важный вывод: ITU-R BT.601 представляет собой первую международную рекомендацию, которая пытается объединить в рамках общей цифровой концепции дискретизации два несовместимых аналоговых композитных телевизионных стандарта (NTSC с 525/59.94 и PAL с 625/50). Основным достижением этой рекомендации стал выбор общей частоты дискретизации 13.5 МГц, которая одинакова для обоих стандартов.

Из 864 отсчетов для PAL и 858 отсчетов для NTSC в обоих случаях на активные строки без синхроимпульсов приходится по 720 отсчетов. Это максимальное горизонтальное разрешение видеосигнала, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601. Термин «разрешение» здесь используется в более широком значении, чем в аналоговом телевидении, где разрешение выражено в ТВ-линиях, но об этом мы поговорим подробнее далее.

Некоторые из вас могут задать вопрос: «Почему именно 720 отсчетов, а не больше или меньше?» Это связано с тем, что 720 без остатка делится на 8 (то есть, 23), что очень удобно для большинства стандартов сжатия, использующих дискретное косинусное преобразование (JPEG, MPEG, серия стандартов Н), где изображение разбивается на блоки 8x8 пикселов.

Рис. 9.8. Количество пикселов в кадре, согласно рекомендации ITU-601

Очень часто приходится сталкиваться с такой ситуацией, что цифровое оборудование «отрезает» по 8 отсчетов слева и справа активной строки, в которой после этого остается 704 пиксела вместо 720. Это сделано для того, чтобы более устойчиво обрабатывать нестабильные сигналы от различных телекамер.

Вертикальная дискретизация, согласно рекомендации ITU-601, равна количеству активных строк, которых приходится 288 на одно телевизионное поле (или 576 для полного телевизионного кадра) в PAL и 240 на одно телевизионное поле (или 480 для полного телевизионного кадра) в NTSC.

Таким образом, оцифрованный согласно рекомендации ITU-601 телевизионный кадр имеет формат 720x576 пикселов для PAL и 720x480 пикселов для NTSC.

Это показывает, что рекомендация ITU-601 учитывает чересстрочную развертку, что позволяет во многих цифровых видеорегистраторах выбрать режим записи полями или кадрами.

Наблюдательный читатель, вероятно, уже заметил в приведенных выше числах некоторое несоответствие, которое иногда сбивает с толку, когда речь идет о цифровом видео. Эта неточность касается соотношения сторон в телевидении стандартной четкости и в изображениях, получаемых при оцифровке согласно рекомендации ITU-601. Как мы знаем, все видеомониторы в системах видеонаблюдения имеют соотношение сторон 4:3 = 1.33, но соотношение сторон по рекомендации ITU-601 для кадра PAL будет 720:576 =1.25, а для кадра NTSC 720:480 = 1.5. Это приводит к появлению т. н. «неквадратных» пикселов в обоих телевизионных стандартах. В стандарте PAL пикселы сжимаются по горизонтали, и поэтому для отображения на мониторе с соотношением сторон 4:3 кадр необходимо растянуть. В стандарте NTSC пикселы необходимо растягивать уже по вертикали перед выводом на монитор, так как они были сжаты по вертикали. Это растяжение пикселов выполняется на последнем этапе декодирования изображения перед его отображением. Это может показаться необязательным, но, тем не менее, именно растяжение пикселов позволяет сделать декодирующую электронику более универсальной и дешевой, так как она используется как для PAL, так и для NTSC.

Рис. 9.9. Пример испытательной таблицы, оцифрованной согласно рекомендации ITU-601. Обратите внимание на горизонтальное сжатие для PAL (слева), и как оно пропадает при аналоговом выводе (справа).

Разрешение изображения, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601

Согласно теории Найквиста, непрерывный аналоговый сигнал может быть реконструирован без потери информации из отдельных частей, если частота дискретизации не менее чем в два раза выше самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. Когда в сигнале появляются высокочастотные паразитные составляющие, то они приводят к наложению спектров (наподобие муара, эффект алиасинга, aliasing), поэтому они крайне нежелательны. Чтобы избавиться от паразитных высоких частот, сигнал нужно пропустить через фильтр низких частот, который отсечет все частоты, выше максимальной, которая равна половине частоты дискретизации. Идеального фильтра низких частот на практике не существует, поэтому отсекание частот будет происходить немного ниже, чем требуется теорией. Это имеет прямое отношение к количеству горизонтальных элементов (пикселов), которые сможет обрабатывать цифровая система.

В идеальных условиях, если не производится дополнительная фильтрация сигнала, то, имея частоту Найквиста 6.75 МГц (то есть частота дискретизации составит 13.5 МГц), 720 пикселов в активной строке будут эквивалентны горизонтальному разрешению 3/4x720=540 ТВ-линий, как это определено в аналоговом телевидении.

Впрочем, рекомендация ITU-601 определяет и отсекание частот до 5.75 МГц за счет работы дополнительного фильтра защиты от наложения спектров (anti-aliasing and reconstruction filter), что уменьшает горизонтальное разрешение аналогового яркостного сигнала до 449 ТВ-линий для PAL и 455 ТВ-линий для NTSC.

Дальнейшее уменьшение разрешения связано уже со сжатием изображения, поэтому мы можем сказать, что на практике ни один оцифрованный видеосигнал в видеонаблюдении не может иметь разрешение выше, чем примерно 450 ТВ-линий. Теперь становится очевидным, что выбор такого алгоритма сжатия, который дает минимальные потери качества, является предметом первостепенной важности. Но это требование противоречит необходимости очень длительной записи, которая достигается за счет повышения уровня сжатия. Различные стандарты сжатия мы тоже рассмотрим в этой главе, но сейчас необходимо подчеркнуть, что вышеприведенный предел горизонтального разрешения оцифрованного видеосигнала справедлив еще до того, как будет осуществлено сжатие изображения.

Глаз человека менее чувствителен к цветовому разрешению, поэтому в видеонаблюдении формат оцифровки 4:2:2 мы считаем как вполне приемлемый, где дискретизация цветоразностных сигналов осуществляется с частотой 6.75МГц (вдвое меньше, чем частота дискретизации яркостного сигнала). Это дает 432 пиксела для PAL и 429 пикселов для NTSC в одной строке (включая импульсы синхронизации). Таким образом, в одной оцифрованной активной строке умещается 360 цветоразностных красных отсчетов и 360 цветоразностных синих отсчетов для обоих телевизионных стандартов.

Рис. 9.10. Разница между полным кадром 720x576 пикселов (иллюстрация слева) и изображением формата CIF (360x288) будет достаточно велика, а иногда будет заключаться в том, что вы сможете или не сможете распознать автомобильный номер. В качестве примера сказанному внимательно посмотрите на фотографию (машина справа).

В идеальных условиях, когда частота Найквиста будет равна 3.375 МГц, 360 отсчетов в активной строке будут эквивалентны 3/4x360=270 ТВ-линиям. Рекомендация ITU-601 определяет и отсекание частот до 2.75 МГц за счет работы дополнительного фильтра защиты от наложения спектров, что уменьшает горизонтальное разрешение аналоговых цветоразностных сигналов до 215 ТВ-линий для PAL и 218 ТВ-линий для NTSC.

Все изложенное выше и в особенности данные об оцифровке яркостного сигнала позволяет нам прийти к очень важному заключению относительно разрешения оцифрованного видео. Сразу отметим, что наш вывод касается только рекомендации ITU-601, а, как уже было сказано выше, большинство цифрового оборудования, которое используется в видеонаблюдении, придерживается этой рекомендации.

При записи на цифровые видеорегистраторы, совместимые с рекомендацией ITU-601, мы не получим никакого преимущества от телекамер с разрешением выше 450 ТВ-линий.

Нечто похожее уже наблюдалось в истории видеонаблюдения, когда использовались телекамеры высокого разрешения (например, 460 ТВ-линий) для записи на видеомагнитофоны VHS, у которых разрешение ограничено было 240 ТВ-линиями из-за фильтра низких частот. Конечно, разница в случае с цифровыми видеорегистраторами не будет такой существенной, так как относительно недавно некоторые производители заявили о выпуске цветных телекамер с разрешением 520 ТВ-линий. На практике это для нас означает, что мы не увидим никакой разницы от телекамеры с 460 ТВ-линиями и 480 ТВ-линиями или даже 520 ТВ-линиями горизонтального разрешения при записи цветного изображения на цифровой видеорегистратор (даже самого лучшего качества), соответствующий рекомендации ITU-601. Следует уделить больше внимания выбору телекамеры с лучшим отношением сигнал/шум, меньшим смазыванием или лучшим динамическим диапазоном, чем ориентироваться на небольшие отличия в горизонтальной разрешающей способности, которые все равно никто не сможет увидеть. Но если система предназначена только для наблюдения с использованием высококачественных видеомониторов, у которых разрешение превышает 500 ТВ-линий, такая небольшая разница в разрешении может оказаться полезной. Впрочем, это потребует подключения раздельного видеосигнала Y/C вместо композитного видеосигнала, что очень редко используется в видеонаблюдении, иначе разница будет практически незаметной.

Конечно, никто не может предсказать, с чем мы столкнемся в будущем, но уже сейчас с уверенностью можно сказать, что рано или поздно в видеонаблюдении появятся телекамеры высокого разрешения и соответствующие им рекомендации по оцифровке. Однако, пока этого не произошло, нам необходимо помнить о всех ограничениях, с которыми нам приходится сталкиваться, и компромиссах, которые заложены в цифровых системах видеонаблюдения.

Все, что было изложено выше, справедливо для горизонтального разрешения, но теперь настало время поговорить о вертикальном разрешении. Для некоторых цифровых систем видеонаблюдения вертикальное разрешение будет не менее важно, чем горизонтальное, особенно в тех случаях, когда необходимо распознать лицо или номерной знак автомобиля на расстоянии.

Рис. 9.11. ITU- 601 рекомендует несколько форматов оцифровки, из которых в видеонаблюдении широко распространен формат 4:2:2.

Рис. 9.12. Если частота дискретизации слишком низка, то видеосигнал будет реконструирован неверно

Рис. 9.13. Слева: ТВ-поле; В центре: Эффект чересстрочной «гребенки»; Справа: Работа алгоритма деинтерлейсинга. Обратите внимание на зубчатые контуры автомобиля на иллюстрации слева, где была использована запись полями, и на качество тех же контуров на иллюстрациях в центре и справа, где использовалась запись кадрами.

В рекомендации ITU-601 выбрано 8-битное квантование, что дает нам 256 уровней квантования(28 = 256). Этот выбор очень практичен с инженерной точки зрения: ни одна электронно-лучевая трубка не в состоянии передать более 250 оттенков серого, поэтому не имеет смысла квантовать видеосигнал большим количеством уровней. Значение 256 выбрано потому, что оно является степенью двойки, а в мире цифровых устройств, как мы знаем, все представлено нулями и единицами (то есть, в двоичной системе счисления).

Имея дело с рекомендацией ITU-601, мы должны быть готовы к появлению новых подводных камней. Как было в случае с частотой дискретизации 13.5 МГц, которая учитывала весь видеосигнал, включая синхроимпульсы, ITU-601 рекомендует использовать 8-битный диапазон уровней квантования для представления всех вертикальных деталей видеосигнала. В данном случае мы можем расценивать время как горизонтальные детали, так как оно имеет дело со строками, которые разворачиваются на мониторе по горизонтали.

Таким образом, ITU-601 предлагает из 256 доступных уровней квантования 8-битного диапазона значения 0 и 255 использовать для синхронизации, а значения от 1 до 254 — для видео. Яркостный уровень черного задается значением 16 (двоичное значение 00010000), а уровню белого присваивается значение 235 (двоичное значение 11101011). Значение 128 зарезервировано для определения цветного или черно-белого видеосигнала.

Рис. 9.14. Сравнение полнокадрового формата с форматом CIF

Как уже было сказано выше, количество пикселов по вертикали в ТВ-кадре PAL будет 576, тогда как для NTSC это будет 480, что соответствует количеству активных строк в этих телевизионных стандартах. Необходимо напомнить читателям, что аналоговые телекамеры в видеонаблюдении генерируют видеосигнал с чересстрочной разверткой (50 полей в секунду или 29.97 полей в секунду). Кадр при чересстрочной развертке состоит из двух телевизионных полей, смещенных во времени относительно друг друга (на 1/50 секунды для PAL и 1/29.97 секунды для NTSC). Поэтому в оцифрованном видеофрагменте с движущимися объектами может проявляться эффект чересстрочной «гребенки» при записи полными кадрами. Это нормальный телевизионный эффект, возникающий как следствие чересстрочной развертки. Это даже не ошибка оцифровки, как иногда считают. При этом возникает ощущение, что движущиеся объекты размываются в направлении движения, и, чем быстрее движется объект, тем сильнее будет заметен этот эффект.

Существуют специальные алгоритмы обработки цифрового изображения, которые позволяют минимизировать или полностью исключить этот эффект. Это называется деинтерлейсингом (de-interlacing). Такая функция присутствует в различных графических редакторах, таких, как Photoshop или Photopaint, но ее имеют и некоторые цифровые видеорегистраторы.

Рис. 9.15. Полный кадр, записанный цифровым видеорегистратором с использованием Wavelet-сжатия

Рис. 9.16. Полный кадр, записанный цифровым видеорегистратором с использованием сжатия MPEG-2

При записи в полнокадровом режиме, в отличие от записи полями, вертикальное разрешение повышается в два раза, что делает края объектов более плавными и позволяет видеть больше деталей (см. примеры на иллюстрациях). Когда запись ведется кадрами, но телевизионные поля записываются и обрабатываются раздельно, то при отображении такого фрагмента на экран выводятся поочередно четные и нечетные поля, что вызывает ощущение «прыгающего» вверх и вниз изображения, так как четные и нечетные поля смещены относительно друг друга по вертикали на одну строку. На самом деле это вполне естественный эффект, обусловленный чересстрочной разверткой, а не ошибка при воспроизведении, как иногда считают. (Такой режим отображения производители зачастую пытаются выдать за собственную уникальную разработку. Будьте внимательны, на российском рынке он фигурирует под разными названиями (режим «казино», ускоренная запись, запись 50 к/с и т. д. Прим. ред.), но никаких особых преимуществ не предоставляет и никакой дополнительной информации, помимо той, что содержалась в видеосигнале, тоже не дает. При желании его можно получить самостоятельно, имея в наличии программу для обработки и редактирования видео.) Отметим, что раздельная запись и обработка четных и нечетных телевизионных полей приводит к значительному увеличению размера архива.

Рис. 9.17. Разница между телевизионным полем (слева) и полным кадром (справа)

Возможно, читатели уже задаются вопросом, как можно нормально отображать оцифрованное видео, записанное полями (720x288 для PAL или 720x240 для NTSC), на экране или при экспорте изображения.

Ответ прост. Это достигается дублированием каждой строки. (Это не всегда так, потому что существует несколько алгоритмов интерполяции недостающих строк. Эти алгоритмы отличаются визуальным качеством и ресурсоемкостью. Впрочем, нужно помнить, что никакая интерполяция не сможет повысить реальную детализацию изображения и дать нам новую информацию. Прим. ред.) Такой способ приводит еще к одному заметному эффекту, который выражается в появлении зубчатых границ на изображении.

Глаз человека более чувствителен к разрешению по горизонтали, чем в вертикальном направлении, и, вероятно, поэтому большинство производителей цифровых видеорегистраторов предпочитают запись полями. Впрочем, в некоторых случаях вертикальное разрешение для нас оказывается важным, и тогда следует вести запись полными кадрами. А в некоторых цифровых видеорегистраторах возможна только запись полями, что ограничивает нас в выборе.

Рис. 9.18. Изображение, на котором зафиксирован реальный похититель, экспортированное в формате BMP, (слева) и детализация полного кадра (вверху) и формата CIF (внизу).

Вышеописанный эффект чересстрочной «гребенки» проявляется в основном при использовании сжатия изображения JPEG или Wavelet, то есть без межкадрового сжатия когда телевизионные поля обрабатываются как отдельные статичные изображения.

Однако, если применяется сжатие видеоизображения, то есть присутствует межкадровое сжатие, (например, семейство MPEG и Н.26х), то эффект чересстрочной «гребенки» частично компенсируется в процессе вычисления векторов предсказания движения и будет не так сильно заметен.

Все наши рассуждения до сих пор были применимы к так называемому полнокадровому разрешению. Но существуют стандарты сжатия изображения, которые используют в 4 раза меньшее количество пикселов (то есть 352x288 или 352x240 пикселов), чем содержится в полном кадре. Такой формат кадра обычно называется CIF (Общий формат обмена видеоданными, Common Interchange Format) и, как правило, используется стандартами сжатия MPEG-1 и Н.261. Это делается для того, чтобы уменьшить поток данных до приемлемого для видеоконференций уровня, который сопоставим по качеству изображения с VHS. Когда речь идет о разрешении систем видеонаблюдения, использующих сжатие MPEG-1, Н.261 с форматом кадра CIF, все вышеприведенные вычисления будут применимы и в этом случае, но их нужно будет разделить пополам. Таким образом, эквивалентным аналоговым разрешением для формата CIF будет примерно 220 ТВ-линий. Формат CIF содержит в четыре раза меньше пикселов, чем полный кадр в рекомендации ITU-601 (в два раза меньше пикселов по вертикали и по горизонтали). Для многих областей применения качества CIF будет вполне достаточно, а скорость обновления кадров при записи и передаче возрастает. Это будет особенно полезно при организации видеоконференций, для которых изначально и создавался этот формат. Разрешение формата CIF до сжатия сопоставимо с разрешением аналогового видео VHS (240 ТВ-линий). Это необходимо учитывать при проектировании систем видеонаблюдения, где требуется распознавание лица и автомобильных номеров. Иногда формат полного кадра ITU-601 называют 4CIF, подчеркивая, что количество пикселов здесь в четыре раза больше, чем в формате CIF. Также существует и формат QCIF (Quarter CIF), в котором содержится в четыре раза меньше пикселов, чем в формате CIF (то есть 176x144 пиксела).

Рис. 9.19. Сегодня на рынке присутствует огромное количество цифровых видеорегистраторов

Вполне очевидно, что мы стремимся получить максимально высокое качество изображения, но нужно понимать, что, независимо от наших действий, качество сжатого изображения никогда не будет выше, чем у несжатого. Количество пикселов, которое содержится в оцифрованном изображении от любой телекамеры с аналоговым видеосигналом, даже при записи полного кадра составит в лучшем случае всего около 415000 пикселов для PAL и 345000 для NTSC. Чтобы показать, много это или мало, достаточно в качестве примера вспомнить о современных цифровых фотоаппаратах (например, фотоаппарат, у которого заявлено 4000000 пикселов). Поэтому, когда заказчик спрашивает о причине пикселизации при увеличении кадра, экспортированного с цифрового видеорегистратора, ответ будет простым: таково количество пикселов в оцифрованном изображении. Телекамеры, используемые в видеонаблюдении, дают нам такие кадры, которые имеют значительно более низкое разрешение, чем кадры, полученные с помощью пленочного или цифрового фотоаппарата, а поэтому их не стоит и сравнивать.

Таким образом, когда вы собираетесь проектировать систему видеонаблюдения, от которой требуется возможность распознавания лиц и автомобильных номеров, то следует брать в расчет и количество пикселов в оцифрованном изображении. Об этом мы еще поговорим в конце этой главы, где будет дано несколько рекомендаций по проектированию таких систем видеонаблюдения.

Рис. 9.20. Аналого-цифровое преобразование сигнала и его передача в типичной цифровой системе видеонаблюдения

Необходимость сжатия

Для того чтобы показать, какой поток данных потребуется для передачи видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601, мы проведем несколько простых вычислений. Умножим количество отсчетов в каждой строке (864 для PAL и 858 для NTSC) на количество строк телевизионного стандарта (625 и 525).

Результат мы умножим на количество кадров в секунду (25 и 30), и получим одинаковый поток данных при оцифровке каждого телевизионного стандарта, предполагая, что для представления яркостного сигнала используется 8 битов, и 8 битов для представления двух цветоразностных сигналов (4 бита для Сг и 4 бита для Сb).

Для PAL: 864 х 625 х 25 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых активный видеопоток составит 720 х 576 х 25 х 16 = 166 Мбит/с.

Для NTSC: 858 х525 х 29.97 х (8+8) = 216 Мбит/с, из которых аналогичным образом активный видеопоток составит 720 х 480 х 29.97 х 16 = 166 Мбит/с.

Этот поток данных указан для несжатого видео, оцифрованного согласно рекомендации ITU-601 с форматом оцифровки 4:2:2. Если используется формат оцифровки 4:4:4 или 10-битный диапазон уровней квантования, вместо 8-битного (что применяется в вещательном телевидении при обработке и редактировании видео), то видеопоток еще больше увеличивается. Для системы видеонаблюдения использование такого видеопотока будет непрактичным, так как пропускной способности обычных локальных сетей Fast Ethernet не хватит даже для одной телекамеры, не говоря о том, чтобы работать одновременно с несколькими, как это бывает обычно. Поэтому в первую очередь к оцифрованному видео обязательно нужно применить сжатие.

Цифровые системы видеонаблюдения без сжатия изображения были бы невозможны.

Существуют различные стандарты сжатия изображения в вещательном телевидении, для передачи видео в сети Интернет, для записи на DVD и т. д., но в индустрии видеонаблюдения используются http://www.itv.ru ITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения» практически все стандарты сжатия, за исключением немногих, что позволяет достичь лучшего компромисса между максимально высоким уровнем сжатия и максимально возможным качеством изображения.

Рис. 9.21. Типичное отображение нескольких телекамер на одном экране, что обычно доступно в режиме наблюдения и просмотра архива.

Это особенно важно, когда на один цифровой видеорегистратор мы записываем несколько телекамер (мультиплексированная запись нескольких телекамер, обычно 16, 18, 24 или 32 телекамеры). Существует большое количество стандартов сжатий и их разновидностей, которые предлагают различные преимущества.

Один кадр несжатого видео может занимать около 1.244 Мбайт для PAL (720x576x3 = 1.2 Мбайт), если мы предполагаем 3 цветовые компоненты и 8-битную оцифровку, а 8 бит равно сжатыми изображениями, размер которых менее 1 байт. В видеонаблюдении мы обычно имеем дело со 100 кбайт, а зачастую даже меньше 10 кбайт.

Рис. 9.22. Графическое представление эффективности алгоритмов сжатия по сравнению с несжатым изображением. Обратите внимание на большую эффективность сжатия MPEG-2 при том же качестве

Когда используется компрессия видеоизображения (вместо компрессии отдельных изображений), то обычно указывается не размер одного кадра, а видеопоток в кбит/с или Мбит/с. Таким образом, видеопоток хорошего качества при сжатии MPEG-2 составит порядка 4 Мбит/с. Поток видео среднего качества для передачи по сети Интернет при сжатии MPEG-4 составит примерно 256–512 кбит/с. Насколько сильно можно сжимать видео, зависит от того, сколькими деталями вы готовы для этого пожертвовать и какое сжатие вы используете. Впрочем, в любом случае без сжатия не обойтись.

Нужно также понимать, что возможна и дополнительная обработка оцифрованного видеосигнала до или после сжатия. В некоторых случаях цифровая обработка заключается в простом масштабировании кадров для размещения их в меньших по размеру окнах (как это происходит в видеоквадраторах), но существуют и более сложные алгоритмы. Например, алгоритмы повышения контраста могут проводить сравнение каждого пиксела с соседними и на основании сравнения изменять значения пиксела. Алгоритмы шумоподавления, детекторов движения и другие также относятся к сфере дополнительной обработки цифрового видеосигнала.

Когда видеосигнал оцифрован и сжат, то его можно сохранить (записать) и передать по локальной сети, по сети Интернет или по другим каналам связи значительно быстрее. Это только немногие преимущества цифрового видео, которые недоступны для аналогового видеосигнала.

Преимущества передачи цифрового видео по сети очевидны: локальные сети уже проложены во многих офисах, учебных заведениях, на фабриках и заводах. Если ответственный IT-персонал дает разрешение на использование местных локальных сетей для передачи видео, то цифровые системы видеонаблюдения можно очень легко и быстро интегрировать с существующими сетями. Кроме того, можно значительно увеличить дистанцию передачи видеосигнала, объединяя несколько соседних локальных сетей в единую структуру. Очевидно, что в эпоху массового развития сети Интернет локальные системы видеонаблюдения могут легко быть объединены в крупномасштабную систему, соединяющую ее локальные компоненты, даже разбросанные по разным континентам, так же легко, как если бы они были расположены через улицы друг от друга.

Рис. 9.23. Типичная сетевая телекамера. Обратите внимание, что у нее нет аналогового видеовыхода

Локальные сети и кабели, используемые в них, тоже имеют свои ограничения (их мы рассмотрим детально в главе, посвященной сетевым технологиям), и для увеличения расстояния передачи цифрового видеосигнала необходимо использовать такие сетевые устройства, как повторители (репитеры, network repeaters). Впрочем, их функции выполняют и сетевые коммутаторы и маршрутизаторы.

Многие современные цифровые системы видеонаблюдения могут использовать для передачи видеосигнала и сеть Интернет, и как только мы подключаем их к этой сети, то все ограничения на максимальную дистанцию передачи видеосигнала пропадают, так как провайдеры услуг доступа в Интернет сами заботятся о репитерах и усилении сигнала, которые необходимы, чтобы мы могли передавать информацию из одной точки в другую, независимо от расстояния, их разделяющего.

Сейчас уже доступны действительно цифровые телекамеры, которые обычно называются сетевыми телекамерами (IP-camera, LAN camera). Мы о них говорим как о действительно цифровых устройствах, и они заслуживают такого наименования, поскольку их можно подключить напрямую в существующие локальные сети и просматривать через веб-броузер, используя их IP-адрес, в отличие от цифровых телекамер, которые получили такое название за цифровую обработку сигнала и генерируют на выходе аналоговый видеосигнал. Сейчас в большинстве случаев сетевые телекамеры используются в небольших инсталляциях, для промышленного или специализированного видеонаблюдения в научных целях, а также для проведения видеоконференций в сети Интернет. При современном развитии технологии по качеству изображения и скорости обновления кадров сетевые телекамеры пока еще уступают аналоговым телекамерам. Впрочем, цифровая обработка и технологии сжатия изображения развиваются настолько быстро, что время, когда сетевые телекамеры сравняются с аналоговыми телекамерами, придет очень быстро.

Размеры видеопотоков хорошего качества от нескольких телекамер могут быть достаточно велики, несмотря на сжатие изображения, а это потребует применения лучших кабелей для повышения пропускной способности локальной сети. Но куда более важно то, что большая часть системных администраторов и IT-специалистов, отвечающих за поддержку сети, которую планируется использовать для передачи видеосигналов, сразу выскажут свои опасения относительно того, что ваша цифровая система видеонаблюдения может перегрузить имеющиеся локальные сети. Поэтому очень часто вы будете сталкиваться с требованием ограничения потоков данных от цифровой системы видеонаблюдения, или даже с необходимостью построения новой локальной сети, выделенной исключительно для передачи цифрового видео. Такая необходимость потребует от нас знания сетевых технологий, протоколов TCP/IP и всего остального, что нужно при переходе от аналогового телевидения к цифровому. Сетевые технологии мы рассмотрим в отдельной главе.

А сейчас мы остановимся на технологиях сжатия изображения в том виде, в каком они используются в видеонаблюдении.

Типы видеосжатия

В цифровых системах видеонаблюдения используются почти все доступные стандарты сжатия: JPEG, M-JPEG, Wavelet, H.263, MPEG-1, MPEG-2, JPEG-2000, MPEG-4, H.264 и т. д.

Существует большое количество разнообразных технологий сжатия. Как из них выбрать самый оптимальный для конкретного случая способ сжатия?

Безусловно, найти ответ на этот вопрос будет нелегко. Следует понимать теорию оцифровки изображения и ограничения телевизионных стандартов, на которые будут накладываться ограничения оцифровки видео и сжатия.

В общих чертах можно сказать, что существует два основных типа сжатия изображения/видео: сжатие без потерь и сжатие с потерями.

Сжатие без потерь позволяет добиться только очень низкого уровня сжатия (обычно в три-четыре раза по сравнению с несжатым оригиналом) и используется в основном в вещательном телевидении и при видеомонтаже. Поэтому в этой книге мы будем рассматривать различные стандарты сжатия с потерями.

Сжатие с потерями означает, что некоторые детали изображения или видеопотока будут потеряны и их невозможно будет восстановить никаким способом и никакой дополнительной обработкой. Хорошим стандартом сжатия следует считать не тот, который позволяет добиться очень высокого уровня компрессии, а такой стандарт, который позволяет достичь лучшего компромисса между качеством и размером видеопотока.

Рис. 9.24. Правильный выбор сжатия, телекамеры и объектива позволяет четко рассмотреть номер автомобиля

Одним из наиболее популярных стандартов сжатия сегодня считается JPEG, который чаще всего используется в цифровой фотографии. Мы все с ним знакомы, и читатели, вероятно, неоднократно сталкивались с тем фактом, что десятикратное сжатие JPEG практически не вносит заметных искажений в изображение. Таким образом, если вы пользуетесь цифровым фотоаппаратом с разрешением 4 мегапиксела, то размер одной фотографии без сжатия может достигать 12 Мбайт, что немало, когда нам нужно обрабатывать такой большой файл или хранить его на карте памяти объемом 32 Мбайт. Но если мы используем типичный уровень сжатия 1:10, то не заметим ощутимой разницы в качестве фотографии, зато с файлом будет удобнее работать и таких файлов больше поместится на карте памяти. В видеонаблюдении нам обычно требуется уровень сжатия значительно выше десятикратного. Не забывайте о том, что только один оцифрованный телевизионный кадр занимает около 1 Мбайт, а десятикратное сжатие уменьшит его всего до 100 кбайт.

Существуют цифровые видеорегистраторы и сетевые телекамеры, которые работают и с такими кадрами, но в большинстве случаев необходимость длительного хранения архива заставляет использовать более высокий уровень сжатия.

Нередко можно видеть, как производители заявляют о 100-кратном сжатии одного телевизионного поля.

Здравый смысл подсказывает нам, что потери будут очень значительными при столь высоких уровнях сжатия, а кроме того появятся артефакты сжатия, которые очень нежелательны. И нам снова придется искать компромисс между приемлемым качеством и небольшим размером видеопотока. Справедливости ради нужно сказать, что существуют очень интересные и остроумные решения (обычно собственные разработки отдельных производителей), которые позволяют заметно уменьшить размеры видеопотока за счет сокращения его избыточности (например, статичный фон записывается только один раз, а далее учитываются только разница между кадрами, которая создается не статичным фоном, а движущимися объектами).

Все это похоже на принципы работы семейств стандартов MPEG и Н.26х. Независимо от вашего выбора стандарта сжатия, источник видеосигнала, то есть сама телекамера должна иметь самое лучшее качество из доступного. А это означает, что необходимо выбирать качественную телекамеру и качественный объектив. И только тогда, когда нам удалось оптимизировать изначальный аналоговый видеосигнал для отображения всех нужных деталей и цветов, мы можем постараться получить оцифрованное видео почти такого же качества.

Рис. 9.25. Несжатое изображение (слева, 720x576 пикселов, примерно 1.2 Мбайт) и то же самое изображение, сжатое JPEG со 100-кратным уровнем сжатия (справа).

Вы не сможете увидеть в цифровой записи тех деталей, которые изначально позволяла увидеть телекамера. Это представляется слишком общим и банальным утверждением, но мне часто приходилось встречать специалистов индустрии безопасности, которые пытались разглядеть автомобильный номер на цифровой записи, тогда как телекамера уже изначально не позволила бы его увидеть. Существует очевидное и очень простое правило, цифровая запись никогда не окажется лучше, чем оригинальный сигнал телекамеры.

Имеет смысл вложить средства в покупку качественных телекамер и объективов. В качественной телекамере имеется ПЗС- или КМОП-матрица высокого разрешения, хорошее соотношение сигнал/шум, широкий динамический диапазон, низкая чувствительность и хороший объектив. Основываясь на практике, следует заметить, что при использовании аналоговых телекамер для цифровой записи их соотношение сигнал/шум имеет первостепенное значение для оцифрованного изображения. Разрешение тоже важно, но соотношение сигнал/шум будет, вероятно, даже важнее по той простой причине, что при слишком сильных шумах алгоритмы сжатия изображения имеют тенденцию их увеличивать, принимая их за мелкие детали. Поэтому если у телекамеры низкое соотношение сигнал/шум (то есть изображение содержит много шумов), то после сжатия изображение будет выглядеть значительно хуже, чем до него. Проще говоря, чем лучше соотношение сигнал/шум (от 50 дБ и выше), тем выше качество у оцифрованного видеосигнала.

Качество оцифрованного видеосигнала, если при этом использовалась рекомендация ITU-601, будет примерно таким же, как у исходного аналогового видеосигнала.

После того как качественный аналоговый видеосигнал будет оцифрован согласно рекомендации ITU-601, качество цифрового видеосигнала будет почти таким же, как у исходного аналогового видеосигнала (при условии, что мы оцифровываем полный кадр). Затем на стадии сжатия происходит дальнейшее снижение качества изображения. Поэтому сжатие является фактором, ограничивающим разрешение.

Здесь следует сделать важное замечание о том, что не следует смешивать такие понятия, как количество пикселов и потеря разрешения в результате сжатия. Когда мы используем полнокадровый ввод и последующее сжатие видео, количество пикселов остается постоянным, допустим 720x576 пикселов, но артефакты сжатия могут снизить разрешение. Поэтому мы и говорим, что сжатие изображения является дополнительным фактором, ограничивающим разрешение.

Дискретное косинусное преобразование как основа

Одним из наиболее частых преобразований двумерных изображений является дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transformation, DCT). Оно лежит в основе почти всех стандартов сжатия, которые применяются в видеонаблюдении, за исключением Wavelet и JPEG-2000. Таким образом, все стандарты JPEG, MPEG и семейство Н.26х используют DCT-преобразование в той или иной форме. Поэтому мы скажем о нем несколько слов.

DCT-преобразование основано на преобразовании Фурье. Преобразование Фурье представляет собой очень хороший метод анализа сигналов в частотной области. Единственная проблема заключается в том, что оно всегда строится на предположении о периодичности и бесконечной протяженности сигналов во временной области. В действительности это не так, и поэтому в 60-е годы было предложено альтернативное преобразование Фурье, так называемое быстрое преобразование Фурье (БПФ). Дискретное косинусное преобразование базируется на БПФ.

Итак, как работает дискретное косинусное преобразование? Пространственная избыточность присутствует во всех видеофрагментах и в видеонаблюдении, и в вещательном телевидении, и в других сферах. Если на изображении (в телевизионном поле) имеется объект, то большинство его пикселов будут иметь достаточно сходные значения. В этом и заключается избыточность изображения, то есть можно уменьшить количество информации для каждого пиксела, дав среднее значение для целой области пикселов. Крупные объекты имеют низкие пространственные частоты, а мелкие объекты — высокие пространственные частоты. Цифровое видео способно передавать весь спектр пространственных частот, но после анализа остаются только те частоты, которые нужно передать, поэтому при сжатии важным шагом является анализ пространственных частот изображения.

На рис. 9.26 показано, как работает двумерное DCT-преобразование. Изображение разбивается на блоки 8x8 пикселов. DCT-преобразование конвертирует блок значений пикселов в набор коэффициентов косинусных функций с возрастающими частотами. Коэффициенты отражают присутствие тех или иных пространственных частот. На иллюстрации показаны блоки пикселов, которые получаются из каждого коэффициента. Верхний левый коэффициент представляет среднюю яркость блока, и, таким образом, является средним арифметическим значением всех пикселов, его также называют DC-коэффициентом. Справа налево коэффициенты представляют увеличивающуюся горизонтальную пространственную частоту. Сверху вниз коэффициенты представляют увеличивающуюся вертикальную пространственную частоту. Само по себе DCT-преобразование не производит никакого сжатия информации, то есть не устраняет избыточность. На самом деле полная информация о коэффициентах займет больше места, чем информация об исходных пикселах.

Рис. 9.26. Принципы дискретного косинусного преобразования

DCT-преобразование конвертирует значения пикселов в удобную для обнаружения избыточности форму. Поскольку не все пространственные частоты присутствуют одновременно, то в результате DCT-преобразования на выходе мы получим набор коэффициентов, где будут присутствовать значимые коэффициенты, но очень многие будут иметь значения, близкие к нулю или нуль. Если коэффициент равен нулю, то неважно, присутствует ли он или нет. Если же мы отбрасываем коэффициент, близкий к нулю, то это равносильно добавлению той же пространственной частоты к изображению, но противоположной фазы. Решение отбросить коэффициент основывается на том, насколько визуально заметен будет этот небольшой нежелательный сигнал, и определяется уровнем сжатия. Если коэффициент нельзя отбросить, то сжатие также возможно за счет уменьшения количества битов, используемых для его кодирования. Визуально это выглядит так, как будто в изображении появилось немного шума. Типичным нежелательным артефактом DCT-преобразования является блочность изображения при высоких уровнях сжатия. Это связано с тем, что DCT-преобразование проводится на блоках 8x8 пикселов.

Рис. 9.27. Зигзагообразное сканирование при обратном DCT-преобразовании

Читателям следует знать, что Wavelet-сжатие отличается от JPEG-сжатия тем, что Wavelet-сжатие обрабатывает все изображение, а не блоки 8x8, поэтому артефакты сжатия проявляются не в блочности изображения, а скорее как его затуманивание. Сжатия на основе DCT- и Wavelet-преобразований подразумевают потерю данных, поэтому они называются сжатием с потерями. Основная задача заключается в нахождении оптимального компромисса между высоким уровнем сжатия и качеством изображения без особо заметных потерь.

Рис. 9.28. Увеличенный в два раза фрагмент изображения при JPEG-сжатии в 100 раз

Рис. 9.29. Увеличенный в два раза фрагмент изображения при Wavelet-сжатии в 100 раз

Различные стандарты сжатия, используемые в системах видеонаблюдения

В системах видеонаблюдения используются различные стандарты сжатия изображения и видеоизображения. Возможно, здесь их больше, чем в любой другой индустрии. Например, в цифровой фотографии чаще всего используется сжатие JPEG, когда необходимо экономить пространство, доступное для хранения снимков. В вещательном телевидении доминирует стандарт MPEG-2, тогда как в компьютерной индустрии и в Интернете приобрел популярность MPEG-4.

В разнообразной продукции систем видеонаблюдения используются почти все стандарты сжатия. Для того чтобы правильно их понимать, необходимо разделить все стандарты на две основные категории, о чем мы уже говорили ранее: сжатие, которое применяется к отдельным изображениям, назовем сжатием изображения и сжатие, применяемое к видеопотоку, назовем сжатием видеоизображения. Стандарты, использующие сжатие изображения, работают с отдельными изображениями, тогда как стандарты, использующие сжатие видеоизображения, расценивают время как важную переменную при уменьшении избыточности видеопотока.

Рис. 9.30. Временная шкала, показывающая периоды разработки различных стандартов сжатия и совместную работу ITU- T и ISO/IEC

У каждой из этих двух категорий сжатия есть свои преимущества, что зачастую очень затрудняет выбор в пользу какой-либо из них. Обычно в цифровых видеорегистраторах, которые записывают на жесткие диски несколько телекамер в режиме мультиплексирования, применяется сжатие изображения. Некоторые производители используют два различных стандарта сжатия в одном устройстве. В этом случае для локальной записи используется один стандарт сжатия, а для передачи по сети с низкой пропускной способностью — другой стандарт сжатия видеоизображения, который будет более эффективен для этих целей. Поэтому необходимо знать и понимать все стандарты сжатия и каждый раз оценивать достоинства и недостатки всех стандартов по отношению к проектируемой системе наблюдения.

Некоторые специалисты подразделяют стандарты сжатия на группы по принципу того, какая организация (ITU-T или ISO) предложила тот или иной стандарт. Но существует и много самостоятельных разработок отдельных производителей, что не позволяет нам принять такое деление. Более того, при разработке новых стандартов рабочие группы ITU-T и ISO/ЕС работают совместно. В частности новый стандарт сжатия Н.264, работа над которым была начата ITU-T, велась затем совместно с группой ISO/IEC JTC1.

Следующие стандарты сжатия изображения являются наиболее распространенными в видеонаблюдении. Расположены в порядке появления.

— JPEG — Широкораспространенный стандарт сжатия, который существует уже более 15 лет. Использует DCT-преобразование. Используется многими программами, такими, как графические редакторы и веб-броузеры.

— M-JPEG — Это вариант сжатия JPEG и на самом деле не является стандартом. M-JPEG — сокращение от Motion JPEG, где каждое изображение является независимо сжатым телевизионным кадром или полем.

— Wavelet — Очень популярное сжатие в видеонаблюдении. Отличается большей эффективностью при сжатии деталей, так как не делит все изображение на блоки 8x8 пикселов.

— JPEG-2000 — Стандартизованный вариант Wavelet-сжатия. Доступны дополнительные модули JPEG-2000 для различных графических редакторов и веб-броузеров.

— Motion JPEG-2000 — Принцип действия примерно такой же, как у M-JPEG, но в качестве основы используется JPEG-2000. Так выглядит эволюция стандартов сжатия видеоизображения:

— Н.261 — Стандарт для низкой скорости передачи данных, принятый в 1984 ITU для аудиовизуальных сервисов.

— MPEG-1 — Стандарт ISO, созданный как модификация Н.261 для записи видео на компакт-диски при низкой скорости передачи данных (около 1.5 Мбит/с).

— MPEG-2 — Разработан для вещательного телевидения. Использует низкий уровень сжатия для передачи, записи и воспроизведения видео высокого качества. Сейчас используется в большинстве телестудий, на DVD-дисках, на кабельном телевидении, а также в кабельном телевидении и многими производителями цифровых видеорегистраторов.

— Н.263 — Создавался как адаптация MPEG-2 для достижения более высоких уровней сжатия при сохранении высокого качества изображения. Был принят как международный стандарт в 1996 году и пересмотрен в 1998 году. Стандарты Н.263+ и Н.263++ представляют собой усовершенствованные версии Н.263.

— MPEG-4 — Стандарт разрабатывался как объектно-ориентированное сжатие. Существует несколько версий. Сжимает видео и аудио с широким выбором скорости передачи данных. Пригоден для различных областей применения, которые используют низкоскоростные каналы связи, от мобильной телефонии и Интернета до телевидения.

— MPEG-7 — Новый стандарт, предназначенный для описания аудиовизуального содержимого.

— MPEG-21 — Новый стандарт, описывающий общую структуру взаимодействия всех объектов MPEG и пользователей.

— Н.264 — Самый новый стандарт сжатия, который базируется на Н.263 и MPEG-4 (AVC), который предлагает широкий выбор качества, включая более эффективное сжатие для форматов телевидения высокой четкости (заявлено о втрое большей эффективности по сравнению с MPEG-2).

Теперь проанализируем их по отдельности.

JPEG

JPEG расшифровывается как объединенная группа экспертов по машинной обработке фотоизображений (Joint Photographic Experts Group), а это, в свою очередь, является первоначальным названием комитета ISO, который подготовил данный стандарт для цифровой фотографии.

JPEG — это стандартизированный принцип сжатия изображений, который использует DCT-преобразование для уменьшения избыточности изображения. Он ориентирован только на неподвижные цифровые изображения, при этом разрешение изображения в стандарте не прописано. Такими стоп-кадрами в телевидении могут служить либо телевизионные поля, либо телевизионные кадры.

Хотя JPEG широко используется в цифровой фотографии и веб-приложениях, этот стандарт применяется и в видеонаблюдении, где сжатие применяется к оцифрованному видео (телевизионным кадрам и полям), которые обрабатываются как независимые изображения.

Впрочем, JPEG содержит и раздел рекомендаций для сжатия без потерь (с коэффициентом сжатия примерно 2:1), но нас больше интересует способ сжатия JPEG с потерями, когда можно получить коэффициенты сжатия, превышающие 10:1, без заметного ухудшения качества. Работа JPEG основывается на преобразовании блоков, состоящих из 8x8 элементов изображения, на основе дискретного косинусного преобразования (Discrete Cosine TransformationDCT).

Если изображение с высокой степенью сжатия увеличить, то четко проявляется его блочная структура. Можно достичь степени сжатия до 100 раз. JPEG известен как способ сжатия с потерями, означающий, что, если изображение подвергнется сжатию, то при декомпрессии нельзя получить изображение точно такого же качества, как оригинал. Тем не менее, коэффициенты сжатия, достигаемые с помощью сжатия JPEG, довольно высоки (превышают 10:1), и некоторая потеря качества изображения представляется несущественной для человеческого глаза. JPEG разработан с учетом известных ограничений человеческого глаза, таких, как невосприятие очень мелких деталей цветности, как и мелких деталей яркости в рассматриваемом изображении.

Рис. 9.31. Разбиение на блоки при сжатии JPEG

Для каждого отдельного компонента цвета изображение делится на блоки 8x8, из которых составляется все изображение. Над этими блоками выполняется дискретное косинусное преобразование. Обычно внутри блоков 8x8 значения пикселов изменяются мало. Поэтому энергия имеет низкую пространственную частоту. Преобразование, которое может быть использовано для представления энергии несколькими коэффициентами, является двумерным дискретным косинусным преобразованием блоков 8x8. Это преобразование, широко изучаемое с точки зрения применения его к сжатию изображений, явилось чрезвычайно эффективным для сильно коррелированных данных.

JPEG хранит полную цветовую информацию: 24 бита на пиксел (16 миллионов цветов); можно сравнить, например, с GIF (другая популярная среди пользователей ПК техника сжатия), который может хранить только 8 бит на пиксел (256 или меньшее количество цветов). Полутоновые изображения (в шкале серого) не могут быть сжаты с такими большими коэффициентами компрессии с помощью JPEG, поскольку человеческий глаз намного более чувствителен к изменениям яркости, чем к оттенкам цвета, и JPEG может сжимать данные о цвете в большей степени, чем данные о яркости.

Имеется довольно любопытное наблюдение, которое заключается в том, что JPEG-файл черно-белого изображения всего на 10–25 % меньше, чем полноцветный JPEG-файл визуально подобного качества.

Рис. 9.32. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями (сжатие JPEG, размер файла 49 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).

Рис. 9.33. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями (сжатие JPEG, размер файла 15 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).

Кроме того, следует отметить, что JPEG не подходит для штрихового рисунка или текста, поскольку дискретное косинусное преобразование непригодно для очень резких черно-белых переходов.

JPEG может быть использован для сжатия данных из различных цветовых пространств, таких, как RGB (видеосигнал основных цветов изображения), YCbCr (преобразованный видеосигнал) и CMYK (палитра, используемая в издательских системах), поскольку он обращается с цветами как с отдельными компонентами. Наилучшие результаты по сжатию достигаются, если компоненты цвета независимы (некоррелированны), как это имеет место в YCbCr, где большая часть информации сосредоточена в яркости, а меньшая — в цветности.

Поскольку файлы JPEG, записываемые в системе видеонаблюдения, независимы друг от друга, они легко могут быть воспроизведены в обратном направлении. При этом скорость воспроизведения может быть увеличена или уменьшена, а кроме того, они могут быть скопированы в виде отдельных файлов или группы файлов.

M-JPEG

В системах видеонаблюдения используется стандарт сжатия, производный от JPEG, который называют motion JPEG (M-JPEG). На самом деле M-JPEG не существует как отдельный стандарт, скорее он относится к быстрому потоку изображений JPEG, которые могут быть воспроизведены с достаточно высокой скоростью, создавая при этом иллюзию движения. Поскольку зависимости между отдельными последовательными кадрами не берутся в расчет, такой способ позволяет получить только относительно небольшой уровень сжатия по сравнению со стандартами, использующими сжатие видеоизображения, такими, как семейства Н.26х или MPEG, которые описаны далее. Впрочем, M-JPEG используется некоторыми производителями многоканальных цифровых видеорегистраторов.

M-JPEG никогда не был предметом международной стандартизации, a JPEG не определяет стандарт передачи, поэтому реализации M-JPEG у разных производителей несовместимы между собой. Для увеличения степени сжатия иногда еще используется и сжатие разницы между двумя соседними кадрами. Этот вариант тоже не является стандартным, поэтому для воспроизведения таких записей потребуется программное обеспечение того же производителя.

Wavelet (вейвлет)

Многие десятилетия ученые пытались найти для аппроксимации прерывистых сигналов более подходящие функции, чем синусы и косинусы, которые составляют основу анализа Фурье. По определению синусы и косинусы являются нелокальными функциями (они определены в бесконечной области). В этом заключена главная причина их плохой работы при аппроксимации резких переходов, таких, как отдельные детали изображения с высоким разрешением в конечном двумерном кадре. Кадры именно такого типа мы наиболее часто наблюдаем при записи в мультиплексированном режиме, они отличаются от непрерывного потока движущихся изображений в обычном телевидении. Вейвлет-анализ действует иначе и позволяет более эффективно обрабатывать мелкие детали изображения.

Авторами этой математической модели были Гроссман и Морле (A.Grossman и J.Morlet), которые и применили термин Wavelet (вейвлет) в середине 80-х годов в связи с анализом свойств сейсмических и акустических сигналов. В результате вейвлет-сжатие изначально применялось в таких сферах, как астрономия и геофизика. Вскоре, когда компания Analog Devices выпустила аппаратную реализацию вейвлет-сжатия (кодек ADV601), оказалось, что его (сжатие) можно превосходно использовать в видеонаблюдении.

Вейвлет-сжатие преобразует полное изображение, а не его секции 8x8, как это происходит в JPEG, и является более естественным, так как отслеживает формы объектов в изображении. Поэтому вейвлет-сжатие оказалось особенно привлекательным для систем видеонаблюдения.

Рис. 9.34. Один из остроумных способов применения вейвлет-сжатия методом зигзага

Рис. 9.35. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями (сжатие Wavelet, размер файла 45 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа)

Рис. 9.36. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями (сжатие Wavelet, размер файла 15 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).

С помощью вейвлет-анализа мы можем использовать аппроксимационные функции, определенные на конечных областях. Вейвлет-функции — это функции, которые удовлетворяют определенным математическим требованиям и используются для представления данных или других функций в вейвлет-анализе. Главное отличие от БПФ-анализа (быстрого преобразования Фурье) заключается в том, что вейвлет-функции разлагают сигнал по разным частотам с различным разрешением, то есть на множество малых групп волн, отсюда и название — вейвлет, элементарные волны. Алгоритмы вейвлет-преобразования обрабатывают данные в различных масштабах и с разным разрешением. Вейвлет-анализ позволяет разглядеть и отдельные детали, и глобальное изображение, или, как выразились некоторые авторы вейвлет-анализа, «увидеть и лес, и отдельные деревья» в противоположность анализу Фурье, который позволяет «видеть только лес».

Вейвлет-анализ хорошо подходит для аппроксимации данных с резкими границами. Процедура вейвлет-анализа заключается в подборе функции-прототипа элементарной волны, называемой анализирующей или порождающей волной. Временной анализ выполняется в укороченной высокочастотной версии функции-прототипа, в то время как частотный анализ производится в ее расширенной низкочастотной версии. Поскольку оригинальный сигнал или функция могут быть представлены в виде разложения по вейвлет-функциям (с применением коэффициентов в линейной комбинации с вейвлет-функциями), то операции с данными могут выполняться посредством использования всего лишь соответствующих вейвлет-коэффициентов.

Одна интересная особенность аппаратной реализации вейвлет-сжатия позволяет выбрать «область интереса» или «зону повышенной детализации» («Area of Interest» или «Quality Box»). Эта область может быть сжата с лучшим качеством и соответственно более высокой детализацией интересующих нас объектов по сравнению с остальным изображением, а ее использование позволяет значительно уменьшить размер файла сжатого изображения.

Рис. 9.37. Современные аппаратные реализации вейвлет-компресии позволяют выделить «область интереса» или «зону повышенной детализации»

JPEG-2000

JPEG-2000 (ISO 15444) представляет собой стандартизированную в общих чертах версию вейвлет-сжатия, которая была разработана группой JPEG. Когда в 90-х годах появилась аппаратная реализация вейвлет-сжатия от Analog Devices еще не существовало общего стандарта. Эксперты из группы JPEG быстро оценили преимущества вейвлет-сжатия и приступили к работе над новым стандартом сжатия. Завершение работы над новым стандартом было намечено на 2000 год — отсюда и идет название JPEG-2000.

С появлением единого стандарта JPEG-2000 стало возможно широкое применение вейвлет-сжатия при полной совместимости между различными продуктами и программами разных производителей. Появилось большое количество дополнительных программных модулей и аппаратных реализаций, что позволяет переносить изображения, сжатые этим стандартом, между различными платформами. Сейчас можно найти в Интернете дополнительные модули для Adobe Photoshop и веб-броузеров, реализующие поддержку JPEG-2000. Некоторые графические редакторы, такие, как Corel Photo Paint и JASC Paint Shop Pro уже имеют встроенную поддержку JPEG-2000. Именно для этого и проводится стандартизация, что позволяет нам работать с одним стандартным форматом файла в самых разных программах. Многие производители уже выпустили свои аппаратные реализации стандарта JPEG-2000, и эти кодеки доступны для видеонаблюдения.

Кроме того, стандарт JPEG-2000 предусматривает использование встраиваемой информации об авторе или источнике изображения. Для нас это полезно тем, что таким образом можно устанавливать подлинность изображения в видеонаблюдении. Существуют и варианты JPEG-2000, один из которых применим к видеоизображению и называется Motion JPEG-2000.

Рис. 9.38. Новый кодек ADV202 от Analog Devices использует JPEG-2000 и имеет большие перспективы для применения в охранном телевидении и телевидении высокой четкости.

Motion JPEG-2000

Motion JPEG-2000 это новый стандарт сжатия. Хотя он пока еще не используется в видеонаблюдении, но он очень перспективен, поэтому мы его упоминаем здесь. Благодаря масштабируемости вейвлет-сжатия Motion JPEG-2000 позволяет из одного видеопотока быстро получать видеопотоки разного разрешения. Эта особенность удачно используется в тех случаях, когда видеопоток с высоким разрешением используется для записи, а для удаленного просмотра используется видеопоток меньшего разрешения. Поскольку Motion JPEG-2000 является стандартом сжатия изображения, то все сжатые кадры (поля) независимы, что упрощает произвольный доступ к ним. Кроме того, это упрощает точно датирование кадров, что важно для видеонаблюдения и использования кадров в качестве доказательства в суде. Сжатие изображения происходит в режиме реального времени без задержки, что также упрощает процедуру хранения и передачи по сети видеопотоков.

MPEG-1

MPEG-1 (ISO 11172) — один из первых стандартов сжатия, предложенный группой MPEG (Motion Pictures Experts Group — экспертная группа по вопросам движущегося изображения ISO) вскоре после появления Н.261. MPEG-1 принадлежит к категории стандартов сжатия видеоизображения. Он работает с непрерывным оцифрованным видеосигналом и включает два звуковых канала. Визуальное качество при типичных уровнях сжатия (как на дисках VCD, например) сопоставимо с качеством записи аналогового видеомагнитофона VHS. Для сжатия звука сейчас используется популярный формат МРЗ.

MPEG-1 работает с последовательностью изображений формата CIF (352x288 для PAL; 352x240 для NTSC). Цветовая информация представлена половиной этого разрешения (176x144 или 176x120). Для MPEG-1 типичный видеопоток будет от 1 Мбит/с до 3 Мбит/с. Во время появления стандарта MPEG-1 у большинства проигрывателей компакт-дисков скорость передачи данных достигала примерно 1.5 Мбит/с, а основным применением нового стандарта сжатия была запись видео на компакт-диски. На компакт-диске объемом 700 Мбайт можно хранить до 1 часа видео, по этой причине для записи фильмов в формате VCD требовалось обычно два диска.

Рис. 9.39. Крайне упрощенное представление того, каким образом из опорного кадра вычисляются промежуточные

MPEG сам по себе определяет не алгоритмы сжатия (хотя и основан на DCT-преобразовании), а сжатие именно видеопотока, то есть организацию цифровых данных для записи, воспроизведения и передачи. Алгоритмы сжатия выбираются уже разработчиками, и качество сжатия будет сильно зависеть от выбранных алгоритмов.

Основная идея, которая лежит в основе сжатия видеоизображения, заключается в предсказании движения от кадра к кадру во временном направлении, после чего используется DCT-преобразование для выявления избыточности в пространственных направлениях. DCT-преобразование осуществляется на блоках 8x8, а предсказание движения осуществляется в яркостном канале (Y) на блоках 16x16. Другими словами блок 16x16 пикселов в текущем кадре кодируется с учетом такого же блока в предыдущем и последующем кадре. Например, в режиме обратного предсказания движения кадры, которые идут позже по времени, обрабатываются раньше, чтобы установить межкадровую зависимость.

Далее коэффициенты DCT-преобразования (самих видеоданных или разницы блоков) подвергаются квантованию. Вероятно, многие коэффициенты будут нулями.

Квантование может изменяться для каждого макроблока (макроблока 16x16 для Y и соответственно 8x8 для U и для V).

Рис. 9.40. Взаимосвязь кадров в группе изображений с 9 кадрами

Ко всем полученным в результате данным, которые включают коэффициенты DCT-преобразования, векторы движения, параметры квантования и другую информацию.

Существует три типа кадров в стандарте MPEG-1 (тоже самое и в MPEG-2): l-кадры (intra frames, кадры с внутренним кодированием), Р-кадры (predicted frames, кадры с предсказанным кодированием) и В-кадры (bidirectional frames, кадры, при кодировании которых используется предсказание, сформированное на основе предшествующего и последующего кадра).

l-кадры в общих чертах представляют собой изображения, которые кодируются с использованием только той информации, которая содержится в них самих (то же самое происходит при сжатии JPEG). Здесь устраняется только пространственная избыточность, и l-кадры затем используются как опорные для Р- и В-кадров, для которых используется межкадровое кодирование, что позволяет устранить и пространственную, и временную избыточность. Р-кадры кодируются с опорой на ближайший I- или Р-кадр. Каждый макроблок в Р-кадре может содержать коэффициенты DCT-преобразования разницы между этим макроблоком и аналогичным блоком в опорном кадре, либо только коэффициенты DCT-преобразования, как в l-кадре, если разница получается слишком большой. В-кадры кодируются с опорой на два ближайших I- или Р-кадра, один из которых предшествует В-кадру, а другой следует за В-кадром. Их название происходит от английского bidirectional, то есть двунаправленные (к предшествующему и последующему кадру). Кстати, именно этим и обусловлена задержка кодирования, типичная для сжатия MPEG.

Набор I-, Р- и В-кадров в MPEG называется группой изображений (Group of Pictures, GOP).

Если группа изображений состоит только из одного изображения, то это будет только опорный l-кадр, и такое кодирование будет выглядеть функциональным эквивалентом стандарта Motion-JPEG. В этом случае устраняется только пространственная избыточность, но не временная. Когда группа изображений насчитывает 12 или 15 кадров, достигается оптимальный компромисс между уровнем сжатия и не слишком большой задержкой кодирования.

Типичные повторяющиеся структуры группы изображений из 9 кадров выглядят так:

IBBBPBBBP IBBBPBBBP IBBBPBBBP…

В MPEG появляется новый побочный эффект задержки кодирования, связанный с предсказанием движения. Эта та цена, которую мы платим в MPEG за лучшее качество изображения при сравнительно небольших видеопотоках. Большинство устройств, поддерживающих сжатие MPEG, позволяют устанавливать размер видеопотока и структуру группы изображений, а при выборе оптимальной комбинации этих параметров задержку кодирования можно снизить до незаметного глазу уровня за счет увеличения видеопотока и уменьшения размера группы изображений. В целом, количество элементов в группе изображений и определяет задержку кодирования. Так, например, для группы изображений из 12 кадров задержка кодирования составит половину секунды (для PAL), что уже существенно. А если к этому добавляется задержка на передачу по сети, то становится понятным, откуда берется в MPEG время задержки кодирования больше секунды.

Задержка кодирования может остаться незамеченной в системах видеонаблюдения, где используются только неподвижные телекамеры, но когда мы управляем поворотными телекамерами, эта задержка становится серьезной проблемой. Вполне закономерным будет вопрос о том, какая задержка кодирования MPEG и передачи по сети может считаться приемлемой. На самом деле это определяется скоростью реакции человека. Например, считается, что при управлении автомобилем скорость реакции человека не более 200 мс. Если мы опираемся на эти данные, что 200 мс будут считаться вполне приемлемой на практике задержкой.

Еще один интересный побочный эффект от двухстороннего предсказания движения в макроблоках проявляется в виде уменьшения шума из-за усреднения.

На практике чаще всего MPEG-1 используется для хранения видео на компакт-дисках, но иногда этот стандарт находит применение в кабельном телевидении и в видеоконференциях. Впрочем, существуют и цифровые видеорегистраторы для видеонаблюдения, которые записывают видео в режиме реального времени и тоже используют MPEG-1. Их применяют в том случае, когда скорость записи важнее, чем высокое разрешение. Большинство качественных цифровых видеорегистраторов, использующих MPEG-2, обратно совместимы с MPEG-1 и могут записывать и воспроизводить видеопоток стандарта MPEG-1.

MPEG-2

MPEG-2 представляет собой не следующее поколение MPEG-1, а скорее другой стандарт, нацеленный на более высокое качество передачи и записи цифровых движущихся изображений и звука. Он был предложен группой MPEG в 1993 и получил, как и MPEG-1, престижную награду Emmy.

Стандарт MPEG-2 определяет форматы кодирования для уплотнения цифрового видео высокого качества, звука и других данных в подходящий для передачи или хранения формат.

Так, MPEG-2, подобно MPEG-1, не ограничивает свои возможности только видео, но также работает с аудиопотоками. Здесь опять следует подчеркнуть, что MPEG-2 является не схемой или техникой сжатия (как многие полагают), а скорее стандартизацией управления и обработки цифровых данных самым быстрым, оптимальным способом. Кодирование MPEG-2 может генерировать скорости передачи данных значительно выше 18 Мбит/с, хотя при применении MPEG-2 на практике в видеонаблюдении вы вряд ли заметите особую разницу между аналоговым видеосигналом и тем же видеопотоком размером 4 Мбит/с, сжатым MPEG-2.

Стандарт MPEG-2 разрабатывался для широкого круга применения, поэтому он позволяет использовать видеопотоки различного размера, качества и разрешения. В MPEG-2 определено 4 профиля и 4 уровня для обеспечения взаимодействия в разных сферах применения. В профиле указано цветовое разрешение и размер видеопотока. Уровни определяют минимальное и максимальное разрешение изображения, частоту дискретизации яркостного (Y) сигнала, количество видео- и аудиослоев, поддерживаемых в масштабируемых профилях и максимальную скорость передачи данных для профиля.

Представляя собой совместимое расширение, видеостандарт MPEG-2 основывается на MPEG-1, поддерживая видеоформаты чересстрочного разложения и некоторые другие дополнительные свойства.

Формат MPEG-2 используется в вещательном телевидении сервисными службами, такими, как DBS (Direct Broadcast Satellite — спутник прямого вещания), CATV (CAble Television — кабельное телевидение) и, что наиболее важно, HDTV (цифровое телевидение высокой четкости). Кроме того, формат DVD (который был стандартизирован в период между двумя изданиями этой книги) использует кодирование MPEG-2 для видео- и аудиозаписей высокого качества. Благодаря сжатию MPEG-2 однослойный и односторонний цифровой видеодиск DVD имеет достаточно емкости, чтобы хранить два часа и 13 минут видео высокого качества, объемного звука и субтитров.

MPEG-2, как и MPEG-1, основывается на группах изображений, которые состоят из I-, Р- и В-кадров. 1-кадр является опорным с внутрикадровым кодированием (intracoded), то есть он может быть декодирован без обращения к данным других кадров. Р-кадры для декодирования потребуют предшествующий l-кадр или Р-кадр, В-кадры потребуют уже предшествующий и последующий кадр (l-кадр или Р-кадр). Поэтому Р-кадры и В-кадры являются промежуточными кадрами с межкадровым кодированием (intercoded).

Работа алгоритмов предсказания движения основывается на векторах движения. Для простоты представим, что в l-кадре имеется круг на белом фоне. В следующем Р-кадре имеется такой же круг, но уже смещенный в другую позицию. Предсказание движения означает, что должен быть вычислен вектор движения этого объекта, который описывает, каким образом двигается наш круг со своей позиции на l-кадре в позицию на Р-кадре. Этот вектор движения является частью потока MPEG-2 и разделен на горизонтальную и вертикальную часть. Эти части могут быть как отрицательными, так и положительными. Положительное значение показывает, что движение происходит слева направо или соответственно сверху вниз.

Отрицательное значение показывает, что движение происходит справа налево или снизу вверх. Впрочем, такая модель подразумевает, что разница между кадрами может быть выражена как простое перемещение пикселов. В потоке MPEG имеется матрица ошибок предсказания, которая позволяет более точно восстанавливать движение.

Рис. 9.41. Векторы движения используются для предсказания смещения объектов между I- и Р-кадрами

Когда только начинался переход к цифровым методам записи в видеонаблюдении (а это было совсем недавно, всего 5–6 лет назад), лишь очень немногие разработчики цифровых видеорегистраторов использовали стандарт MPEG-2. Сейчас ситуация изменилась, и многие уже увидели преимущества качественной цифровой записи видео и другие достоинства MPEG-2, с успехом нашедшие применение в видеонаблюдении — например, обратное воспроизведение архива, замедленное воспроизведение архива в прямом и обратном направлении, высокоскоростное воспроизведение архива (скорость может быть увеличена вплоть до 1024-кратной) и даже детектирование движения.

Очевидно, что MPEG-2 не предназначен для работы в режиме мультиплексированной записи, так как зависимость в потоке между кадрами нарушается, и выигрыш от межкадрового сжатия нивелируется. Поэтому цифровые видеорегистраторы со сжатием MPEG-2 обычно записывают видеопотоки от одной телекамеры на жесткий диск, хотя существуют и модели, которые могут одновременно записывать и несколько (немультиплексированных) видеопотоков на один жесткий диск. Учитывая то, что видеопоток MPEG-2 хорошего качества может достигать, например, 4 Мбит/с, несложно подсчитать, что при современном развитии технологии жестких дисков, один цифровой видеорегистратор сможет записывать всего лишь несколько таких видеопотоков, особенно если мы хотим одновременно просматривать архив.

Хотя сжатие MPEG-2 может быть реализовано программно с помощью достаточно производительных процессоров, для видеонаблюдения всегда предпочтительнее выполнять сжатие аппаратно, что гарантирует кодирование (запись) всех кадров без потерь. Декодирование (воспроизведение) может осуществляться с помощью программных декодеров, которых не так уж и много, поскольку MPEG-2 — это стандарт. Windows Media Player, Apple QuickTime, Real Audio — вот примеры программного обеспечения, которое способно воспроизводить видео MPEG-2. Некоторые цифровые видеорегистраторы, использующие MPEG-2, имеют возможность записи компакт-дисков или DVD с видео MPEG-2, такие диски затем можно просмотреть на бытовом DVD-проигрывателе.

Многие производители цифровых видеорегистраторов высшего класса, помимо аппаратного сжатия и записи, позволяют декодировать сжатое видео и выводить его на отдельный аналоговый монитор и одновременно программно со смещением во времени декодировать запись для просмотра или для архивирования по сети. Возможность одновременного выполнения всех этих операций иногда называют триплексной функцией, но существуют и другие варианты: triplex, quad-plex или penta-plex. В последнем случае имеется в виду, что одновременно могут выполняться до 5 операций: запись, воспроизведение, архивирование на внешние носители, воспроизведение записи по сети и архивирование по сети. Если все эти процессы осуществляются с применением одного жесткого диска (как это обычно и происходит), то он должен иметь соответствующую скорость передачи данных. По этой причине многие производители цифровых видеорегистраторов предпочитают выпускать не многоканальные, а одноканальные устройства с записью MPEG-2.

Рис. 9.42. В стандарте MPEG-2 используется такая же структура с группами изображений, как и в MPEG-1

MPEG-2 пригоден для применения в различных областях индустрии безопасности, поскольку он позволяет получить лучшее качество изображения, но чаще всего этот стандарт находит применение там, где требуется запись быстрых движений, например, в казино и банках. Особенно внимательно следует подходить к использованию сжатия MPEG-2 в тех случаях, когда требуется работать с поворотными телекамерами по сети, так как приходится учитывать задержку кодирования и передачи видеосигнала, но, как уже говорилось ранее, эту задержку можно сократить до приемлемых 200 мс и менее, манипулируя размерами видеопотока и структурой группы изображений.

Справедливости ради нужно отметить, что из-за больших размеров видеопотока MPEG-2 непригоден для удаленного просмотра и передачи данных по низкоскоростным каналам связи. Многие производители в этом случае предлагают использовать дополнительный стандарт MPEG-4 (основным стандартом сжатия для записи остается MPEG-2), так как он более гибок и адаптирован для передачи по низкоскоростным каналам связи (128 кбит/с, 256 кбит/с и др.).

MPEG-4

MPEG-4 (ISO 14496) — это еще один стандарт групп MPEG, разработанный относительно недавно. Его практически еще не использовали, когда вышло первое издание этой книги. MPEG-4 представляет собой результат еще одного примера международного сотрудничества сотен исследователей и инженеров со всего мира. Работа над MPEG-4, который официально обозначается как ISO/IEC 14496, была окончательно завершена в октябре 1998 года, а международным стандартом MPEG-4 стал в 1999 году.

Стандарт MPEG-4 был разработан для того, чтобы предоставить пользователям новый уровень взаимодействия с видеоинформацией. Он обеспечивает технологии, позволяющие осуществлять доступ не к пикселам, а к объектам, просматривать их и манипулировать ими. Этот стандарт отличается большой устойчивостью к ошибкам и работой с несколькими диапазонами значений скорости передачи данных. Сфера применения стандарта варьируется от цифрового телевидения, мультимедийных данных в мобильных коммуникациях, игр и до видеонаблюдения.

Основное отличие MPEG-4 от предыдущих стандартов заключается в его объектно-ориентированной аудиовизуальной модели. В рамках этой модели в каждой сцене присутствуют объекты, которые имеют связи между собой во времени и пространстве, что дает ряд преимуществ. Стандарт MPEG-4 открывает пользователям новые возможности для создания, редактирования, доступа и потребления аудиовизуальной информации. В основе технологии MPEG-4 лежит объектно-ориентированный подход, где сцена моделируется как состоящая из объектов, как естественных, так и синтезированных, с которыми пользователь может взаимодействовать. Работа с объектами (особенно с синтезированными) и интерактивность лежат в основе MPEG-4, но, к сожалению, в видеонаблюдении это не нашло применения.

Компенсация движения основана на блоках с соответствующей модификацией для границ объектов.

Размер блоков может быть 16x16 или 8x8 с половинным разрешением в пикселах. MPEG-4 также обеспечивает режим компенсации движения с наложением. Кодирование текстур объектов основано на DCT-преобразовании в блоках 8x8 с соответствующей модификацией для границ объектов. Для повышения эффективности кодирования также возможно предсказание коэффициентов. Статичные текстуры могут быть закодированы с использованием вейвлет-преобразования. Устойчивость к ошибкам обеспечивается за счет маркеров ресинхронизации, декомпозицией данных и другими методами. Масштабируемость обеспечивается как для пространственного, так и временного улучшения разрешения. MPEG-4 обеспечивает масштабируемость на уровне объектов с тем ограничением, что форма объекта должна быть прямоугольной. Для нас в видеонаблюдении это, возможно, самое полезное свойство, так как с ним связано масштабирование потоков для передачи по низкоскоростным каналам связи.

Стандарт MPEG-4 был оптимизирован для передачи данных в трех диапазонах скоростей: менее 64 кбит/с, 64 — 384 кбит/с и 384 кбит/с — 4 Мбит/с.

MPEG-4 предлагает набор инструментов и технологий, которые пригодны для различных областей применения как в существующих приложениях, так и в тех, которые появятся в будущем. Низкие скорости передачи данных и устойчивость к ошибкам позволяют использовать MPEG-4 для надежной передачи по низкоскоростным радиоканалам, что удобно для мобильных видеофонов, коммуникаций в космосе и, конечно, в видеонаблюдении. Для высоких скоростей передачи данных в MPEG-4 предусмотрены инструменты, которые упрощают передачу и хранение видео высокого качества, пригодного для телевизионных студий и других задач, требовательных к качеству видео. В процессе развития стандарта возникло несколько версий MPEG-4, которые поддерживают больше скоростей передачи данных, чем MPEG-2.

Основным применением стандарта MPEG-4 вне индустрии безопасности является размещение интерактивного видео в сети Интернет. Сейчас очень популярно программное обеспечение, которое позволяет поместить «живое» видео MPEG-4 на страницах сайта.

MPEG-4 может работать с чересстрочной и прогрессивной разверткой, хотя последняя редко используется в видеонаблюдении. Поддерживается формат оцифровки 4:2:0. Это означает, что количество отсчетов при оцифровке цветоразностных сигналов СЬ и Сr составляет половину от количества отсчетов яркостного сигнала как по горизонтали, так и по вертикали. Для каждой компоненты допускается квантование от 4 до 12 бит.

Также как и в MPEG-2, в стандарте MPEG-4 имеется несколько различных профилей (Simple Profile, Core Profile и Main Profile). Профили Simple Profile и Core Profile работают с видео формата QCIF и CIF со скоростью передачи данных 64 кбит/с, 128 кбит/с, 384 кбит/с и 2 Мбит/с. Профиль Main Profile может работать с разрешением CIF (352x288), полнокадровым разрешением, рекомендованным ITU-R 601 (720x576), и высоким разрешением HDTV (1920x1080). Поддерживаются скорости передачи данных 2 Мбит/с, 15 Мбит/с и 38.4 Мбит/с.

MPEG-4 разрабатывался не как монолитный стандарт, а скорее как набор инструментов, которые вместе с профилями обеспечивают решение конкретных задач. Хотя MPEG-4 представляет собой достаточно обширный стандарт, он имеет такую структуру, которая позволяет получать доступ к разным инструментам по мере необходимости. Каждый разработчик может выбрать из обширного стандарта MPEG-4 только тот инструментарий, который ему требуется, что с большой долей вероятности будет представлять очень незначительную часть стандарта.

Цифровые видеорегистраторы, работающие с MPEG-4 становятся все более популярными в видеонаблюдении, хотя они и используют разные профили MPEG-4 и, таким образом, отличаются по качеству изображения между собой.

MPEG-4 не заменяет, как считают некоторые, стандарт MPEG-2, но предлагает большую гибкость в работе на низкоскоростных каналах связи и позволяет передавать практически «живое» видео при скорости передачи 256 кбит/с. Некоторые производители включают MPEG-4 в свои цифровые видеорегистраторы для удаленного просмотра и управления, тогда как для локальной записи используются другие алгоритмы сжатия.

Ведутся разработки и новых стандартов в ITU-T и ISO. Последняя версия MPEG-4 и новый стандарт Н.264 позволят повысить уровень сжатия до такой степени, что фильмы с высоким разрешением (HDTV) можно будет записывать на DVD-диски высокой емкости.

MPEG-7

Хотя MPEG-7 и MPEG-21 (описан далее) не используются в видеонаблюдении, здесь необходимо их упомянуть, так как они представляют собой дальнейшее развитие концепции сжатия изображения, а не просто очередную модификацию алгоритмов сжатия. MPEG-1 и MPEG-2 обеспечивают удобный способ представления аудиовизуальной информации, и этими алгоритмами сжатия пользуются в вещательном телевидении, в видеонаблюдении и при видеомонтаже. MPEG-4 распространен еще более широко в различных сферах благодаря таким своим возможностям, как расширенный диапазон скоростей передачи, масштабируемость, устойчивость к ошибкам, гибкая интеграция объектов разных типов в рамках одной сцены и мощные методы добавления интерактивности в содержимое.

MPEG-7 определяет взаимодействующую структуру для способов описания содержимого, помимо традиционных метаданных. Описательные элементы MPEG-7 варьируются от цветов, форм и звуков до структурной информации высокого уровня о содержимом. MPEG-7 также имеет уникальный инструментарий для структурирования информации о содержимом.

MPEG-7 будет дополнять MPEG-4, а не заменит его. MPEG-4 определяет способ представления информации, a MPEG-7 определяет способ описания. MPEG-7 и MPEG-4 создают очень мощную связку, особенно когда используются объекты MPEG-4. С помощью MPEG-7 теперь стало возможным обмениваться информацией мультимедийного содержания, что позволяет легко найти именно то, что требовалось. Этот набор инструментов может оказаться особенно полезным в видеонаблюдении, где очень часто приходится иметь дело с архивами продолжительностью в несколько недель, а то и месяцев, записанных на жестких дисках. MPEG-7 поможет найти конкретные объекты, например, человека в красной рубашке или синюю машину, угнанную на улице.

MPEG-7, несомненно, найдет в будущем широкое применение в вещательном телевидении, видеонаблюдении и будет использоваться поисковыми серверами для нахождения различной мультимедийной информации. Поиск мультимедийной информации значительно упростится особенно в тех случаях, когда мы имеем дело с огромными объемами информации, записанной на жестких дисках большого объем.

Хотя сейчас в видеонаблюдении используются цифровые видеорегистраторы с функцией интеллектуального поиска, которые позволяют находить объекты в определенных зонах активности (неактивности), такой поиск с использованием MPEG-7 станет более мощным и гибким, что значительно повысит эффективность видеонаблюдения. Впрочем, это уже вопрос будущего.

MPEG-21

MPEG-21 — это еще один новый стандарт, который не используется в видеонаблюдении, но для полноты нашего описания мы немного расскажем и о нем. Задачей MPEG-21 является создание «полной картины» того, как различные Цифровые Элементы выстраиваются в инфраструктуру для доставки и использования мультимедийного содержания. Мир MPEG-21 состоит из Пользователей (Users), которые взаимодействуют с Цифровыми Элементами (Digital Items). Цифровым элементом может быть все, что угодно: от простой части мультимедийного содержания (одно изображение или звуковая дорожка) до целой коллекции видеозаписей. В качестве Пользователя MPEG-21 может выступать любое лицо (от производителей и продавцов до потребителя). Интересно, что все Пользователи «равны» в MPEG-21, так как у них у всех есть свои права и интересы в отношении Цифровых Элементов, а эти права и интересы необходимо выражать. Информация о распространении сама по себе представляет ценность, и конечный пользователь хотел бы иметь контроль над ее использованием. Серьезной движущей силой стандарта MPEG-21 является то, что цифровая революция дает пользователю возможность играть новую роль в цепочке производства и распространения мультимедийной информации.

Н.320

Стандарт Н.320 представляет собой рекомендацию ITU-T. Он состоит из серии других стандартов, каждый из которых отвечает за тот или иной аспект коммуникационной системы, то есть на самом деле является семейством стандартов. Например, стандарт Н.261 описывает кодирование видеоизображения, а Н.221 отвечает за мультиплексирование видеоинформации, аудиоинформации, данных и сервисной информации.

Рекомендация Н.320 предназначена в первую очередь для систем видеоконференции и видеофонов и оптимизирована для передачи данных по сети ISDN. При скорости передачи 128 кбит/с (два В-канала ISDN) можно достичь неплохого качества изображения при очень хорошей скорости обновления кадров. Поскольку допустимая скорость передачи данных для этого стандарта лежит в диапазоне от 64 до 1920 кбит/с, то Н.320 можно использовать в коммуникационных сетях (локальных и глобальных) с различной пропускной способностью. Обратите внимание, что стандарт Н.320 был разработан для двустороннего общения между людьми и поэтому не имеет задержки в передаче данных, которая наблюдается в стандартах MPEG-1 и MPEG-2.

При двустороннем общении очень важно, чтобы отставание оставалось ниже 100–200 миллисекунд, иначе общение будет затруднено. Малое время задержки в передаче данных очень важно и в видеонаблюдении, особенно в тех случаях, когда необходимо удаленно управлять телекамерами. Поэтому некоторые производители цифровых видеорегистраторов используют при управлении телекамерами один из стандартов Н.320, тогда как в общем случае применяют другой стандарт сжатия. Н.320 также поддерживает возможность выбора приоритета качества изображения или скорости обновления.

Рекомендация Н.320 описывает не только кодирование изображения, но стандартизирует и другие компоненты коммуникационной системы. Большим преимуществом этого стандарта является высокая совместимость. Так, например, видеофон ISDN от одного производителя может обмениваться информацией системой видеоконференции ISDN от другого производителя или видеопередатчиком ISDN, если все они поддерживают стандарт Н.320.

Н.261

Н.261 является одним из самых старых стандартов сжатия и именно его некоторые производители цифровых видеорегистраторов воплотили в своей продукции в те времена, когда появились первые DVR.

Н.261 — это стандарт видеокомпрессии из семейства стандартов Н.320, которые разработаны для видеоконференций. На момент появления стандарта Н.261 (начало 1980-х) не было сети Интернет, а самым быстрым способом передачи цифровой информации были линии ISDN. Поэтому вышедший в то время стандарт был оптимизирован для сжатия видеоизображения таким образом, чтобы его можно было передавать в диапазоне скоростей ISDN от 64 кбит/с до 1.5 Мбит/с. Так же, как стандарты MPEG, Н.261 определяет форматы как для хранения, так и для передачи сжатого видео. Более того, поскольку скорость передачи данных по линиям ISDN увеличивается с интервалом 64 кбит/с, то стандарт Н.261 позволяет настраивать уровень сжатия ступенчато, то есть постепенно увеличивая требуемую пропускную способность по 64 кбит/с.

Н.261 обычно работает с изображением формата CIF (352x288 пикселов для PAL и 352x240 пикселов для NTSC), который появился вместе с Н.261. Четверть этого разрешения также используется под именем QCIF (176x144 пиксела). Хотя стандарт Н.261 и предусматривает более высокое разрешение 704x576 пикселов, большинство цифровых видеорегистраторов со сжатием Н.261 используют формат CIF, сравнимый по качеству с VHS, как это было в случае и с MPEG-1. Хотя на экране компьютера можно увеличить передаваемое изображение, разрешение от этого не возрастет, и будут отчетливо видны блоки и пикселы изображения.

Стандарт Н.261 нашел самое широкое применение в рамках семейства стандартов Н.261 для систем видеоконференции. Сжатие Н.261 не особенно эффективно для более качественного видео в видеонаблюдении, но было очень удобно для удаленного доступа по низкоскоростным каналам связи. Говоря об этом в прошедшем времени, я хочу подчеркнуть, что при работе на низкоскоростных каналах связи Н.261 значительно проигрывает MPEG-4.

Н.263

Н.263 появился в 1996 году и стал дальнейшим развитием стандарта Н.261. Н.263 был специально оптимизирован для передачи изображения по очень низкоскоростным линиям связи со скоростью ниже 64 кбит/с в рамках семейства стандартов Н.320, например, для передачи по модему и телефонным линиям. Н.263 является альтернативой стандарту Н.261. При передаче изображений в сети GSM (9600 бит/с) и аналоговым телефонным линиям использование стандарта Н.263 позволяет несколько улучшить качество изображения и скорость обновления. На более высокоскоростных линиях связи качество будет сопоставимо с Н.261. Поскольку в стандарте Н.263 применен более эффективный алгоритм сжатия, то он позволяет добиться более высокого качества, чем у Н.261, на линиях связи с различной пропускной способностью, в том числе и ISDN. Н.263 позволяет передавать изображение с очень низкой скоростью передачи данных, как у модемов, скорость которых была в пределах 15–20 кбит/с. Первоначально планировалось с введением нового стандарта Н.263 сделать возможными видеоконференции по обычным телефонным линиям. Хотя для этой цели мог подойти формат QCIF, для того чтобы гарантировать работу на низкоскоростных линиях, решено было добавить еще один формат, который называется Sub-QCIF (SQCIF). Но кроме этого, были добавлены форматы высокого разрешения, чтобы воспользоваться преимуществами новых коммуникационных технологий и высокоскоростных линий связи. SQCIF предусматривает очень низкое разрешение (128x96 пикселов). Два других новых формата высокого разрешения (704x576 и 1408x1152) являются дополнительными, так как оборудование Н.263 должно поддерживать в обязательном порядке только форматы SQCIF, QCIF и CIF.

Н.264

Н.264 — это один из самых многообещающих стандартов в череде новых разработок. Он разрабатывался совместно группой Video Coding Experts Group (VCEG) из ITU-T и группой MPEG из ISO. Это историческое объединение известно как JVT (Joint Video Team). Сам стандарт идентичен ISO MPEG-4 part 10, который также известен как стандарт AVC для улучшенного кодирования видео (Advanced Video Coding). В черновом варианте стандарт Н.264 был готов к маю 2003 года, и в нем были реализованы технологии и особенности, взятые из Н.263 и MPEG-4.

Рис. 9.43. Н.264 использует сложные алгоритмы предсказания в макроблоках

Н.264 — это название относится к серии Н.26х видеостандартов ITU-T, тогда как AVC относится к серии MPEG-стандартов ISO. Поэтому новый стандарт иногда называют H.264/AVC или AVC/H.264, чтобы подчеркнуть общность его корней. Название Н.261_тоже взято из истории ITU-T, но оно встречается нечасто, хотя изредка и используется.

Основной целью проекта Н.264 была разработка стандарта, который можно было бы быстро внедрить, используя низкие скорости передачи данных, что, в свою очередь, снизило бы требования, предъявляемые к декодирующему оборудованию и линиям связи. Н.264 содержит несколько новых технологий, которые позволяют сжимать видео более эффективно, чем это делали используемые ранее стандарты. Например, в Н.264 для компрессии без потерь синтаксических элементов видеопотока используется схема статистического кодирования потока САВАС (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding). Также в стандарте Н.264 используется адаптивный фильтр для уменьшения артефактов блочности (Adaptive Deblocking Filter), который применяется на стадии кодирования и декодирования видео, то есть фильтрация производится для каждого кадра еще до того, как он будет использован для кодирования или декодирования последующих кадров. Этот фильтр позволяет уменьшить присутствие блочных артефактов, характерных для алгоритмов сжатия, использующих дискретное косинусное преобразование. В предыдущих стандартах при оценке компенсации движения использовался только предшествовавший кадр, но Н.264 позволяет для этой цели использовать кадры, находящиеся сколь угодно далеко от обрабатываемого кадра. Для большинства сцен это дает достаточно скромное улучшение в качестве и небольшое уменьшение видеопотока, но в некоторых случаях, например, при быстрых периодических вспышках и мерцании это позволяет значительно уменьшить размер видеопотока. Эти идеи, а также и многие другие привели к тому, что Н.264 значительно более эффективен, чем MPEG-4 ASP. Н.264 обычно работает более эффективно, чем MPEG-2, при меньшем размере видеопотока. Различные тесты и сравнения показали, что стандарт Н.264, по крайней мере, в 2–3 раза более эффективен, по сравнению с MPEG-2 при том же качестве изображения.

Рис. 9.44. Уже начали появляться диски HD DVD емкостью 30 Гбайт

Кроме того, совместная группа JVT заканчивает работы над дополнениями к стандарту, которые получили название FRExt (Fidelity Range Extensions). Эти дополнения позволят стандарту увеличить точность кодирования за счет поддержки 10- и 12-битного кодирования и увеличения цветового разрешения с использованием форматов оцифровки, известных как YUV 4:2:2 и YUV 4:4:4.

Н.264 уже широко используется в сфере видеоконференций, он был предварительно принят как обязательный стандарт для будущих спецификаций DVD, которые также известны как HD-DVD и разрабатываются DVD Forum.

Как и для многих видеостандартов ISO, для Н.264 есть пример реализации, который находится в свободном доступе. Этот пример должен только показать возможности нового стандарта, но не предназначен для практического применения.

Один из лидеров в сфере компьютерной обработки изображений и мультимедийных приложений компания Apple Computer уже включила стандарт Н.264 в новую версию своей операционной системы Mac OS X. Другие разработчики вскоре последуют этому примеру.

Motion Wavelet

Существует немалое количество и других алгоритмов сжатия видеоизображения, которые являются собственными разработками компаний-производителей систем видеонаблюдения. По этой причине эти алгоритмы никак не стандартизированы, и такой работы даже не ведется. Кроме того, подробности реализации разработчики предпочитают не сообщать, так как это является коммерческой информацией. От детального рассмотрения таких алгоритмов на страницах книги мы воздержимся и в качестве примера приведем только один алгоритм сжатия видеоизображения Motion Wavelet, разработанный одной из российских компаний.

Motion Wavelet — алгоритм сжатия видеоизображения, то есть сжатие кадров основано на том, что они образуют видеопоследовательность. Motion Wavelet обрабатывает изменения, которые возникают в очередном кадре по сравнению с предыдущим либо с опорным кадром. Этим он отличается от алгоритмов сжатия изображения (JPEG и Wavelet), в которых применяется покадровое сжатие. Поэтому размер кадра в Motion Wavelet при сопоставимом качестве получается меньше в 5-10 раз. Разница в среднем размере кадра будет зависеть от фона, наличия перемещающихся объектов и от других факторов.

В отличие от многих алгоритмов сжатия видеоизображения (например, алгоритмы MPEG) Motion Wavelet работает не по принципу вычитания кадров и сжатия полученной разницы. Motion Wavelet при анализе последовательности кадров использует детектор движения, который определяет на следующем кадре, какие элементы изображения изменятся, и сжимает только их. Если начинается движение во всем кадре, то будут обрабатываться и сжиматься все кадры полностью, что будет аналогично покадровому сжатию Wavelet. Впрочем, для видеонаблюдения именно сжатие, связанное с движением отдельных фрагментов, играет основную роль.

Обычно в тех алгоритмах, у которых сжатие основано на обработке разности кадров, не допускается изъятие хотя бы одного кадра из видеопотока, иначе он «распадается».

Эта проблема есть в наиболее распространенных реализациях алгоритма MPEG — они не могут адаптироваться к пропускной способности канала (например, при передаче видеоизображения по сети или по модему) и требуют канал фиксированной ширины. При использовании покадровых алгоритмов JPEG и Wavelet сжимается каждый кадр, поэтому здесь такая проблема отсутствует. Motion Wavelet может адаптироваться к каналу, поскольку если из потока, сжатого с его помощью, выкидывать блоки, то кадр потом можно будет восстановить, потому что сжатие очередного кадра по Motion Wavelet не имеет жесткой привязки к предыдущему кадру.

В наиболее распространенных реализациях алгоритма MPEG фиксируется величина сжимаемого потока. Это означает, что чем больше изменений происходит от кадра к кадру, тем хуже качество сжатого видеоизображения. Если в кадре ничего не изменяется, то качество сжатого изображения — отличное, но если объект начал двигаться, качество сжатого видеоизображения падает. Для видеонаблюдения такую ситуацию нельзя считать удовлетворительной, потому что здесь очень важно наблюдение с хорошим качеством именно движущихся объектов. В Motion Wavelet при наличии в кадре какого-либо действия фиксируется качество: если в кадре начинается движение, то увеличивается величина сжатого потока, а качество остается стабильным.

Еще одна проблема, которая возникает при передаче видеоизображения по сети в форматах MPEG, заключается в том, что видеопоток, сжатый с одной скоростью (например, 25 к/с), без дополнительного перекодирования нельзя передавать меньшей скоростью из-за жесткой привязки в последовательности кадров друг к другу. В алгоритмах Wavelet и JPEG нет этой проблемы. Она была решена и в алгоритме Motion Wavelet, который также позволяет при передаче пропускать кадры.

Так как Motion Wavelet для сжатия кадров использует вейвлет-преобразование, то все преимущества этого сжатия сохранились. Благодаря масштабируемости вейвлет-сжатия Motion Wavelet также позволяет из одного видеопотока быстро получать видеопотоки разного разрешения, когда видеопоток с высоким разрешением используется, например, для записи, а для удаленного просмотра используется видеопоток меньшего разрешения. Кроме того, в алгоритмах, использующих дискретное косинусное преобразование, как, например, JPEG и MPEG, возникает эффект блочности, но для Motion Wavelet, как и для любого вейвлет-сжатия, этот эффект нехарактерен.

Пикселы и разрешение

Все алгоритмы компрессии, о которых мы говорили ранее, базируются на одном мельчайшем элементе. Это пиксел, «кирпичик», из которых строится любое цифровое изображение. Этот термин необходимо проанализировать подробнее, так как именно пиксел определяет четкость изображения и детализацию, которую мы увидим.

Рис. 9.45. Пикселы RGB на люминофоре цветного монитора или телевизора с электронно-лучевой трубкой

Пиксел (от англ. Pixel, Picture Element, иногда Pel, т. е. элемент изображения) — это мельчайшая часть электронного (цифрового) изображения. Пикселы — это атомы изображения. Крайне важно понимать, что такое пиксел для цифровой фотографии, но то же самое можно сказать и применительно к видеонаблюдению, особенно после появления цифровых видеорегистраторов. Многие из вас употребляют термин «пиксел» при печати брошюр и каталогов для своей компании, а также при обсуждении характеристик жидкокристаллических дисплеев, но при этом мы совсем необязательно говорим о тех же пикселах, которые применяются в цифровом видео.

Пикселы можно связать с разрешением изображения, но крайне важно понимать различия между пикселами разного рода, поскольку очень часто мы пытаемся распознать мельчай шие детали (например, лицо злоумышленника) на изображении, сжатом с высокой степенью компрессии.

В офсетной печати вместо пикселов говорят точки (dots), но сути дела это не меняет, поскольку эти элементы невозможно разделить на более мелкие и получить при этом дополнительную значащую информацию об изображении, частью которого они являются. Проще говоря, в пикселах содержится элементарная информация о мельчайших деталях изображения, то есть информация о цвете и яркости пиксела. Применительно к телевидению мы говорим в данном случае о цветности (chrominance) и яркости (luminance) элемента изображения. Поскольку при отображении всего разнообразия цветов и теней мы ограничены набором первичных цветов, пикселы состоят из более мелких деталей, которые отражают определенное значение своих первичных цветов. Поэтому пикселы на самом деле не являются мельчайшими элементами изображения, однако только группа всех первичных элементов образует «полный» пиксел.

Рис. 9.46. Расположение пикселов RGB на стандартном телевизионном экране (смещение на половину пиксела по вертикали связано с чересстрочной разверткой)

А одинаковы ли пикселы, которые используются в цифровой фотографии, телевидении и печати? Это очень важный вопрос, которому мы уделим особое внимание. Нет, это пикселы разного рода. И в разнице между ними кроется множество ошибок и неточностей, которые возникают во многих сферах, связанных с обработкой изображения, одной из которых и является видеонаблюдение.

Как известно, в цветном телевидении используют цвета красного, зеленого и синего люминофора, чтобы имитировать все остальные цвета. С помощью трех первичных цветов (RGB) мы можем представить практически любой (почти любой) цвет, воспринимаемый человеческим глазом. При соответствующей интенсивности яркости красного, зеленого и синего люминофора мы также можем отобразить любую яркость пиксела (от белого до черного), в том числе и телесные цвета. На самом деле смешивание цветов происходит уже у нас в глазах, когда мы смотрим на пикселы с нормальной зрительной дистанции, которая настолько велика по сравнению с размером пикселов, что мы воспринимаем три первичные точки как одну точку результирующего цвета, полученную в результате аддитивного смешения цветов красного, зеленого и синего люминофора в пикселе.

Рис. 9.47. Пример иного расположения элементов RGB, из которых состоит пикселы

В аналоговом телевидении, которым большинство из нас до сих пор пользуется, и, конечно же, в видеонаблюдении пикселы в качестве элементарных деталей присутствуют на обоих концах сложной цепи, в результате которой мы получаем изображение: на входе, т. е. в телекамере, и на выходе, т. е. на мониторе. В телекамерах применяются ПЗС-матрицы, у которых мельчайшие элементы — пикселы — состоят из красной, зеленой и синей компоненты. Эти цветовые компоненты пиксела реагируют на красную, зеленую и синюю часть спектра проецируемого изображения, генерируя электроны пропорционально количеству цвета этой цветовой компоненты пиксела проецируемого туда изображения. В трехматричных ПЗС-телекамерах свет разделяется на три цветовые группы светоделительной призмой, а затем каждая световая группа проецируется на соответствующую ПЗС-матрицу. Это означает, что для каждого первичного цвета имеется отдельная ПЗС-матрица. Трехматричные ПЗС-телекамеры дают качественный видеосигнал с прекрасной цветопередачей и высоким разрешением. К сожалению, трехматричные ПЗС-телекамеры редко используются в видеонаблюдении, так как они очень дороги и, как правило, более громоздки, чем их одноматричные аналоги, которые в основном и используются. В цветных одноматричных ПЗС-телекамерах каждый пиксел состоит из трех первичных цветовых элементов (RGB). Справедливости ради нужно отметить, что существуют ПЗС-матрицы, где в качестве первичных цветов используются не красный, зеленый и синий, а голубой, желтый и пурпурный (как основные цвета в печати). Но такие телекамеры очень редко применяются в видеонаблюдении, и поэтому мы не будем рассматривать их как значительный сегмент видеонаблюдения. В противном случае нам было бы необходимо знать, что голубой, желтый и пурпурный преобразуются в самой телекамере при помощи таблиц в красный, зеленый и синий, так как композитный видеосигнал на выходе все равно должен быть представлен значениями RGB. Как видно на схематичной иллюстрации матрицы ПЗС (одноматричной телекамеры) фильтрация цветов RGB происходит в форме мозаики, поэтому этот фильтр называется мозаичным. Следует отметить, что зеленых светочувствительных элементов в два раза больше, чем синих или красных. Это связано с тем, что большая часть яркостной информации лежит в пределах зеленого спектра и человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Именно эти зеленые ячейки сильно влияют на разрешение телекамеры.

Рис. 9.48. Мозаичный фильтр на ПЗС-матрице

Логично было бы предположить, что разрешение в ТВ-линиях цветной одноматричной ПЗС-телекамеры рассчитывается путем деления количества горизонтальных (трехцветных) пикселов на 3/4 (соотношение сторон), на практике оно считается иначе. Учитывая чересстрочную развертку и мозаичное расположение, реальное разрешение цветной одноматричной ПЗС-телекамеры будет порядка 70–80 % от приведенных ранее расчетов. Таким образом, ПЗС-матрица размером 768x582 пиксела будет иметь разрешение приблизительно 768/4x3x0.8=460 ТВ-линий. А цветные трехматричные ПЗС-телекамеры имеют как минимум на 100 ТВ-линий больше только потому, что используются все трехцветные пикселы и отсутствует мозаичный фильтр.

В качестве необходимого отступления от темы мы напомним нашим читателям, что до изобретения ПЗС-телекамер (когда использовались телекамеры с передающими трубками) в связи с тем, что изображение считывается с мишени трубки в результате сканирования непрерывным электронным лучом, не существовало дискретных и конечных мельчайших элементов изображения (как в случае с ПЗС-матрицами).

Дискретные элементы изображения появились только с изобретением цветного телевидения, когда стали изготовлять телевизоры с электронно-лучевыми трубками, в которых использовалась цветоделительная решетка. Именно она разделяла световой поток на красные, зеленые и синие точки.

Когда речь идет о черно-белых телекамерах, мы говорим о разрешении, а не о пикселах, что напрямую связано с мельчайшим электронным лучом, который может сгенерировать телекамера и отобразить монохромный экран. Если вы помните, черно-белые мониторы имели довольно высокое разрешение только потому, что в них не использовались решетки, или сетки, и, соответственно, не было связанных с этим физических ограничений, которые появились позже с изобретением цветного телевидения. Все зависело только от того, насколько точно электронный луч воспроизводит детали, зафиксированные электронным лучом телекамеры. Возвращаясь снова к технологиям современного видеонаблюдения, подчеркнем, что необходимо четко понимать, что разрешение изображения в основном определяется источником, то есть разрешением ПЗС-телекамеры, что зависит от количества пикселов на ПЗС-матрице.

Нам не удастся отобразить на мониторе больше деталей (даже если сам монитор способен на это), чем зафиксировала ПЗС-матрица телекамеры. И, хотя всегда возможно точно определить количество пикселов на ПЗС-матрице, мы по-прежнему пользуемся ТВ-линиями при оценке качества деталей изображения, получаемого от телекамеры. Разрешение в ТВ-линиях измеряется с помощью тестовых таблиц, и в реальности вам вряд ли удастся идеально точно расположить таблицу перед телекамерой, поэтому ТВ-линии показывают несколько меньше деталей, чем получится в результате вышеприведенного попиксельного расчета. Когда видеосигнал отображается на экране монитора, самый маленький элемент изображения определяется либо пикселом ПЗС-телекамеры, либо пикселом монитора. Если у нас монитор с низким разрешением, например, маленький ЭЛТ-монитор с диагональю 23 см и с разрешением 330 ТВ-линий, а наша телекамера способна различать до 480 ТВ-линий, то мы увидим только то, на что способен монитор, то есть 330 ТВ-линий. А если у нас телевизионный монитор, который способен показывать около 700 ТВ-линий, то при той же самой телекамере мы увидим только 480 ТВ-линий.

Чтобы получить полное представление об измерении разрешения, необходимо сказать еще несколько слов о разрешающей способности объектива, которая измеряется в линиях на миллиметр. Есть оптические испытательные таблицы, которые измеряют эту функцию как разрешающую способность объектива в сравнении с контрастом. Это функция передачи модуляции (ФПМ). Тут все немного усложняется, так как ФПМ учитывает только черные линии на белом фоне (в отличие от учета черных и белых линий при измерении разрешения в ТВ-линиях, как мы это делаем в видеонаблюдении).

Рис. 9.49. Разрешение объектива, выраженное в парах линий на миллиметр

Разрешение в точках на дюйм (DPI)

Термин «точки на дюйм» (DPI) широко употребляется в настоящее время. Но под словом «точка» зачастую подразумеваются разные вещи, что и породило путаницу и неправильное толкование (нечто похожее происходит, когда в видеонаблюдении определяют разрешение в линиях и ТВ-линиях). В печати мы выражаем разрешение в точках на дюйм. С учетом того, что дюйм равен 2.54 мм, можно пересчитать в точки на миллиметр, но такие единицы измерения не будут стандартными. Поэтому, когда мы говорим о 300 точках на дюйм, на практике это означает, что на миллиметр приходится более 10 точек. Естественно, это очень маленький размер, и человеческий глаз не в состоянии различить две мельчайшие цветные точки, когда они расположены очень близко при печати с разрешением 300 точек на дюйм. Теоретически для сравнения возможно перевести телевизионное разрешение, которое используется в видеонаблюдении, в точки на дюйм.

Но есть одно большое «но»… В печати смешивание цветов реализуется совершенно иначе, чем при аддитивном смешивании, когда используются основные цвета RGB. В данном случае мы имеем дело с субтрактивным смешиванием, при котором в качестве основных используются голубой, пурпурный и желтый. Для дополнительных темных тонов добавляется черный, хотя теоретически цветов CMY достаточно для отображения всей палитры цветов. Все вы знаете, что такая печать называется CMYK. Таким образом, при печати цветных журналов и книг в основном используется 4 цвета красок. Для получения результирующего цвета в печати мельчайших элементов изображения все элементарные цветовые точки располагаются очень близко друг к другу (схожим образом происходит смешение на телевизионном экране). Основное отличие от телевидения заключается в том, что цветовые точки не располагаются в линию одна за другой (как это в настоящее время происходит на люминофоре большинства электронно-лучевых трубок и на экране жидкокристаллических мониторов). При печати четыре цветовые точки расположены под разными углами: 45 градусов для черного, 75 градусов для пурпурного, 90 градусов для желтого и 105 градусов для голубого. Для печати качественных журналов и брошюр в полиграфии требуется разрешение 300 точек на дюйм. Таким образом, когда мы читаем при нормальном расстоянии для чтения (обычно 50 см), человеческий глаз не различает цветные пикселы, и мы видим уже результат цветового смешения.

Рис. 9.50. К сожалению, по техническим причинам в черно-белом издании мы не сможем проиллюстрировать принципы цветной печати CMYK, но некоторое представление о структуре пикселов вы получите, взглянув на увеличенную область (нижний правый угол) иллюстрации.

Психофизиология восприятия мелких деталей

Многочисленные эксперименты и тесты показали, что человеческий глаз может различить самое большее 5–6 пар линий на миллиметр. Этот показатель подразумевает оптимальное расстояние между глазом и объектом 30 см, то есть, когда мы, например, читаем достаточно мелкий текст. Это дает минимальный угол примерно в 1/60 градуса. Таким образом, это значение 1/60 градуса считается пределом угловой разрешающей способности для нормального зрения. Мы можем использовать угловую разрешающую способность глаза для лучшего понимания того, как человек воспринимает мелкие детали, что позволит нам затем применить наши теоретические познания на практике, в частности, в видеонаблюдении.

При расчете расстояния между человеком и монитором существует простая рекомендация, которая предписывает умножать высоту экрана монитора на семь. Вообще, необходимо понимать, что расстояние до монитора — это крайне важный аспект психофизиологического восприятия деталей в изображении. Человеку, который смотрит в монитор, совершенно не нужно находиться слишком близко к экрану, но и очень далеко от экрана располагаться зрителю тоже не стоит. При стандарте аналогового телевидения PAL с его 576 активными строками, расстояние до экрана монитора для оптимального восприятия деталей изображения рассчитывается исходя из предельного для глаза человека значения 5–6 пар линий на миллиметр, проецируемых на расстояние, где находится экран монитора. Так, если мы используем правило семикратной высоты экрана и возьмем, например, обычный монитор с диагональю 15 дюймов (38 см), у которого высота экрана будет примерно 23 см, то рекомендуемое расстояние до экрана составит примерно 1.6 м. Максимальная разрешающая способность человеческого глаза на этом расстоянии уменьшится примерно в 5 раз по сравнению с тем, что указано на рисунке для дистанции 0.3 м (1.6/0.3=5.33). В то время как на расстоянии 0.3 м глаз человека различает 5–6 пар линий на миллиметр, для 1.6 м разрешающая способность глаза уменьшится уже до 1 пары линий на миллиметр (2 линии на миллиметр, 0.5 миллиметра на 1 линию), что примерно и получится у нас, если мы разделим 576 активных линий на высоту экрана 23 см (2.5 линии на миллиметр). Все эти расчеты подразумевают, конечно, что у нас высококачественный монитор с высоким разрешением. Если мы сильно приблизимся к такому монитору, то мы не увидим никакой дополнительной информации. Если же мы увеличим дистанцию между человеком и экраном монитора, то это тоже не даст никакого положительного эффекта. Когда мы приближаемся к монитору, то эффект будет таким же, как если бы мы заменили этот монитор на другой, но с большей диагональю. Если, допустим, вы замените цветной монитор с диагональю 21 дюйм на другой монитор с диагональю 23 дюйма при том же расстоянии 1.6 м, то качество изображения и мелкие детали будут визуально восприниматься зрителем хуже. Для оптимального восприятия деталей на мониторе с диагональю 21 дюйм расстояние будет уже 2.1 м.

Рис. 9.51. 1/60 градуса считается пределом угловой разрешающей способности человеческого глаза

Такая же логика прослеживается и те же самые вычисления будут справедливы и для компьютерных мониторов высокого разрешения с электронно-лучевой трубкой и размером зерна 0.21 мм. В этом случае оптимальным расстоянием до экрана дисплея будет около 0.6 м. Большинство жидкокристаллических дисплеев не могут похвастать столь малым размером зерна, которое в этом случае обычно составляет 0.28 мм. Поэтому на них удобнее смотреть с расстояния примерно 1 м.

Здесь указаны приблизительные расстояния между зрителем и экраном монитора, которые основываются на пределе угловой разрешающей способности человеческого глаза 1/60°.

При том же расстоянии до экрана визуально будет восприниматься как значительно более качественное изображение от обычного компьютерного дисплея с разрешением XGA (1024x768 пикселов), где реальная разрешающая способность дисплея будет 92 точки на дюйм (dpi). Это значение получается делением 1024 пикселов на ширину 14-дюймового LCD-дисплея ноутбука. Поэтому дисплей компьютера имеет большую площадь (в пикселах), но также и более высокую частоту обновления, чем мы используем в видеонаблюдении. Имейте в виду, что для нормального отображения таких высококачественных изображений на экране компьютер должен иметь хороший видеоадаптер с достаточным количеством видеопамяти, чтобы обрабатывать это количество пикселов (1024x768) с нужным количеством цветов для передачи реальной сцены (глубина цвета 24 бит, что позволяет отображать 16.7 миллионов цветов в цветовой схеме RGB). И еще одно важное замечание: такой дисплей не будет совместимым с видеостандартами PAL или NTSC, так как это компьютерный дисплей XGA. Для отображения вышеупомянутых стандартов потребуется преобразование, которое может быть более или менее успешным в зависимости от алгоритмов и технологии дисплея.

Рис. 9.52. Здесь указаны приблизительные расстояния между зрителем и экраном монитора, которые основываются на пределе угловой разрешающей способности человеческого глаза 1/60 градуса

На печати мы имеем даже более высокое разрешение на миллиметр, чем мы можем получить на любом мониторе. Именно поэтому нам часто кажется, что кадр, распечатанный на качественной фотобумаге с использованием принтера высокого разрешения, визуально выглядит значительно лучше, чем тот же кадр на обычном мониторе, используемом в видеонаблюдении. В основном это связано с тем, что когда мы смотрим на монитор, то располагаемся от него несколько дальше, чем при чтении этой книги.

Итак, давайте представим, что изображение от телекамеры высокого разрешения отображается на качественном видеомониторе, у которого в спецификациях указана горизонтальная разрешающая способность около 500 ТВ-линий. Если у данного монитора диагональ экрана, например, 38 см (15 дюймов) то это означает, что он способен отображать примерно 666 вертикальных линий по 30-сантиметровой ширине экрана (30 см = 11.8 дюйма). Если 666 линий мы поделим на 11.8 дюйма, то получим разрешение равное 56 точек на дюйм (56 dpi)!

Это практически самое высокое разрешение, которое мы можем получить при отображении аналогового видеосигнала, и оно определяется самим видеостандартом (PAL/NTSC).

Чтобы качественно распечатать телевизионный кадр, соответствующий стандарту ITU-601, на струйном принтере, нам также необходимо знать основы технологии струйной печати. Это нам позволит выбрать нужное качество печати на принтере. Как и следовало ожидать, размер кадра на печати и его разрешение мы легко сможем рассчитать, так как мы знаем разрешение нашего принтера. Пусть это будет 1440 точек на дюйм. Впрочем, следует предостеречь нашего читателя от желания принимать на веру все технические характеристики, указанные в инструкциях к подобным устройствам. Эти значения не всегда соответствуют действительности и нашим ожиданиям. Те точки на дюйм, которые указаны в технических характеристиках вашего принтера (например, 720 или 1440 dpi), обозначают мельчайшие точки, которые могут быть отпечатаны одним соплом (голубого, пурпурного, желтого или черного цвета) печатающей головки струйного принтера. Ситуацию еще более запутывает тот факт, что это не те же самые точки на дюйм, к которым мы привыкли, когда речь идет о полиграфической печати. «Натуральные» цвета струйной печати получаются в результате процесса псевдосмешения цветов (точечных растров) для создания плавных переходов на цветном изображении, что представляет собой распыление краски и смешивание полученных точек различных размеров, чтобы получить результирующий цвет. На самом деле цветные струйные принтеры представляют собой бинарные устройства, в которых синие, пурпурные, желтые и черные точки находятся в состоянии «включено» (печатать) или «выключено» (не печатать) без каких-либо промежуточных состояний. Такой подход концептуально отличается от подхода, использованного в электронно-лучевых трубках мониторов, где люминофор может светиться с различной яркостью.

«Бинарный» струйный принтер, работающий в цветовой системе CMYK, может печатать только 5 «чистых» цветов: голубой, пурпурный, черный и желтый, а также и белый. При этом белый цвет — это всего лишь фоновый цвет бумаги (предполагается, что она действительно белая), но он также используется при формировании цветов. Очевидно, что такая цветовая палитра не может использоваться для качественной цветной печати. Впрочем, то же самое касается новых струйных фотопринтеров, у которых используется два дополнительных цвета (светло-синий и светло-пурпурный) для более естественной передачи оттенков кожи человека. Поэтому здесь в дело вступают алгоритмы формирования полутонов (half toning), которые делят все разрешение принтера на ячейки полутонов и затем варьируют количество точек в этих ячейках, чтобы имитировать переменный размер точек. Аккуратно сочетая ячейки, которые содержат различные пропорции точек в цветовой системе CMYK, струйный полутоновый принтер способен обмануть человеческий глаз, заставив его увидеть палитру из миллионов цветов, вместо нескольких основных.

Есть одно очень простое правило, позволяющее нам вычислить нужные значения. Многие профессионалы цифровой обработки изображения, такие, как специалисты компании Adobe, предлагают делить разрешение, указанное в спецификациях струйного принтера на 4, чтобы получить реальное разрешение. На практике это означает, что струйный принтер с разрешением 720 точек на дюйм может передавать 180 цветных точек на дюйм. Для того чтобы получить самое высокое разрешение, нужно использовать соответствующую фотобумагу, которую рекомендует компания-производитель струйного принтера.

Здесь следует сделать еще одно важное замечание. Когда мы экспортируем оцифрованное сжатое изображение, чтобы использовать его в качестве доказательства (для правоохранительных органов, в суде), то необходимо иметь это изображение в исходном формате или хотя бы экспортировать его в растровый формат BMP, который не вносит дополнительных артефактов компрессии. Когда мы сравниваем различные алгоритмы компрессии, то наиболее объективно мы поступим, сравнивая изображения, распечатанные на фотобумаге с использованием одного и того же высококачественного струйного принтера. Также мы можем сравнивать их на экране, но они должны быть предварительно экспортированы в формат BMP.

Рис. 9.53. В настоящее время высококачественные цветные принтеры достаточно дешевы и должны присутствовать в любой системе видеонаблюдения

Распознавание лиц и автомобильных номеров

Одним из наиболее частых требований к системам видеонаблюдения является возможность узнать человека, определить нарушителя или, например, группу людей, совершающих противоправные действия.

Вторым по значимости требованием является возможность распознавать автомобильные номера.

Конечно, телекамеры и цифровые видеорегистраторы могут применяться не только в сфере видеонаблюдения, но поскольку это все же наиболее типичный случай применения, то мы остановимся подробнее на требованиях, которые предъявляются к проектированию и установке системы видеонаблюдения для обеспечения успешного распознавания лиц и автомобильных номеров.

Основная проблема, с которой мы здесь сталкиваемся, связана с очень ограниченным числом пикселов в телекамерах, применяемых в видеонаблюдении, и в самой рекомендации ITU-601. Как уже было упомянуто в начале главы, число это составляет примерно 400 000 пикселов, поэтому в большинстве случаев мы будем использовать одну и ту же хитрость, которая заключается в подборе правильного места и объектива для телекамеры, чтобы она смогла увидеть достаточно деталей для распознавания людей и автомобильных номеров. Обычно заказчики системы видеонаблюдения склонны полагать, что с помощью одной телекамеры можно охранять все, видеть все и распознавать все. Эту тему уже неоднократно обсуждали, но она попрежнему является камнем преткновения при подготовке разных проектов. Когда мы все работаем исходя из очень ограниченной сметы (а бюджет всегда будет очень важным соображением при проектировании), то прослеживается очевидная тенденция закладывать в проект минимально возможное количество телекамер. Тем не менее, когда что-то случилось и потребовалось кого-то опознать по записи, то в первую очередь виноватым может оказаться проектировщик системы видеонаблюдения, что с ее помощью невозможно распознать лицо человека или номер машины, даже если они попали в поле зрения телекамеры.

Вот простой совет: не идите на компромисс, а займитесь образованием ваших клиентов. Только так они смогут понять, зачем потребовались дополнительные телекамеры. Например, если нужно, установите две телекамеры для наблюдения за входом в фойе. Одна будет выполнять функцию обзорной, другая (с меньшим углом зрения) будет четко фиксировать лица всех входящих в фойе людей. Сначала это может показаться избыточным, но как только будет опознан и задержан первый злоумышленник, система видеонаблюдения докажет свое право на существование. Именно для этого и устанавливают системы видеонаблюдения.

Как подобрать объектив с нужным углом обзора для успешного распознавания, мы уже давно знаем из опыта проектирования аналоговых систем видеонаблюдения, и это не является чем-то фантастическим. Здесь же мы лишь подчеркнем тот факт, что при оцифровке видео будет иметь место некоторая потеря качества изображения, которую необходимо учитывать при проектировании системы.

На самом деле существуют различные национальные стандарты по видеонаблюдению, которые определяют, при каких условиях будет возможно распознавание лиц и автомобильных номеров. Для разных стран эти стандарты совершенно необязательно будут идентичны, поэтому мы воспользуемся австралийскими стандартами по видеонаблюдению, которые наиболее близки автору этой книги. Они должны дать вам достаточно информации для применения их рекомендаций на практике и, возможно, они также дадут вам пищу для дальнейших размышлений.

При записи оцифрованного изображения рекомендуется использовать полный кадр и самое высокое качество (т. е. 704x576 пикселов, что эквивалентно 720x576 пикселов из рекомендаций ITU). По возможности для повышения вертикального разрешения используйте при записи полные телевизионные кадры, а не телевизионные поля, хотя приведенные ниже рекомендации вполне применимы и при записи полями. Если в качестве объекта наблюдения мы берем человека, а установленная система видеонаблюдения имеет разрешение не менее 400 ТВ-линий (большинство из них будут иметь около 460 ТВ-линий), то рекомендованы следующие минимальные размеры объекта:

— Для идентификации человека (незнакомого) он 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.

— Для распознавания человека (знакомого) 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.

— Для обнаружения нарушителя 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.

— Для наблюдения за толпой 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.

— Для визуального распознавания автомобильных номеров нужно, чтобы высота символов номерной пластины была не менее 5 % высоты экрана. Если используется оцифрованное изображение, то высота символов должна составлять не менее 30 пикселов, прежде чем будет применен алгоритм сжатия изображения.

На испытательной таблице CCTV Labs имеются элементы, которые позволяют проверить соответствие вашей системы видеонаблюдения приведенным выше рекомендациям.

Рис. 9.54. Минимальные размеры объектов относительно вертикали экрана для идентификации и распознавания

Операционные системы и жесткие диски

Для того чтобы компьютер мог работать, ему требуется соответствующее аппаратное обеспечение и такое программное обеспечение, которое сможет «понимать» все устройства компьютера. При загрузке компьютера мы в первую очередь видим различные таблицы BIOS (Basic Input/Output System, базовая система ввода/вывода), в которых указаны его аппаратная конфигурация, жесткие диски, видеоадаптеры, клавиатура, мышь, последовательные и параллельные порты и т. д.

После того как BIOS определит аппаратную конфигурацию компьютера, он обращается к специальной секции жесткого диска, которая называется загрузочной областью, где ищет операционную систему.

Операционная система (ОС) — это программное обеспечение, которое обычно находится на жестком диске, и, после того как оно загружено в память компьютера, предоставляет пользователю графический интерфейс и позволяет взаимодействовать всем компонентам компьютера, загружая для них драйверы.

Также ОС позволяет вводить и исполнять команды в том виде, как они определены пользователем или программой. Само название «операционная система» говорит о ее предназначении, в ее среде работают все приложения и специализированные программы, такие, как процессоры таблиц, графические и текстовые редакторы.

Многие цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении построены на базе компьютера и используют одну из нескольких популярных ОС, а функция видеозаписи в них реализована за счет специализированной программы и плат видеоввода. В цифровых видеорегистраторах на базе ПК чаще всего используются такие ОС, как Windows и Linux. Существуют и другие ОС, как, например, Unix, Solaris и Mac OSX, но они не нашли применения в видеонаблюдении, поэтому в рамках книги они не рассматриваются.

Некоторые цифровые видеорегистраторы загружают ОС не с жесткого диска, а из микросхемы памяти (обычно, флэш-память или энергонезависимая память EPROM). Иногда вы увидите, что производители цифровых видеорегистраторов будут писать в технических характеристиках, что в их устройствах используется такие ОС, как Real Time Operating System (RTOS) или встраиваемые ОС (Embedded OS). Цифровые видеорегистраторы со встраиваемыми ОС несколько проще в эксплуатации. Встраиваемые ОС меньше по размеру и быстрее загружаются. Если в цифровом видеорегистраторе используется обычная ОС, то в случае сбоя жесткого диска ее придется устанавливать заново. Этого не придется делать в случае со встраиваемыми ОС, так как небольшой размер позволяет хранить их в микросхеме энергонезависимой памяти, что повышает общую надежность. Впрочем, у таких цифровых видеорегистраторов есть одно серьезное ограничение, встраиваемые ОС сложнее обновлять, и они не столь гибкие, как ОС, загружаемые с жесткого диска.

В индустрии безопасности требования, предъявляемые к стабильности ОС, всегда были очень высоки. Требования же к долгосрочному и бесперебойному функционированию оборудования в видеонаблюдении иногда еще выше, чем требования, предъявляемые к веб-серверу с большим количеством посетителей, и всегда выше, чем требования, предъявляемые к офисному или домашнему компьютеру.

Веб-сервер еще можно отключить на несколько минут или даже часов для технического обслуживания, но в видеонаблюдении цифровой видеорегистратор должен работать непрерывно в течение многих месяцев, а возможно, и лет. А это очень непростая задача. Интенсивность записи и считывания информации с жесткого диска у цифрового видеорегистратора значительно выше, чем, например, у веб-сервера, так как потоки видеоинформации значительно больше, чем потоки информации с веб-страниц или электронной почты. Не все операционные системы и даже не все компьютерные комплектующие пригодны для длительного бесперебойного функционирования. Одной из причин, по которой большинство веб-серверов в Интернете работают под управлением Linux, является долгосрочная стабильность этой ОС. Конечно, нельзя сказать, что популярные и широко распространенные ОС семейства Windows совершенно непригодны для нашей цели, но читатель должен знать, что, по статистике, идентичные конфигурации компьютеров на базе процессоров Intel (а таких процессоров большинство на рынке ПК), работают быстрее под управлением Linux, нежели чем под управлением Windows.

Linux — еще сравнительно молодая операционная система, созданная финским студентом по имени Линус Торвальд. Эта ОС была разработана на основе Unix, одной из старейших и надежнейших ОС, которая, к сожалению, под лицензией. Своим успехом и столь быстрым развитием Linux обязан концепции открытого кода, то есть исходный код операционной системы бесплатно доступен каждому в рамках Стандартной Общественной Лицензии GNU. Когда появилась первая версия Linux и стала доступной всем бесплатно, единственное требование автора этой ОС заключалось в том, что каждое усовершенствование системы или новый драйвер, разработанные другими людьми, должны быть доступны каждому.

Тысячи разработчиков программного обеспечения, студентов и энтузиастов единодушно приняли идею открытого кода ОС. Именно поэтому Linux со временем становится все более популярным и все время совершенствуется, а, кроме того, для этой ОС выходит все больше разнообразных приложений, и постоянно расширяется список поддерживаемого оборудования. Стабильность Linux — это всего лишь черта, унаследованная от концепции Unix, но и она постоянно повышается с выходом новых версий ядра и файловых систем. Существует большое количество вариантов Linux, которые называются дистрибутивами, но используют одно и тоже ядро (kernel, которое и является настоящим ядром операционной системы).

Однако, каждый дистрибутив имеет различный набор из дополнений, программ, инструментов и графических оболочек, которые поставляются бесплатно.

Когда Linux используется в цифровом видеорегистраторе, то это выгодно не только с позиций сиюминутной коммерческой выгоды, но и с позиции долгосрочных вложений, так как и в будущем вам не потребуется платить какие-либо лицензионные отчисления за ОС. Если в цифровом видеорегистраторе выйдет из строя системный жесткий диск (а это может произойти с любым жестким диском независимо от используемой ОС), то установка новой версии Linux не потребует от вас никаких платежей и многократного ввода серийных номеров с регистрации в Интернете, как это бывает в случае с Windows.

Некоторые производители цифровых видеорегистраторов используют версии Windows, которые были доработаны и адаптированы с учетом их специфических требований. Эти версии будут значительно стабильнее и надежнее стандартной версии Windows от Microsoft.

Существует мнение, что встраиваемые ОС еще более надежны и стабильны, так как они хранятся в энергонезависимой памяти и им не страшны сбои жесткого диска.

В случае сбоя жесткого диска или электропитания цифровой видеорегистратор со встраиваемой ОС быстро перезагрузится и продолжит запись. ОС переустанавливать не нужно даже в том случае, если жесткий диск полностью выйдет из строя, а потребуется только его заменить. Для некоторых это будет оптимальным решением. Впрочем, у него существует и ряд ограничений: в таких цифровых видеорегистраторах сложно обновлять ОС и драйверы, а потому возникают сложности с подключением новых устройств. Кроме того, здесь будет отсутствовать ряд не основных, но полезных функций. Обычно цифровые видеорегистраторы с полностью установленной ОС (Windows или Linux) имеют значительно больше различных функций и программ, так как они не ограничены размером флэш-памяти. Встраиваемые ОС из-за размеров флэш-памяти имеют ограниченную функциональность.

Рис. 9.55. В настоящее время можно насчитать не менее пары сотен моделей цифровых видеорегистраторов, которые используются в системах видеонаблюдения

Современные ПК с полным набором программ потребуют от 2 до 5 гигабайт жесткого диска. Здесь учитывается не только размер установленной ОС, но и все необходимые приложения, такие, как процессоры таблиц, текстовые и графические редакторы, веб-броузеры и другое необходимое для работы ПО. Кроме того, значительный объем будет занимать информация, созданная пользователем, а ее объем будет во многом зависеть от того, работаете ли вы только с текстовыми файлами или с текстом и изображениями или даже с видео.

Цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении, являются своего рода исключением из этого правила, так как они будут использовать максимально доступный объем жесткого диска.

Сейчас уже доступны жесткие диски емкостью 300 Гбайт, что позволяет нарастить суммарный объем внутренних жестких дисков для одного цифрового видеорегистратора свыше 1 Тбайт, используя 4 таких диска.

Некоторые крупномасштабные системы могут включать в себя даже внешние SCSI или RAID-массивы. Типичный цифровой видеорегистратор, который мы применяем в видеонаблюдении, будет работать постоянно, днем и ночью, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, без выключения и перезагрузки (в идеальном случае). Сами цифровые видеорегистраторы бесспорно являются симбиозом программного обеспечения и жестких дисков. Если одно или другое даст сбой, то мы получим нефункционирующий цифровой видеорегистратор и потерю важных записей.

Рис. 9.56. Одно из самых важных электромеханических устройств цифрового видеорегистратора

Необходимость более полного понимания технологии жестких дисков и их ограничений сейчас особенно остро чувствуется в видеонаблюдении. Даже самая стабильная ОС будет зависеть от надежности аппаратного обеспечения. Если оно выйдет из строя, то ОС тоже не будет функционировать, даже если с технической точки зрения сбой произошел не по вине ОС. В любом компьютере самыми уязвимыми с точки зрения надежности являются движущиеся детали, а именно охлаждающие вентиляторы и вращающиеся жесткие диски. Эти компоненты компьютера чаще всего выходят из строя по причине износа и стирания, а также от повышенной температуры, пыли, влажности, ударов и тряски. Некоторые из этих проблем успешно решаются только некоторыми производителями цифровых видеорегистраторов. К сожалению, приходится констатировать тот факт, что к моменту написания этой книги большинство производителей цифровых видеорегистраторов даже не рассматривают этих проблем. И только очень немногие производители, движимые конкуренцией на рынке, готовы затратить больше усилий и средств, используя более качественное аппаратное обеспечение и закладывая на стадиях разработки и производства способы и средства его защиты. В большинстве же случаев все будет зависеть от поставщиков и инсталляторов и от того, как они сумеют объяснить заказчикам важность создания, поддержания постоянных комфортных условий для функционирования оборудования, которое должно находиться в чистых и хорошо кондиционируемых помещениях.

Жесткие диски — это самая важная часть цифрового видеорегистратора, которая имеет движущиеся части (вращающиеся диски). В первую очередь жесткие диски важны потому, что на них хранится записанная информация, поэтому в этой главе мы уделим им особое внимание.

Анализ всех особенностей различных ОС, которые в настоящее время используются в цифровых видеорегистраторах, далеко выходит за рамки нашей книги, но мы остановимся на файловых системах, которые используются в различных ОС для хранения информации (в том числе файлов с видеоизображением) на жестких дисках.

Жесткие диски

Жесткие диски являются очень важной частью любого современного компьютерного устройства, к числу которых относятся и цифровые видеорегистраторы, используемые в видеонаблюдении. Следовательно, необходимо понимать принципы их работы, основные технические характеристики и знать об ограничениях, накладываемых технологией. Жесткий диск или накопитель на жестких магнитных дисках (это полное название) предназначен для долговременного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ, RAM), которая теряет всю информацию после выключения питания компьютера, жесткий диск хранит информацию постоянно, что позволяет сохранять на нем программы, файлы и другую нужную информацию. Кроме того, жесткие диски имеют значительно больший объем, чем оперативная память. Сейчас на одном жестком диске уже может храниться около 400 Гбайт информации.

Жесткий диск состоит из 4 основных элементов: пластинки, шпиндель, считывающие/записывающие головки и интегрированная электроника. Пластинки представляют собой твердые диски из металла или пластика, обе стороны которого покрыты тонким слоем оксида железа или другого намагничиваемого материала. Эти пластинки надеты на центральную ось или шпиндель, который вращает все пластинки с одинаковой скоростью. Считывающие/записывающие головки закреплены на специальных держателях по обе стороны каждого диска и могут перемещаться от центра до края пластинки. Это движение в сочетании с высокой скоростью вращения пластинок, позволяет головкам получить доступ ко всем областям пластинок. Интегрированная электроника позволяет переводить команды, поступающие от компьютера, и позиционировать головки в соответствующие области пластинок, осуществляя процесс считывания и записи нужной информации.

Компьютеры записывают данные на жесткие диски в виде последовательности двоичных битов. Каждый записанный на жестком диске бит закодирован ориентацией частиц оксидного слоя пластинки. При записи данных компьютер посылает серию битов на жесткий диск. Когда диск принимает эту последовательность, то он использует записывающую головку, чтобы намагнитить соответствующие области оксидного слоя пластинки и таким образом осуществляет запись. Биты не обязательно хранятся в той последовательности, в какой они были отправлены на жесткий диск. Например, данные одного файла могут быть записаны в разных областях и на разных пластинках жесткого диска, а когда компьютер требует информацию, записанную на жестком диске, головки жесткого диска будут спозиционированы на все нужные участки пластинки. В процессе считывания информации головки жесткого диска определяют ориентацию элементов оксидного слоя на пластинке, затем эта информация декодируется и пересылается компьютеру. Считывающие/записывающие головки жесткого диска могут получить доступ к любому участку пластинок в любое время, что позволяет считывать и записывать данные произвольно, а не последовательно, как в случае с магнитной лентой. Поскольку жесткие диски характеризуются произвольным доступом, они могут считать или записать информацию в течение нескольких миллисекунд.

Рис. 9.57. Основные механические детали жесткого диска

Для того чтобы операционная система компьютера «знала», где искать нужную информацию на жестком диске, он разбивается на отдельные области, что позволяет компьютеру легко и быстро найти нужные последовательности битов.

Такой способ разметки жесткого диска называется форматированием. Форматирование подготавливает жесткий диск к записи файлов таким образом, что нужная информация может быть быстро считана, когда это потребуется.

Прежде чем можно будет использовать новый жесткий диск, его необходимо отформатировать. Форматирование — это метод организации записанной на диск информации, зависящий от операционной системы.

Существует два вида форматирования жестких дисков: низкоуровневое и высокоуровневое. Низкоуровневое форматирование осуществляется прежде, чем высокоуровневое.

Рис. 9.58. Два основных формата жестких дисков: жесткие диски 3.5" используются в настольных компьютерах, а жесткие диски 2.5" применяются в ноутбуках

Форматирование осуществляется разметкой поверхности на секторы, кластеры (группа секторов) и дорожки в соответствии с используемой операционной системой. Дорожки представляют собой окружности, отмеченные на каждой стороне пластинки (такие же дорожки можно видеть на виниловой пластинке или компакт-диске). Дорожки отличаются номерами. Их нумерация начинается с нулевой дорожки, расположенной ближе других к внешнему краю пластинки. Дорожки разделяются на меньшие участки — секторы, используемые для хранения фиксированных объемов данных. Секторы обычно форматируются таким образом, что содержат 512 байтов данных (1 байт состоит из 8 бит). Цилиндр состоит из набора дорожек, которые находятся на одном и том же расстоянии от шпинделя на всех сторонах магнитных пластинок. Например, третья дорожка на каждой стороне у каждой магнитной пластинки находится на одном и том же расстоянии от шпинделя. Если представить, что эти дорожки вертикально соединены, то мы получим форму цилиндра. Программное и аппаратное обеспечение компьютера очень часто работает, используя цилиндры. Когда данные организованы на жестком диске цилиндрами, к ним можно быстро получить доступ без многократного позиционирования головок жесткого диска. Поскольку позиционирование головок производится достаточно медленно по сравнению со скоростью вращения магнитных пластинок и переключением между головками, запись цилиндрами значительно сокращает время доступа к информации на жестком диске.

Рис. 9.59. Цилиндры формируются из дорожек на обеих сторонах магнитных пластинок

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, магнитные свойства покрытия пластинки с течением времени постепенно ухудшаются. Со временем головкам жесткого диска становится все труднее считывать и записывать информацию в секторы магнитной пластинки. Секторы, которые стали непригодны для хранения данных, называют дефектными (bad sectors). К счастью, качество современных жестких дисков таково, что дефектные секторы на них встречаются относительно редко. Более того, современные компьютеры умеют определять, когда сектор испортился и отмечать его как дефектный. После этого сектор больше не будет использоваться для хранения данных, а вместо него будет выбран другой сектор из резервной области.

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, требуется произвести высокоуровневое форматирование, которое помещает на диск файловую систему, что позволяет операционной системе, такой, как Windows или Linux, использовать доступное пространство для хранения файлов.

Различные операционные системы используют разные файловые системы, поэтому высокоуровневое форматирование определяется используемой операционной системой.

Рис. 9.60. Разбивка жесткого диска на разделы (партиции)

Если мы форматируем весь жесткий диск только под одну файловую систему, то это автоматически ограничивает количество и типы операционных систем, которые могут быть установлены на него. Но если мы разбиваем диск на несколько разделов (партиций), то каждый из разделов может быть отформатирован под разные файловые системы, что позволит установить на один жесткий диск несколько разных операционных систем. Кроме того, разбивка жесткого диска на разделы позволяет использовать дисковое пространство более эффективно.

Для того чтобы считывать или записывать данные, головка жесткого диска должна быть позиционирована над нужной дорожкой вращающейся магнитной пластинки. Те значения времени поиска (seek time), которые указывают производители жестких дисков, обычно учитывает еще и время, нужное для того, чтобы магнитная головка перестала вибрировать после перемещения (время стабилизации, settling time).

Затем учитывается время, которое потребуется, чтобы нужный сектор оказался под магнитной головкой (задержка вращения, rotational latency). Современные диски используют позиционирование с ускорением, это означает что, получив команду сменить дорожку, магнитная головка начинает ускоряться до тех пор, пока она не пройдет половину пути до искомой дорожки, затем до подхода к нужной дорожке происходит замедление. Поэтому среднее время поиска всего лишь в несколько раз больше минимального времени поиска. Максимальное время поиска обычно примерно в два раза больше среднего времени поиска, поскольку головка достигает максимальной скорости перемещения, прежде чем дойдет до средней дорожки. Минимальное время поиска дорожки — это время, которое тратится на перемещение головки на соседнюю дорожку. При чтении больших блоков информации, как, например, при считывании архивных записей нашим цифровым видеорегистратором, именно этот параметр будет определять производительность жесткого диска. Среднее время доступа более важно при произвольном считывании небольших объемов информации (например, при перемещении по дереву директорий).

Время доступа складывается из времени переключения между головками, времени поиска нужной дорожки, задержки вращения и времени считывания сектора. Большее количество головок сокращает время, уходящее на механическое позиционирование на новую дорожку. При повышении скорости вращения увеличивается максимальная скорость передачи данных и сокращается задержка вращения, которая представляет собой дополнительное время ожидания появления нужного сектора под магнитной головкой. Приведенная таблица показывает различия между жесткими дисками с разной скоростью вращения и максимальную скорость передачи данных (на этом мы остановимся чуть позже), которая является самым важным параметром, отвечающим за то, какой максимальный объем информации мы можем записать на жесткий диск за единицу времени.

(Задержка вращения в данном случае рассчитывалась следующим образом. Например, для 7200 об/мин скорость вращения (7200) делится на 60 секунд = 120 об/сек и берется обратное значение, но это будет максимальная задержка вращения… Когда же говорят об этом параметре, то очень часто подразумевается среднее значение. Так как время ожидания случайного сектора будет иметь равномерное распределение, то средняя задержка вращения будет равна половине максимальной. Прим. ред.)

* Высокая скорость вращения требует дополнительного охлаждения жесткого диска

Для каждого жесткого диска определена скорость вращения, которая выражается в оборотах в минуту (revolutions per minute, rpm, об/мин). Этот параметр, кстати, дает очень хорошее представление о производительности жесткого диска. Жесткие диски для настольных ПК обычно имеют 5400 об/мин или 7200 об/мин. При этом жесткие диски с 7200 об/мин работают на 10 % быстрее дисков с 5400 об/мин, но они и дороже на 10–30 %. Старшие серии моделей жестких дисков, которые имеют 10,000 об/мин или 15,000 об/мин, позволяют добиться лишь незначительного прироста в производительности, а их стоимость будет отличаться значительно и в большую сторону, так как в большинстве случаев они имеют SCSI-интерфейс и функции для повышения надежности. Кроме того, высокая скорость вращения шпинделя жесткого диска требует большего энергопотребления, что приводит к большему нагреву жестких дисков. Охлаждение очень важно для всех жестких дисков, но особенно важно оно именно для дисков с высокой скоростью вращения. Таким образом, для обычного цифрового видеорегистратора жесткие диски со скоростью вращения 5400 или 7200 об/мин будут вполне приемлемы и окажутся удачным компромиссом между достаточной скоростью и разумной стоимостью.

Если два жестких диска имеют одинаковую скорость вращения шпинделя, то предпочтительнее окажется тот из них, у которого время поиска меньше. Разница во времени поиска, которая варьируется от 3.9 миллисекунды для сверхбыстрых жестких дисков со SCSI-интерфейсом до 12 миллисекунд у более медленных дисков с IDE-интерфейсом, может быть заметна при работе с большими базами данных, когда головки жесткого диска «бегают» по всем дорожкам, но это также будет заметно при поиске архивных записей в цифровом видеорегистраторе по событиям или по времени записи.

Рис. 9.61. Расположение загрузочных областей

Кэш-память (cache) — это еще один параметр, который характеризует жесткий диск. Он обозначает объем внутренней памяти жесткого диска. Предназначенная для того чтобы сократить количество обращений к жесткому диску, кэш-память содержит комбинацию часто запрашиваемой и недавно запрошенной с диска информации. Большой объем кэш-памяти в целом позволяет повысить производительность жесткого диска, когда к нему одновременно обращаются несколько пользователей. Хотя незначительная разница в объеме кэш-памяти не имеет большого значения для производительности, малый объем кэш-памяти говорит о том, что мы столкнулись со старым и медленным жестким диском. Операционные системы стараются повысить общую производительность, сокращая избыточную активность жесткого диска. Для этого наиболее часто используемые данные помещаются в оперативную память, что сильно сокращает количество обращений к жесткому диску. Запись новых данных тоже может производиться с задержкой, в более удобное для этого время. Существуют и другие способы сокращения обращений к жесткому диску. Например, при буферизации дорожки жесткого диска, при задержке вращения считываются все сектора этой дорожки в ожидании появления нужного сектора под магнитной головкой, так как с большой долей вероятности они потребуются сразу после чтения нужного сектора. В современных жестких дисках буферизацией дорожек занимается кэш-память встроенного контроллера диска.

Современные жесткие диски имеют кэшпамять объемом от 2 до 4 Мбайт для буферизации дорожек, что убирает задержку вращения. Некоторые жесткие диски высокого класса имеют 8 или даже 16 Мбайт кэш-памяти. Впрочем, скорость вращения по-прежнему ограничивает максимальную скорость передачи данных.

Рис. 9.62. Жесткие диски большого объема обычно имеют несколько головок и пластинок

Несмотря на «умную» электронику, которая позволяет повысить производительность жестких дисков, в первую очередь она определяется именно механическими характеристиками накопителя. По этой причине факторы, влияющие на производительность механических частей жесткого диска, также будут влиять на его надежность и срок службы. Высокая температура, пыль, влажность, сотрясения, вибрации могут послужить причиной поломки жесткого диска. Наиболее частыми причинами сбоев жесткого диска, с которыми мы сталкиваемся на практике в видеонаблюдении, являются перегревы и пыль.

Не будет преувеличением, если мы скажем, что жесткие диски в некоторых цифровых видеорегистраторах эксплуатируются более интенсивно, чем жесткие диски во многих интернет-серверах. К сожалению, культуре обращения с оборудованием у пользователей цифровых видеорегистраторов далеко до пользователей, устанавливающих корпоративные серверы и интернет-серверы. С цифровыми видеорегистраторами очень часто обращаются так, словно стремятся от них поскорее избавиться, устанавливая их в помещениях с минимальной вентиляцией, где много пыли и высокая влажность. При проектировании систем видеонаблюдения мы всегда должны настаивать, чтобы с жесткими дисками обращались, как если бы они были установлены в корпоративном сервере.

Рис. 9.63. Один из немногих производителей, который заботится о жестких дисках в цифровых видеорегистратораях. Для этого устанавливаются воздушные фильтры и датчики мониторинга вентиляторов, внешней и внутренней температуры

В современной конкурентной гонке производители цифровых видеорегистраторов стараются достичь более высоких скоростей записи и более высокого уровня компрессии при том же качестве, что и у их конкурентов. Но только очень немногие уделяют должное внимание условиям эксплуатации своей продукции и улучшают их за счет установки фильтров воздуха, температурных датчиков и датчиков скорости вращения внутренних вентиляторов. Все это вместе с использованием стабильной операционной системы увеличивает срок службы цифровых видеорегистраторов. Кроме того, будет очень мало пользы от самой высокой скорости записи и самого лучшего и быстрого алгоритма сжатия, если полученные кадры мы не можем записать на рабочий жесткий диск.

Существует несколько разных стандартов интерфейсов, которые позволяют вести обмен данными между компьютером и жесткими дисками. Сейчас применяются такие интерфейсы, как ATA, SCSI, RAID и SATA. Их мы подробнее рассмотрим далее в книге. Каждый интерфейс имеет свои преимущества и недостатки, но производительность в первую очередь зависит от самого жесткого диска, а не от его интерфейса. Внутренняя скорость передачи данных (sustained transfer rate или internal transfer rate) жесткого диска определяет и то, сколько телекамер и с какой скоростью мы сможем записывать на наш цифровой видеорегистратор. Внутренняя скорость передачи данных, которая в современных жестких дисках варьируется в пределах 14–60 Мбайт/с, показывает то, с какой скоростью можно считывать данные в кэш-память с внешней (то есть самой дальней от шпинделя) дорожки жесткого диска. В целом, она определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда кэш-память не используется или не влияет на быстродействие (например, при считывании очень больших файлов, таких, как архивные записи цифрового видеорегистратора). Внутренняя скорость передачи данных очень сильно зависит от скорости вращения шпинделя, и, разумеется, она всегда будет ниже внешней скорости передачи данных (external data transfer rate или burst data transfer rate), которая показывает, с какой скоростью происходит обмен данными между кэш-памятью жесткого диска и оперативной памятью компьютера. Внутренняя скорость передачи данных является важным параметром для жестких дисков цифрового видеорегистратора, и от него зависит скорость записи и воспроизведения. Впрочем, производительность цифрового видеорегистратора зависит от многих других параметров, таких, как операционная система, центральный процессор, скорость сжатия изображений, размер видеопотоков и т. д., но если жесткий диск не справляется с потоками информации, то и скорость записи цифрового видеорегистратора тоже окажется значительно ниже теоретического максимума.

А теперь рассмотрим эту проблему в практической плоскости на конкретном примере. Предположим, что мы достаточно «консервативны» в выборе оборудования и у нас имеется не очень быстрый жесткий диск, внутренняя скорость передачи данных которого составляет только 14 Мбайт/с. Если нам привычнее считать в мегабитах в секунду, то данное значение нужно умножить на 8, что даст нам скорость передачи данных 112 Мбит/с. Теперь давайте предположим, что мы ведем запись на цифровой видеорегистратор с алгоритмом компрессии JPEG, а размер изображения приемлемого качества составляет, допустим, 40 килобайт.

Если, кроме записи, мы больше ничего не делаем на цифровом видеорегистраторе (т. е. не просматриваем архив), то максимальная (теоретическая скорость записи) такого устройства рассчитывается делением скорости 14 Мбайт/с на размер одного кадра (40 килобайт), что даст нам примерно 350 кадров в секунду. Если к цифровому видеорегистратору подключено 16 телекамер, то теоретическая скорость записи одной телекамеры будет 350/16=21 кадр в секунду. Это будет теоретическим максимумом только в том случае, если цифровой видеорегистратор не выполняет никакой другой работы, кроме записи. На практике цифровой видеорегистратор «тратит время» и на временную коррекцию, то есть синхронизирует несинхронизированные телекамеры. Это уменьшает скорость записи еще примерно в два раза до 10 кадров в секунду для одной телекамеры. Если мы захотим воспроизвести архивную запись или провести архивацию, то это тоже уменьшит скорость записи не менее чем на 50 %, что с выбранным жестким диском нам позволит получить максимум 5 кадров в секунду для одной телекамеры. Кроме того, нужно учитывать различные служебные обращения операционной системы к жесткому диску. При этом наши рассуждения будут справедливы только тогда, когда в цифровом видеорегистраторе применяется аппаратная компрессия, которая освобождает центральный процессор от сжатия изображений. Вы часто будете встречать утверждения, что в цифровом видеорегистраторе применяется очередной алгоритм программного сжатия, «имеющий лучшие характеристики среди всех известных». На практике это означает, что теоретический максимум скорости записи будет ограничен еще и производительностью центрального процессора и в нашем случае снизится еще более, упав до 1–2 кадров в секунду. И есть еще один важный, но практически незаметный фактор, который необходимо учитывать в нашем примере. Это фрагментация файлов, которая увеличивается тем больше, чем дольше мы ведем запись. Фрагментация файлов может значительно снизить скорость записи, хотя и не влияет на внутреннюю скорость передачи данных жесткого диска. Впрочем, в численном выражении ее выразить затруднительно, так как эта фрагментация будет зависеть от типа файловой системы, операционной системы, особенностей ПО и хранения данных в цифровом видеорегистраторе. При высоком уровне фрагментации файлов жесткий диск будет затрачивать много времени для поиска фрагментов файла на разных дорожках.

Как это следует из приведенного выше примера, на скорость записи цифрового видеорегистратора влияет очень много факторов и процессов. Жесткие диски оказываются начальным и конечным звеном в цепочке этих процессов.

Различные файловые системы

Для записи информации на жесткие диски и сменные носители каждая операционная система использует какую-нибудь файловую систему, чтобы при необходимости эту информацию можно было найти и считать. Эта фундаментальная и важная концепция определяет гибкость, емкость и безопасность различных систем, поэтому в данном разделе мы перечислим основные файловые системы, используемые в настоящее время.

Все файловые системы состоят из структур, необходимых для хранения и управления информацией.

Файловая система выполняет три основные функции: она следит за свободным дисковым пространством и пространством, выделенным для хранения файлов; она поддерживает структуру директорий и файловых имен; и она хранит ссылки на физическое расположение файлов на жестком диске.

Различные операционные системы используют различные файловые системы. Некоторые операционные системы, такие, как Windows, могут работать только со своими файловыми системами. Другие ОС (Linux и Mac OS X) умеют работать не только со своими, но и с другими файловыми системами.

Приведем список часто встречающихся файловых систем:

— Ext — (Extended file system), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux

— Ext2 — (Extended file system 2), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux

— Ext3 — (Extended file system 3), файловая система, предназначенная для операционных систем Linux (Ех12+протоколирование)

— FAT — (File allocation table 32), 12- и 16-разрядная файловая система, которая используется в DOS и Windows

— FAT32 — (File allocation table 32), 32-разрядная файловая система, которая используется в Windows

— HFS — (Hierarchical File System), файловая система, применявшаяся в старых версиях Mac OS

— HFS+ — (Hierarchical File System+), файловая система, применяющаяся в новых версиях Mac OS

— HPFS — (High Performance File system), файловая система, применявшаяся в IBM OS/2

— ISO 9660 — используется на дисках CD и DVD-ROM (Rock Ridge и Joliet — это ее расширения)

— JFS — (IBM Journaling File system), файловая система, применяемая в Linux, OS/2 и AIX, которая использует журналирование

— NTFS — файловая система, применяющаяся в операционных системах семейства NT (Windows NT, 2000 и ХР)

— ReiserFS — файловая система для Linux и Unix, которая использует журналирование О UDF — пакетно-ориентированная файловая система для записываемых и перезаписываемых носителей, таких, как CD-RW и DVD-R

— UFS — файловая система Unix и Mac OS X

Рис. 9.64. Типичные цифровые видеорегистраторы, применяемые в настоящее время в видеонаблюдении, имеют 16 видеовходов, но существуют модели с 18, 24 или 32 видеовходами

FAT (File Allocation Table)

Предложенная компанией Microsoft в1983 году файловая система FAT была разработана для операционной системы MS-DOS и использовалась в несерверных версиях Microsoft Windows вплоть до Windows ME (включительно). Даже при размере кластера 512 байт эта файловая система позволяла адресовать до 32 Мбайт дискового пространства, чего вполне хватало для жестких дисков объемом 10 и 20 Мбайт, которые были стандартом во времена персональных компьютеров XT. Но время шло, и были выпущены диски размером свыше 32 Мбайт, поэтому пришлось использовать кластеры с большим размером. Так использование кластеров размером 8192 байт (8 килобайт) позволило файловой системе адресовать пространство размером 512 Мбайт. Впрочем, такие большие размеры кластеров привели к проблеме внутренней фрагментации, когда большое количество маленьких файлов очень неэффективно использовали дисковое пространство. Так в этом случае 1 файл размером один байт занимал весь кластер размером 8192 байт, что означало потерю 8191 байта дискового пространства, а когда таких файлов было несколько тысяч, то дисковое пространство просто уменьшалось в размерах в несколько раз.

Файловая система FAT считается относительно простой и поэтому она очень часто используется для форматирования дискет. Кроме того, она поддерживается практически всеми операционными системами для персональных компьютеров, поэтому ее часто используют в том случае, когда на компьютере установлено несколько разных операционных систем. Также файловая система FAT используется для сменных носителей, таких, как флэш-память и т. п.

В системе FAT используется корневая директория, которая имеет ограничение на количество записей и должна находиться в строго определенном месте на диске или в разделе диска.

Хотя файловая система FAT является одной из старейших, ее будут использовать еще довольно долго, так как она идеально подходит для сменных носителей небольшого объема, таких, как дискеты. Помимо компьютеров, она с успехом используется на сменных носителях других устройств (память для цифровых фотоаппаратов и другой бытовой электроники).

FAT32 (File Allocation Table 32)

В 1997 году компания Microsoft разработала новую файловую систему FAT32, которая была дальнейшим развитием концепции FAT, так как в рамках самой FAT возможность увеличения размеров кластеров была уже физически исчерпана. Для FAT самым большим допустимым размером кластера было 32 килобайта, что позволяло адресовать 2 гигабайта дискового пространства. Компания Microsoft решила применить 32-битную файловую систему, в которой сейчас фактически используются 28 бит для адресации кластеров.

Теоретически, это должно давать 268,435,438 доступных кластеров (2 в степени 28), что позволяет поддерживать жесткие диски объемом во много терабайт, но на практике ограничение утилиты ScanDisk (программа от Microsoft, которая используется для проверки жестких дисков), не позволяет использовать более 4,177,920 кластеров, что не позволяет использовать диски размером свыше 124.55 гигабайт.

Таким образом, FAT32 представляет собой 32-битную версию предыдущей 16-битной файловой системы FAT В результате FAT32 поддерживает значительно большие жесткие диски или разделы жестких дисков (до 2 терабайт). Эта файловая система уже может использоваться в Windows 95 (Service Pack 2) и в Windows 98/2000/ХР. Предыдущие версии DOS и Windows не смогут распознать FAT32, и поэтому они не смогут произвести загрузку или использовать файлы с диска или раздела жесткого диска, которые отформатированы с использованием файловой системы FAT32. Среди других характерных отличий от FAT можно назвать меньший размер кластеров, дублирование загрузочной записи, а корневая директория в FAT32 может быть любого размера и располагаться где угодно на жестком диске или его разделе.

NTFS (New Technology File System)

NTFS (New Technology File System) является стандартной файловой системой для Microsoft Windows NT и последовавших за ней Windows 2000, Windows XP и Windows Server 2003. NTFS во многом копирует концепцию HPFS, файловой системы, которая была создана Microsoft и IBM для замены устаревшей файловой системы FAT, унаследованной от MS-DOS. В файловой системе HPFS было реализовано несколько усовершенствований для повышения производительности и более рационального использования дискового пространства: поддержка метаданных (metadata) и использование дополнительных структур данных (advanced data structures). Все это есть и в NTFS, но кроме этого имеется журналирование и списки управления доступом к файлам.

В файловой системе NTFS есть все, что имеет хоть какое-то отношение к файлам (имя, дата создания, права доступа и даже тип информации). Все это записывается как метаданные. Для хранения данных файловой системы используются двоичные деревья. Несмотря на сложность реализации, такой подход позволяет получить более быстрый доступ к данным и уменьшает фрагментацию. Журнал используется для того, чтобы гарантировать целостность самой файловой системы, но не каждого отдельного файла.

Операционные системы, которые используют NTFS, имеют повышенную надежность, что было очень важным требованием, учитывая нестабильность первых версий Windows NT.

Поскольку детали реализации закрыты, независимые разработчики столкнулись с рядом проблем при попытке создания инструментов для работы с NTFS. В настоящее время ядро операционной системы Linux включает в себя модуль, которые позволяет считывать данные из разделов NTFS. Впрочем, общая сложность файловой системы и ограниченность ресурсов очень долго не позволяли реализовать поддержку записи в разделы NTFS.

На жестких дисках небольшого объема не рекомендуется использовать файловую систему NTFS, так как она использует значительные объемы дискового пространства для хранения своих структур. Центральная структура этой файловой системы называется главной файловой таблицей (master file table, MFT). NTFS хранит несколько копий критически важных частей главной файловой таблицы, чтобы предотвратить повреждение файловой системы и потерю данных. Так же, как FAT и FAT32, NTFS использует кластеры для хранения данных файла. Впрочем, размер кластера не зависит от размера жесткого диска или раздела жесткого диска. Можно использовать и маленькие кластеры размером по 512 байт независимо от того, какого размера раздел жесткого диска. Такие кластеры можно использовать с разделом объемом как 6 Гбайт, так и 60 Гбайт. Использование маленьких кластеров не только повышает эффективность использования дискового пространства, но и уменьшает фрагментацию, (то есть распределение одного файла по нескольким кластерам, которые не являются соседними, что значительно увеличивает время считывания файла).

За счет использования небольших размеров кластера NTFS обеспечивает хорошую производительность и экономное расходование дискового пространства даже на жестких дисках очень большого объема. И, наконец, файловая система NTFS поддерживает функцию горячего исправления (hot fixing), которая позволяет автоматически определять дефектные секторы жесткого диска и помечать их, чтобы они более не использовались файловой системой.

Ext2

Ext2 (extended file system 2) была на протяжении нескольких лет стандартной файловой системой для операционной системы Linux и до сих пор остается популярной. Изначально она была разработана Реми Кард на основе концепции расширенной файловой системы. Ее быстродействие достаточно высоко для того, чтобы ее использовали в качестве эталона для сравнения. Основным недостатком этой файловой системы было отсутствие журналирования. Ext2 поддерживает жесткие диски или разделы жестких дисков объемом до 4 терабайт. Ее усовершенствованная версия Ext3 имеет функцию журналирования и совместима с Ext2.

Ext3

Ext3 (extended file system 3) — это файловая система с журналированием, которая становится все более популярной среди пользователей операционной системы Linux. Хотя по масштабируемости и производительности она уступает своим конкурентам, таким, как ReiserFS и XFS, у нее есть одно существенное преимущество, которое заключается в том, что пользователи могут сразу перейти на нее с другой популярной файловой системы Ext2 без необходимости копирования данных, хранящихся на жестком диске.

В новой файловой системе добавлена функция журналирования, без которой Ext3 представляет собой полный аналог Ext2. Кроме того, раздел с Ext3 может быть подключен и использоваться, как если бы он был с файловой системой Ext2, что автоматически означает, что для работы с новой файловой системой Ext3 у вас в распоряжении окажется большой выбор проверенных утилит, чем не могут похвастаться ее прямые конкуренты.

ReiserFS

ReiserFS представляет собой компьютерную файловую систему, которую разработала и реализовала группа из Namesys под руководством Ганса Райзера. В настоящее время эта файловая система поддерживается Linux. Возможно, ReiserFS будет поддерживаться и в других операционных системах.

Появившись в ядре Linux с версии 2.4.1, ReiserFS была самой первой файловой системой с функцией журналирования, которую включили в стандартную поставку ядра. По сравнению с Ext2, другой файловой системой, которая включалась прежде в стандартную поставку ядра, ReiserFS обладала несомненным преимуществом, так как она использовала журнал транзакций для документирования всех изменений структуры файловой системы. Функция журналирования позволяет файловой системе быстро вернуться в стабильное состояние после непредвиденной перезагрузки в связи со сбоем электропитания или операционной системы. Эта функция позволяет значительно снизить вероятность повреждения файловой системы (а также необходимость продолжительных по времени проверок файловой системы). ReiserFS позволяет очень эффективно работать с директориями, содержащими большое количество небольших по размеру файлов. К сожалению, пользователям файловой системы Ext2, переходящим на ReiserFS, потребуется полностью переформатировать свои жесткие диски, что является значительным неудобством по сравнению с ее основным конкурентом Ext3. Впрочем, ряд очевидных преимуществ позволил ReiserFS стать файловой системой по умолчанию для многих дистрибутивов Linux.

HFSuHFS+

HFS Plus или HFS+ была разработана компанией Apple Computer для замены Hierarchical File System (HFS), файловой системы, используемой на компьютерах Macintosh. Кроме того, она используется как один из форматов файловой системы для жестких дисков МРЗ-плееров iPod. Файловая система HFS Plus появилась 19 января 1998 года с выходом операционной системы Mac OS 8.1. Иногда эту файловую систему называют Mac OS Extended. HFS Plus является улучшенной версией файловой системы HFS, поддерживает большие файлы (длина 64 бит вместо 32 бит) и использует Unicode (вместо MacRoman) для имен элементов (файлов и папок). HFS Plus использует полностью 32-битную таблицу размещения файлов, вместо 16-битной, используемой в HFS (это было серьезным ограничением, так как диск мог содержать не более 65,536 секторов, что сперва само по себе было не страшно, но после того как жесткие диски перешагнули рубеж 1 Гбайт, пришлось увеличивать размеры секторов до такой степени, что потери на фрагментацию стали неприемлемыми). Также, как и HFS, HFS+ использует двоичные деревья для хранения большинства метаданных тома. 11 ноября 2002 года с появлением версии Mac OS 10.2.2 Apple добавила и функцию журналирования для повышения надежности хранения данных. Все это было доступно изначально и в Mac OS X Server, но в несерверной версии — только через командную строку.

Впрочем, к 2003 году с появлением версии Mac OS X 10.3 все тома HFS Plus на всех компьютерах Macintosh имели функцию журналирования, которая была включена по умолчанию.

XFS

— это мощная файловая система с функцией журналирования. XFS была разработана компанией SGI (Silicon Graphics Inc.) для своей операционной системы Их (одна из реализаций Unix). В мае 2000 года SGI выпустила XFS в рамках лицензии открытого кода. Эта файловая система поставляется с версиями 2.5.хх и 2.6.хх ядра Linux, но она была доступна для версий ядра 2.4.хх только в виде патча вплоть до выхода версии ядра 2.4.25, когда она стала достаточно стабильной.

UFS

UFS (UNIX file system) используется многими операционными системами Unix. Она произошла от файловой системы Berkeley Fast File System (FFS), которая в свою очередь является производной от файловой системы FS, которая использовалась в первых версиях Unix, разработанных в Bell Labs.

Почти все BSD-производные операционные системы UNIX, включая FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, NeXTStep и Solaris используют вариации UFS. В Mac OS X ее также можно использовать как альтернативу HFS. В Linux реализована частичная поддержка UFS support, а сама файловая система Ext2, входящая в ядро Linux, произошла от UFS.

Mac OS X — это самая последняя версия операционной системы Mac OS для компьютеров Macintosh. Разработанная компанией Apple Computer, эта операционная система имеет стабильность операционной среды Unix и традиционный популярный графический интерфейс Macintosh. Впервые Mac OS X была выпущена в 2001.

АТА, SCSI, RAID и SATA

Тип соединения (интерфейс) между жестким диском и системой (системная плата и центральный процессор компьютера) определяется одним из нескольких стандартов. EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics) является одним из самых популярных интерфейсов. Его также называют АТА (Advanced Technology Attachment).

Еще один распространенный стандарт SCSI (Small Computer System Interface) в настоящее время стал утрачивать популярность. Причина, по которой SCSI все реже используется в видеонаблюдении, заключается в том, что жесткие диски АТА при меньшей стоимости уже практически сравнялись по скорости и надежности с жесткими дисками SCSI.

Жесткие диски АТА доминируют в компьютерной индустрии, и то же самое можно сказать о жестких дисках АТА, которые используются в видеонаблюдении в цифровых видеорегистраторах.

Большинство современных компьютеров позволяют подключить до 4 жестких дисков с интерфейсом EIDE без какого-либо дополнительного аппаратного обеспечения, так как контроллер EIDE обычно уже встроен в системную плату.

Хотя SCSI-контроллеры тоже могут быть встроены в системную плату, это не так часто встречается (особенно в последнее время, когда скорость жестких дисков АТА стала сопоставима со SCSI). Поэтому во многих цифровых видеорегистраторах (на базе платформы Intel), может быть установлено до 4 внутренних жестких дисков (если, конечно, для них найдется достаточно места внутри корпуса).

Современные накопители EIDE обычно соответствуют спецификациям АТА/100 или АТА/133. Число 100 означает, что максимальная скорость интерфейса составляет 100 Мбайт/с, и то же самое показывает число 133 в спецификации АТА/133, для которой 133 Мбайт/с будет внешней скоростью передачи данных.

Следует отметить, что внутренняя скорость передачи данных будет примерно в два раза меньше.

Обычно диски SCSI, которые требуют отдельный контроллер и стоят недешево, устанавливают только в серверы или в компьютеры, хранящие очень большой объем информации. Интерфейс SCSI устроен таким образом, что к нему можно подключать более 4 жестких дисков (обычно поддерживается до 16 устройств, одно из которых это сам контроллер). Это еще одна причина, из-за которой диски SCSI используют, когда требуются большие объемы дискового пространства, хотя это получается дорого.

Есть несколько поколений стандарта SCSI. У последних поколений скорость передачи данных, разумеется, выше, чем у первых.

Сейчас распространены последние спецификации Ultra160 и Ultra 320, которые поддерживают очень высокие внешние скорости передачи данных (160 Мбайт/с и 320 Мбайт/с соответственно).

В последнее время в связи с ростом требований, предъявляемых к размеру дискового пространства и надежности хранения данных, в видеонаблюдении получили широкое распространение устройства, называемые RAID-массивами.

Аббревиатура RAID расшифровывается как избыточный массив недорогих (независимых) дисков (Redundant Arrays of Inexpensive (Independent) Disks), и уже само название очень хорошо описывает его концепцию. RAID объединяет в массив несколько небольших по размеру жестких дисков (обычно АТА) для повышения производительности или надежности. Если один из дисков выходит из строя, то данные не будут потеряны, и вышедший из строя диск обычно можно заменить в процессе работы. Для организации RAID-массива, как правило, требуется отдельный контроллер (как в случае с дисками SCSI), а сам массив представляется в операционной системе не как набор дисков, а как отдельный логический диск.

Имеется два важных соображения при выборе жестких дисков для RAID-массива: размер диска и скорость вращения. Современные контроллеры работают в основном с жесткими дисками UltraATA/100 или даже UltraATA/133, поэтому они будут достаточно быстры. Высокая скорость вращения дисков позволяет достичь высокой скорости передачи данных и снизить время доступа, но это всегда сопровождается повышением температуры, а также уровня вибрации и шума. В принципе для RAID-массива подойдут любые жесткие диски.

Рис. 9.65. Стандарт параллельной передачи данных ATA (EIDE)

Рис. 9.66. RAID-массив с избыточным резервированием, использующий жесткие диски АТА, с возможностью горячей замены

Сейчас для построения RAID-массивов используются 6 типов архитектуры, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки в функциональности и производительности. Кроме 6 типов архитектуры RAID с избыточностью (то есть повышенной надежностью), сейчас очень часто архитектуру массива дисков без функции избыточности называют RAID-0. Далее мы рассмотрим все 7 типов архитектуры RAID.

— RAID-0 (striping, массив с чередованием)

Это самая быстрая и эффективная архитектура массива, но она не предлагает отказоустойчивости, то есть функция избыточности не реализована. Таким образом, с технической точки зрения RAID-0 не соответствует принципам RAID, поэтому RAID-0 не дает никаких преимуществ в надежности хранения данных. В рамках данной архитектуры все данные равномерно распределяются между всеми дисками массива, которые называются набором томов с чередованием (stripe set). Основное преимущество RAID-0 заключается в скорости, так как скорость передачи данных увеличивается пропорционально количеству жестких дисков массива. Впрочем, если хотя бы один диск выйдет из строя, то данные всего массива будут утеряны.

— RAID-1 (mirroring, зеркалирование)

RAID-1 — это полная противоположность архитектуре RAID-0. Основная задача здесь не повышение скорости, а обеспечение надежности хранения данных. При записи или считывании данных все диски массива используются одновременно. Таким образом, данные записываются одновременно на два и более диска, что эквивалентно созданию идеальной резервной копии, поскольку информация резервной копии не будет устаревать. RAID-1 будет лучшим выбором при создании максимально отказоустойчивой системы.

— RAID-2 (striping, массив с чередованием и коррекцией ошибок)

Принципы архитектуры RAID-2 те же самые, что и у RAID-0: данные распределяются по всем дискам массива, но не на уровне блоков, а на уровне битов, что необходимо для того, чтобы при обмене данными использовать код коррекции ошибок (ЕСС). Для этого потребуются дополнительные жесткие диски. Для обеспечения полной надежности хранения данных необходимо отводить 10 дисков для данных и 4 диска ЕСС для коррекции ошибок. Следующий уровень уже потребует 7 дисков для коррекции ошибок при 32 дисках для хранения данных. Это объясняет, почему RAID-2 никогда не пользовался особой популярностью.

— RAID-3 (data striping + dedicated parity, массив с чередованием и четностью)

В архитектуре RAID-3 применяется более разумная коррекция ошибок. Данные байт за байтом распределяются по жестким дискам массива, а отдельный жесткий диск используется для хранения избыточных данных четности. Большинство контрольных дисков, используемых в архитектуре RAID-2 используются для определения положения сбойного элемента, так как многие RAID-контроллеры могут самостоятельно определить, где произошел сбой, то количество избыточных дисков можно сократить. В RAID-3 используется только один избыточный диск, это становится как достоинством, так и недостатком данной архитектуры, поскольку при каждом обращении к массиву необходимо обращаться и к этому избыточному диску. Таким образом, преимущество в скорости от распределения данных по нескольким жестким дискам частично нивелируется. Для массива RAID-3 потребуется не менее трех дисков и достаточно сложный контроллер. Все вышесказанное объясняет, почему RAID-3 так же, как и подобные ему RAID-4 и RAID-5, никогда не пользовался массовой популярностью. RAID-3 часто используется в тех случаях, когда требуется считывать и записывать очень большие последовательности данных в однопользовательской среде.

RAID-3 не позволяет одновременно выполнять множественные операции ввода и вывода.

— RAID-4 (data striping + dedicated parity, массив с чередованием и четностью)

RAID-4 очень похож по своим принципам на RAID-3, но распределение данных по дискам происходит на уровне блоков, а не байтов. Теоретически это должно было значительно повысить производительность, но на практике этого не происходит, так как избыточный диск по-прежнему остается слабым звеном. Таким образом, RAID-4 не дает особых преимуществ и не позволяет одновременно выполнять несколько операций записи.

— RAID-5 (distributed data + distributed parity, массив с чередованием дисков и чередованием четности)

RAID-5 обычно считается лучшим компромиссом между производительностью и надежностью хранения данных. Не только данные, но и контрольная информация распределяется по всем дискам. В результате RAID-5 совсем немногим уступает RAID-3 по производительности.

Впрочем, уровень отказоустойчивости не слишком высок, так как без потери данных только 1 диск массива может выйти из строя. Требуется не менее 3 дисков для организации такого массива.

RAID-5 лучше всего подходит для многозадачной и многопользовательской среды, так как скорость записи в таком массиве достаточно высока.

— RAID-6 (distributed data + distributed parity, массив с чередованием дисков и чередованием четности)

RAID-6 очень похож на RAID-5 во всем, кроме того, что хранится двойной объем контрольной информации, необходимой для восстановления массива в случае сбоев диска. Хотя такой подход несколько снижает производительность, он позволяет без потери данных пережить сбой даже двух жестких дисков. Но за все нужно платить. Результатом такого подхода стало то, что RAID-6 требует не менее 5 дисков для организации массива, а скорость записи еще больше снизилась из-за удвоения избыточной информации.

RAID-массивы в видеонаблюдении приобретают все большую популярность, так как они позволяют увеличить время записи и повысить надежность хранения информации.

Чаще всего используется RAID-5, хотя некоторые производители предлагают и RAID-1 с зеркалированием.

Самый новый интерфейс обмена данными между системной платой и жестким диском получил название Serial ATA(SATA).

Этот стандарт последовательной передачи данных является дальнейшим развитием привычного стандарта АТА, предусматривающего параллельную передачу данных, и имеет три основных преимущества по сравнению со своим предшественником: скорость, удобство подключений и возможность горячей замены.

Первая версия Serial ATA имела скорость передачи данных 150 Мбайт/с, но в этот стандарт изначально заложена возможность ее увеличения. Так ожидается, что вторая версия позволит увеличить скорость передачи данных до 300 Мбайт/с, а 600 Мбайт/с мы получим уже к 2007 году. Впрочем, скорость передачи данных 150 Мбайт/с всего лишь на 17 Мбайт/с выше, чем у самого быстрого интерфейса АТА/133 с параллельной передачей данных. Самая большая проблема параллельной передачи данных заключается в том, что при увеличении скорости передачи очень трудно поддерживать синхронизацию нескольких параллельных линий. Новый последовательный интерфейс использует самые новые стандарты передачи сигналов. Впрочем, необходимость в столь высокоскоростных интерфейсах до сих пор является предметом дискуссии, так как самым слабым звеном по-прежнему остается жесткий диск с его низкой скоростью внутренней передачи данных, что связано с механической составляющей жесткого диска.

На практике, самым большим преимуществом оказалась замена неудобных IDE-кабелей на более гибкие кабели, которые имеют только 7 проводников и разъемы шириной 8 миллиметров с каждой стороны. Максимальная длина кабеля может составлять 1 метр, что в сравнении с короткими IDE-кабелями (45 сантиметров в длину) с 40 или 80 проводниками будет большим подарком для инсталляторов. Кроме того, улучшается вентиляция системного блока, что нельзя недооценивать.

Рис. 9.67. Разъемы жесткого диска Serial АТА

Рис. 9.68. Кабели Serial АТА

Концепция использования на одном шлейфе нескольких устройств (master-slave) тоже осталась в прошлом, что не может не радовать, так как теперь можно забыть о многочисленных комбинациях перемычек на жестком диске. Теперь на одном кабеле может находиться только одно устройство. Все разъемы должны быть выполнены таким образом, чтобы их нельзя было подключить неправильно, а эта проблема существовала при подключении жестких дисков АТА.

Настоящие жесткие диски SATA также имеют другой разъем электропитания, который невозможно спутать с чем-либо еще. В нем имеется 15 контактов с различным напряжением (3.3, 5 и 12 В). Во время перехода от параллельного к последовательному интерфейсу АТА планируется использовать различные адаптеры для подключения одного интерфейса к другому, что, впрочем, будет сказываться на быстродействии. В начале 2003 года проводились тесты, которые показали, что потери в быстродействии составляют от 30 до 50 %. В настоящее время многие производители жестких дисков уже выпускают накопители с полноценным интерфейсом Serial.

Среднее время наработки на отказ (MTBF)

Большинство производителей жестких дисков приводят для своей продукции такое значение, как среднее время наработки на отказ (MTBF, Mean Time Between Failure). Обычно оно варьируется от 300,000 до 1,000,000 часов. С точки зрения обычного человека это немало (примерно 30-100 лет). Впрочем, эти значения относятся больше к миру теории, чем гарантируют практическое применение. Развитие технологий не позволяет эффективно использовать жесткие диски на протяжении более чем двух лет: они раньше устаревают. Впрочем, статистика и математические расчеты позволяют получить важные данные о качестве жестких дисков и предполагаемом времени бесперебойной работы.

Практика показывает, что жесткие диски выходят из строя значительно раньше, чем истечет среднее время наработки на отказ. Это связано во многом с неадекватными условиями эксплуатации (удары, вибрации, сотрясения, перегрев вследствие недостаточного охлаждения, пыль), о чем мы уже говорили, но это всегда имеет смысл повторить.

Среднее время наработки на отказ основывается на простом экспоненциальном распределении вероятности сбоя, при этом вероятность сбоя равна (47)

где е = 2.71, t — время, для которого вычисляется вероятность сбоя, а М — средняя наработка на отказ.

Так, например, при 500,000 часов наработки на отказ жесткого диска имеется 1 % вероятности того, что он выйдет из строя в течение 7 месяцев, 5 % — в течение 3 лет, 10 % — в течение 6 лет, и 50 % — в течение 40 лет.

10. Средства передачи видеосигнала

Изображение, зафиксированное объективом и телекамерой и затем преобразованное в электрический сигнал, поступает на коммутатор, видеомонитор или записывающее устройство.

Для того чтобы видеосигнал попал из пункта А в пункт Б, он должен пройти через передающую среду. Тоже самое относится к сигналу управляющих данных.

Самыми распространенными средствами передачи видеоинформации в видеонаблюдении являются:

— Коаксиальный кабель

— Кабель витой пары

— Микроволновая связь

— Радиочастотная передача (эфирная)

— Связь с помощью инфракрасного излучения

— Телефонная линия

— Оптоволоконный кабель

— Компьютерная сеть

Для видеопередачи чаще всего используется коаксиальный кабель, но все большую популярность приобретает волоконная оптика — благодаря ее превосходным характеристикам. Также можно использовать смешанные средства передачи, например, микроволновую передачу видеосигнала и передачу управляющих поворотным устройством и трансфокатором данных (PTZ-данных) через витую пару.

Мы рассмотрим все эти средства передачи по отдельности, но особое внимание обратим на передачу при помощи волоконной оптики и коаксиального кабеля.

Коаксиальные кабели

Концепция

Коаксиальный кабель — самое распространенное средство передачи видеосигналов, а иногда видео и PTZ-данных вместе. Такую передачу называют несимметричной передачей, исходя из концепции коаксиального кабеля.

Поперечное сечение коаксиального кабеля показано на рис. 10.1. Кабель имеет симметричное и соосное строение. Видеосигнал проходит через центральную жилу, в то время как экран используется для уравнивания нулевого потенциала концевых устройств — телекамеры и видеомонитора, например. И не только для этого, экран также защищает центральную жилу от внешних нежелательных электромагнитных помех (ЭМП).

Рис. 10.1. Разнообразные оптоволоконные кабели

Идея соосного строения кабеля состоит в том, что все нежелательные ЭМП индуцируются только в экране. Если он должным образом заземлен, то наведенный шум разряжается через заземления телекамеры и монитора. С точки зрения электричества коаксиальный кабель замыкает контур между источником и приемником, где центральная жила кабеля является сигнальным проводом, а экран — заземляющим. Поэтому передачу по коаксиальному кабелю и называют несимметричной передачей.

Рис. 10.2. Поперечное сечение коаксиального кабеля

Шум и электромагнитные помехи

То, насколько хорошо экран коаксиального кабеля защищает центральную жилу от шума и ЭМП, зависит от процента экранирования. Как правило, производители указывают в спецификациях цифры от 90 до 99 %. Но имейте в виду, что даже если обещано 100 % экранирование, невозможно получить защиту от внешних наводок на все 100 %. Проникновение ЭМП внутрь коаксиального кабеля зависит от используемой частоты.

Теоретически, успешно подавляются только частоты выше 50 кГц — главным образом, из-за ослабления скин-эффекта. Все частоты ниже этой индуцируют электроток, в меньшей или большей степени.

Насколько силен электроток — зависит от силы магнитного поля. Понятно, что нас, прежде всего, интересует излучение промышленной частоты (50 или 60 Гц), окружающее почти все искусственные объекты.

Вот почему возникают проблемы, если коаксиальный кабель проведен параллельно электросети. Величина наведенного электромагнитного напряжения в центральной жиле зависит, во-первых, от электротока, текущего через электрический кабель сети, что, в свою очередь, зависит от расхода тока на данной линии.

Во-вторых, она зависит от того, насколько далеко коаксиальный кабель пролегает от силового кабеля. И, наконец, она зависит от того, на какой протяженности эти кабели пролегают вместе. Иногда соседство на протяжении 100 м не оказывает никакого влияния, но если по силовому кабелю течет сильный ток, то даже 50 м могут сказаться на качестве сигнала. При монтаже постарайтесь (всегда, когда это возможно) сделать так, чтобы силовые и коаксиальные кабели не проходили очень близко друг к другу. Для ощутимого уменьшения ЭМП необходимо, чтобы расстояние между ними составляло хотя бы 30 см.

На экране монитора наводки (нежелательные) электросети имеют вид нескольких жирных горизонтальных полос, медленно сползающих вверх или вниз. Частота сползания определяется разницей между частотой полей видеосигнала и промышленной частотой и может составлять от 0 до 1 Гц. В результате на экране появляются неподвижные или очень медленно перемещающиеся полосы.

Другие частоты проявляются в виде различных — в зависимости от источника — картин распределения шумов. Главное правило заключается в том, что, чем выше частота наведенного нежелательного сигнала, тем тоньше детали шумовой картины. Повторно-кратковременные наводки, вроде молнии или проезжающего автомобиля, будут давать нерегулярную картину шумов.

Характеристический импеданс (полное сопротивление)

Короткие провода и кабели, используемые в обычных электронных блоках оборудования, имеют незначительные сопротивление, индуктивность и емкость и не влияют на распределение сигнала. Однако если сигнал должен быть передан на довольно большое расстояние, в сложную картину передачи информации включается множество разных факторов. Особенно подвержены влиянию высокочастотные сигналы.

Тогда сопротивление, индуктивность и емкость начинают играть значительную роль и ощутимо влияют на передачу сигнала.

С точки зрения электромагнитной теории такое простое средство как коаксиальный кабель можно представить в виде схемы, состоящей из сопротивлений (R), индуктивностей (L), конденсаторов (С) и проводников (G) на единицу длины (как показано на рис. 10.3).

Рис. 10.3.1. Передача видеосигнала по коаксиальному кабелю

Рис. 10.3.2. Теоретическое представление коаксиального кабеля

При использовании короткого кабеля эта схема оказывает незначительное влияние на сигнал, но если кабель более длинный, ее влияние становится заметным. В последнем случае совокупность элементов R, L и С становится столь существенной, что действует как грубый фильтр нижних частот, который, в свою очередь, воздействует на амплитуду и фазу различных компонентов видеосигнала. Чем выше частоты сигнала, тем больше на них влияют неидеальные свойства кабеля.

Каждый кабель имеет однородное строение и собственный характеристический импеданс (полное сопротивление), который определяется элементами R, L, С и G на единицу длины.

Главное преимущество несимметричной передачи видеосигнала (о чем будет сказано несколько позже) основано на том, что характеристический импеданс передающей среды не зависит от частоты (это относится, главным образом, к средним и высоким частотам), в то время как сдвиг фазы пропорционален частоте.

Амплитудные и фазовые характеристики коаксиального кабеля на низких частотах в большой степени зависят от самой частоты, но так как в подобных случаях длина кабеля достаточно мала по сравнению с длиной волны сигнала, то влияние на передачу сигнала оказывается незначительным.

Когда характеристический импеданс коаксиального кабеля соответствует выходному импедансу источника видеосигнала и входному импедансу приемного устройства, происходит максимальная передача энергии между источником и приемником.

Для высокочастотных сигналов, каким является видеосигнал, согласование полного сопротивления имеет первостепенную важность. Когда импеданс не согласован, видеосигнал целиком или частично отражается назад к источнику, воздействуя не только на выходной каскад, но и на качество изображения. Отражение 100 % сигнала происходит, когда конец кабеля либо замкнут накоротко, либо оставлен открытым (незамкнут). Вся (100 %) энергия сигнала (напряжение х ток) передается только тогда, когда есть согласование между источником, средствами передачи и приемником. Вот почему мы настаиваем на том, чтобы последний элемент в цепи видеосигналов всегда заканчивался 75 Ом.

В видеонаблюдении принят характеристический импеданс 75 Ом для всего оборудования, передающего или принимающего видеосигналы. Поэтому нужно использовать коаксиальный кабель с полным сопротивлением 75 Ом. Но производители выпускают и другое оборудование, например 50 Ом (которое в отдельных случаях используется для вещательного или ВЧ-оборудования), но тогда между такими источниками и 75-омными приемниками должны использоваться преобразователи импеданса (пассивные или активные).

Рис. 10.4. Оплеточная машина для коаксиального кабеля

Согласование импеданса также необходимо при использовании передатчиков и приемников с кабелем витой пары, о чем мы поговорим ниже.

75 Ом коаксиального кабеля — это комплексное сопротивление, определяемое отношением напряжения/тока в каждой точке кабеля. Это не активное сопротивление, и поэтому его нельзя измерить обычным мультиметром.

Чтобы вычислить характеристический импеданс, мы воспользуемся электромагнитной теорией и представим кабель эквивалентной схемой, состоящей из элементов R, L, С и G на единицу длины.

Полное сопротивление этой схемы:

Zс = SQRT((R + jωL)/(G + jωC)) (48)

где, как уже объяснялось, R — сопротивление, L — индуктивность, G — проводимость и С — емкость между центральной жилой и экраном на единицу длины. Символ j — это мнимая единица (квадратный корень из -1), которая используется для представления комплексного сопротивления, ω = 2πf, где — f частота.

Если коаксиальный кабель имеет достаточно короткую длину (меньше двухсот метров), то R и G можно пренебречь, и в результате мы получим упрощенную формулу для полного сопротивления коаксиального кабеля:

Zc = SQRT(L/C) (49)

Эта формула означает, что характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины. Однако, это не так, если длина кабеля (например, RG-59/U) превышает двести метров. В этом случае сопротивление и емкость имеют значение и оказывают влияние на видеосигнал. Ну а для достаточно коротких кабелей вышеприведенная аппроксимация вполне подходит.

Ограничения кабеля являются, главным образом, результатом накопленного сопротивления и емкости, которые настолько высоки, что упомянутое приближение (49) перестает работать, и сигнал получает значительные искажения. Это происходит, в основном, в форме падения напряжения, высокочастотной потери и групповой задержки.

В видеонаблюдении чаще всего используется коаксиальный кабель RG-59/U, который может успешно и без корректоров передавать ч/б сигналы на расстояние до 300 м и цветные — на расстояние до 200 м.

Еще один популярный кабель — это RG-11/U, более толстый и дорогой. Максимальная рекомендованная длина для него — до 600 м для ч/б сигнала и 400 м для цветного сигнала. Существуют также более тонкие коаксиальные кабели с импедансом 75 Ом и диаметром всего 2.5 мм и даже плоские коаксиальные кабели. Они очень удобны для перегруженных участков передачи множества видеосигналов, например, многовходовых матричных коммутаторов. Максимальная длина такого кабеля намного меньше, чем у толстых кабелей, но ее вполне достаточно для соединений и перемычек. Обратите внимание, что эти цифры могут варьироваться у разных производителей и в зависимости от ожидаемого качества сигнала.

Рис. 10.5. Сравнение физических размеров коаксиальных кабелей

За различие между максимальной длиной кабеля для передачи ч/б и цветного сигнала отвечает цветовая поднесущая 4.43 МГц для системы PAL или 3.58 для системы NTSC. Поскольку длинный коаксиальный кабель действует как фильтр нижних частот, то влияние на цветовую информацию будет сказываться быстрее, чем на нижние частоты, так что потеря цветовой информации будет предшествовать потере деталей в нижних частотах.

Если требуется большая длина, то можно использовать дополнительные устройства для выравнивания и усиления видеоспектра. Такие устройства называют усилителями, выравнивателями или корректорами кабеля. В зависимости от качества усилителя (и кабеля) можно увеличить протяженность кабеля в два или даже три раза.

Лучше всего подключать усилители в середине кабеля, где соотношение с/ш наиболее приемлемо, но часто это невозможно или неудобно из-за трудностей с электропитанием и хранением. Так, большинство усилителей в видеонаблюдении предназначено для подключения со стороны телекамеры, и в этом случае мы фактически получаем предкоррекцию и предусиление видеосигнала. Однако существуют и такие устройства, которые подключаются со стороны монитора и дают выход 1 Vpp (полный размах видеосигнала) с последующей коррекцией полосы частот видеосигнала.

Рис. 10.6. Миниатюрный коаксиальный кабель сэкономит пространство и???

Из вышеупомянутого теоретического объяснения импеданса понятно, что однородность кабеля по длине имеет большое значение для соответствия требованиям характеристического импеданса. Качество кабеля зависит от точности и однородности центральной жилы, диэлектрика и экрана.

Эти факторы определяют значения С и L на единицу длины кабеля. Вот почему надо уделить особое внимание прокладке кабеля и его концевой заделке. Петли и изгибы нарушают однородность кабеля и, следовательно, влияют на его импеданс. Это приводит к высокочастотным потерям, то есть потере мелких деталей изображения, а также удвоению изображения из-за отражений сигнала. Так, если короткий качественный кабель проложен ненадлежащим образом, с острыми изгибами, качество изображения будет очень далеко от идеального.

Качество изображения будет лучше, если изгиб петли будет в 10 раз больше диаметра коаксиального кабеля. Это равносильно высказыванию: «радиус петли должен быть не меньше 5 диаметров или 10 радиусов кабеля». Это означает, что кабель RG-59/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньшее 6 см (2.5"), a RG-11/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньше 10 см (4").

Медь — один из лучших проводников для коаксиального кабеля. Только золото и серебро обладают более высокими эксплуатационными показателями (сопротивление, коррозия), но для производства кабеля они слишком дороги. Многие полагают, что лучшие кабели получаются из покрытой медью стали, но это не так.

Покрытая медью сталь просто дешевле и, возможно, жестче, но для длинных кабелей в видеонаблюдении лучше использовать медь. Омедненные стальные коаксиальные кабели приемлемы для коллективной антенны, где передаваемые сигналы ВЧ-модулированы (VHF или UHF, MB или УВЧ). А именно, на более высоких частотах так называемый скин-эффект (поверхностный эффект) проявляется сильнее: фактический сигнал перетекает на медную поверхность проводника (не экрана, а центрального проводника). Видеосигналы находятся в основной полосе частоты, и поэтому омедненный стальной коаксиальный кабель может подходить для ВЧ-сигналов, но не для видеонаблюдения. Так что всегда используйте медный коаксиальный кабель.

Рис. 10.7. Минимальный радиус изгиба петли

BNC-разъемы

В видеонаблюдении широко используется концевая заделка коаксиального кабеля, которая называется BNC-разъемом (по первым буквам фамилий создателей Bayonet-Neil-Concelman). Существует три типа BNC-разъемов: с резьбой, запаиваемые и с обжимкой.

Опыт доказывает, что обжимные BNC-разъемы — самые надежные. Для них требуются специальные и дорогие обжимные инструменты, но траты на них себя оправдывают. Больше 50 % проблем, возникающих при установке систем, являются результатом плохой или неправильной заделки кабеля.

Монтажник не должен знать или понимать досконально все оборудование, используемое в системе (это обязанность проектировщика или поставщика), но если он квалифицировано проложит и заделает кабели, то почти наверняка система будет работать отлично.

Рынок предлагает различные BNC-изделия. Самые распространенные из них — штекерные (штыревые контакт-соединения, «папы»). Существуют также гнездовые контакт-соединения («мамы»), угловые адаптеры, адаптеры BNC-BNC (их часто называют «barrels»), 75-омные концевые заделки (или «фиктивные нагрузки»), адаптеры BNC к другим типам соединений и т. д.

Разрыв кабеля посередине и заделка образовавшихся концов приведет к некоторой потере сигнала, особенно, если концы заделаны плохо или использованы некачественные BNC-разъемы. Хорошая заделка дает потерю сигнала всего в 0.3–0.5 дБ. Если на одном кабеле не слишком много заделок, то сигнал пострадает незначительно.

Рис. 10.8. BNC-разъем

Существуют посеребренные и даже позолоченные BNC-разъемы, предназначенные для минимизации контактного сопротивления и защиты разъема от окисления, что особенно важно в прибрежных районах (из-за воздействия соленой воды и влажного воздуха) и промышленных зонах.

Хороший комплект для установки BNC-разъемов должен включать позолоченный или посеребренный наконечник для разрезания кабеля, оболочку (основу) соединителя (BNC shell body), кольцо для обжимания экрана и резиновую трубку-протектор (ее иногда называют «strain relief boot») для защиты конца разъема от острых изгибов и окисления.

Рис. 10.9. Обжимные BNC-элементы (входные и выходные)

Рис. 10.10. Различные BNC-разъемы и адаптеры

Коаксиальные кабели и концевая заделка BNC

Никогда не заделывайте коаксиальный кабель электрическими резаками или плоскогубцами. Зачищать коаксиальный кабель электрическим резаком очень опасно. Во-первых, мелкие частицы меди опадают вокруг центральной жилы, что может стать причиной короткого замыкания. Но даже если короткого замыкания не произойдет, меняется импеданс. Во-вторых, использование обычных плоскогубцев для подсоединения BNC к коаксиальному кабелю никогда не дает надежного результата. В целом, это очень опасные инструменты для заделки обжимных BNC-разъемов, и их можно использовать лишь в крайнем случае, когда не доступны никакие иные инструменты (при этом следует быть предельно осторожным).

Если вам по роду работы постоянно приходится заделывать коаксиальные кабели, приобретите хороший набор специальных инструментов. Это: специальные кусачки (резаки), инструменты для зачистки провода и для обжимки.

Рис. 10.11. Примеры плохого присоединения BNC-разъемов

Инструменты для зачистки и обжимки должны соответствовать диаметру кабеля. Если вы используете кабель RG-59/U (диаметром 6.15 мм), то не путайте

его с RG-58/U (диаметром 5 мм), хотя они и выглядят почти одинаково. У этих кабелей разный импеданс: у RG-59/U — 75 Ом, а у RG-58/U — 50 Ом. Кроме того, у RG-59/U несколько толще и центральная жила, и экран. BNC-разъемы для RG-58/U внешне выглядят так же, но внутри они тоньше.

Лучше всего еще до начала установки, пожертвовав одним разъемом, потренироваться в заделке кабеля. Иногда небольшое различие в размерах кабеля, даже если это RG-59/U, может обернуться массой проблем при подсоединении разъемов.

Технически лучше использовать коаксиальный кабель с твердой внутренней жилой — и с точки зрения импеданса (кабель более жесткий и сохраняет «прямоту»), и с точки зрения заделки. А именно, заделывать такой кабель проще, чем кабель с витой жилой, который слишком гибок. Некоторые предпочитают витой коаксиальный кабель (stranded), главным образом, из-за его гибкости. Но, работая с таким кабелем, необходимо соблюдать осторожность при заделке, поскольку может легко возникнуть короткое замыкание между центральной жилой и экраном.

Если под рукой нет других инструментов, лучше взять спаиваемые BNC-разъемы и заделывать их, соответственно, при помощи пайки. Помните о температуре пайки железа, а также о качестве пайки, так как можно легко повредить изоляцию и изменить полное сопротивление. В этом случае лучше использовать многожильный коаксиальный кабель.

Если в вашем распоряжении есть различные обжимные разъемы, выбирайте те, которые прослужат дольше, то есть более прочные и стойкие к коррозии, например, посеребренные или позолоченные BNC-разъемы. Рекомендуем также использовать «резиновые трубки» (иногда их называют «предохранительными») для защиты внутренней части BNC от коррозии и минимизации напряжения на изгиб при соединении и разъединении.

В особых случаях, например, при установке купольных поворотных устройств, может понадобиться очень тонкий и гибкий коаксиальный кабель в 75 Ом, (поскольку телекамера постоянно поворачивается и наклоняется). Производители кабеля предлагают такой кабель, но не забывайте, что для него потребуются специальные BNC-разъемы и инструменты.

Даже если такой кабель имеет в диаметре всего 2.5 мм (как, например, кабель RG-179 B/U), его полное сопротивление тоже будет равно 75 Ом, что достигается при помощи специального диэлектрика и толщины центральной жилы. Затухание такого кабеля высоко, но для коротких расстояний это несущественно.

Если требуется проложить длинный кабель, необходимы другие кабели 75 Ом, например, RG-11B/U с общим диаметром более 9 мм. Само собой разумеется, для RG-11 также нужны специальные инструменты и BNC-разъемы. Некоторые техники используют специальные механизмы для зачистки или маркировки коаксиального кабеля. Это довольно дорогие механизмы и их трудно найти, но если вы постоянно занимаетесь установкой больших систем видеонаблюдения, то силы, время и деньги, потраченные на их поиск и приобретение, себя оправдают.

Рис. 10.12. Как правильно подсоединить BNC-разъем (размеры зависят от инструмента, используемого для зачистки конца кабеля)

Рис. 10.13. Инструменты для заделки кабеля

В таблице 10.1 представлены типичные показатели затухания различных коаксиальных кабелей. Обратите внимание, что затухание показано в децибелах и относится к амплитуде напряжения видеосигнала.

Воспользовавшись таблицей, приведенной в разделе об отношении с/ш для телекамер, можно подсчитать, что 10 дБ эквивалентны ослаблению сигнала на 30 %, то есть 0.3 Vpp. В кабеле RG-59 длиной 300 м сигнал ослабляется на 10 дБ. Такая низкая амплитуда сигнала может оказаться недостаточной для видеомонитора или видеомагнитофона. При таком затухании потребуется усилитель.

Методы установки

До установки нужно проверить, кабели какой длины предлагают поставщики. Обычно прилагаются катушки с кабелем длиной примерно 300 м (1000 футов), но также встречаются катушки и в 100 м, и в 500 м. Естественно, если это возможно, лучше прокладывать один неразрывный кабель. Если же по каким-либо причинам требуется более длинный кабель, то его можно удлинить, заделав концы основного и добавляемого кабелей. Хотя обычно в подобном случае соединение выполняется при помощи адаптера BNC-BNC («barrel»), но, чтобы уменьшить количество точек соединения, лучше использовать один штекер BNC и одно гнездо (то есть обжимные BNC «папу» и «маму»).

Еще до укладки кабеля следует изучить трассу на предмет потенциальных проблем вроде острых углов, забитых кабельных каналов и т. п. После определения жизнеспособного маршрута, следует распределить кабель таким образом, чтобы точки соединения и подключения усилителей находились в доступных местах.

Важно, чтобы в местах будущих соединений был оставлен достаточный запас кабеля. Обычно достаточно перехлеста кабелей в 1 м.

Если возможно, кабель следует укладывать в кабелепровод (conduit) соответствующего размера.

Производители предлагают кабелепроводы разной длины и диаметра, в зависимости от числа кабелей и их диаметров. Для внешней прокладки кабеля необходим специальный кабелепровод с усиленной защитой от действия ультрафиолета. В особых условиях, например, на железнодорожных станциях, используйте специальные металлические кабелепроводы. Они защищают кабель от повышенного электромагнитного излучения в момент прохождения электропоезда.

Те же меры предосторожности необходимо соблюдать и при прокладке коаксиального кабеля под землей. При этом особое внимание следует уделить предотвращению повреждений, вызванных чрезмерной нагрузкой в локальных точках. Такие нагрузки могут возникать в местах контакта кабеля с неоднородным материалом засыпки или неровностями траншеи. Повреждения по этой причине проявятся не сразу, но изображение будет страдать из-за изменения полного сопротивления в точках деформации кабеля. Так или иначе, затраты на откапывание и ремонт кабеля очень велики, и лучше сразу постараться сделать все возможное для хорошей укладки.

Вы хорошо защитите кабель от повреждений, если уложите кабель на слой песка толщиной примерно 50-150 мм и присыплете таким же слоем песка сверху. Особое внимание следует уделить выкапыванию траншеи, дно которой должно быть ровным, без выступов. При закапывании траншеи следите за тем, чтобы в засыпке не было камней, которые могут повредить кабель.

Рис. 10.15. Рекомендации по укладке кабеля в грунт

Рис. 10.16. Машина для автоматической заделки коаксиального кабеля

Рис. 10.17. Образец отличной организации кабеля

Глубина траншеи зависит от типа почвы и от ожидаемой нагрузки на поверхности. В твердой породе понадобится траншея глубиной всего в 300 мм, а если почва мягкая и траншея пересекает дорогу, то траншея должна иметь глубину 1 м. Траншея в обычных условиях должна иметь глубину 400–600 мм и песчаную подстилку толщиной 100–300 мм.

Размещение коаксиального кабеля в кабельном лотке (желобе) требует соблюдения все того же главного правила: минимального радиуса изгиба.

Как уже говорилось, минимальный радиус изгиба зависит от размера коаксиального кабеля, но общее правило гласит, что радиус петли должен быть не меньше 5 диаметров (или 10 радиусов) кабеля. Правило минимального изгиба должно соблюдаться даже тогда, когда используется кабельный лоток. Не следует стремиться к аккуратности и изгибать кабель, пытаясь уложить его рядом с силовыми и другими кабелями.

Помните, что изгиб кабеля, превышающий минимальный радиус, влияет на полное сопротивление и ведет к потере качества видеосигнала.

Рис. 10.18. Точная организация и маркировка кабелей требует немало времени и сил

Рис. 10.19. Устройство для автоматической маркировки кабеля

Протяжка коаксиальных кабелей выполняется с использованием стальных или пластмассовых «проводников» (направляющих). Все большую популярность приобретают предназначенные для этой цели средства из новых жестких пластмасс. Их называют «змеями».

Используемые обычно средства скрепления кабелей вполне приемлемы, но помните, что при этом нельзя прикладывать чрезмерную силу, чтобы не раздавить коаксиальный кабель и не изменить его полное сопротивление.

Если требуется использовать смазку, обратитесь за рекомендацией к производителю кабеля. Для уменьшения трения можно использовать также тальк или гранулы из полистирола (bean-bag-type polystyrene beans).

В некоторых случаях кабель уже имеет концевые разъемы. При прокладке кабеля они должны быть хорошо защищены. Отверстия в таком случае должны быть больше.

Между конечными точками крепления кабеля лучше оставить небольшую слабину, а не класть кабель в натяг, в случае чего он будет плохо «реагировать» на колебания температуры и вибрацию.

Если во время установки кабель получил какие-то повреждения, оставьте запас кабеля рядом с поврежденным участком, чтобы можно было вставить дополнительные BNC-разъемы.

Динамический рефлектометр

Если предстоит прокладка сложной и длинной трассы коаксиального кабеля, то для обнаружения дефектных участков кабеля вам будет полезен динамический рефлектометр (time domain reflectometer, TDR).

Основной принцип работы рефлектометра состоит в том, что он генерирует короткие и сильные импульсы и измеряет отраженную энергию. Определяя время задержки между введенным и отраженным сигналами, можно довольно точно определить локализацию дефектной заделки кабеля и/или острых изгибов. Это особенно важно, если кабель проходит в недоступных местах.

Рис. 10.20. Динамический рефлектометр

Передача видеосигнала по витой паре

Витая пара — альтернатива коаксиальному кабелю. Этим кабелем пользуются в ситуациях, когда необходимо проложить линию длиной больше двухсот метров. Это особенно выгодно, когда пара проводов уже протянута между двумя точками.

Рис. 10.21. Симметричная передача видеосигнала (по витой паре)

Если используются обычные провода, то кабель витой пары обходится довольно дешево, но если используется особый кабель (рекомендованный производителями), с минимум 10–20 скрутками на один метр и защитной оболочкой, то это будет гораздо дороже.

Передачу видеосигнала при помощи витой пары также называют симметричной видеопередачей.

Ее идея очень проста и отличается от несимметричной (коаксиальной) передачи видеосигнала. А именно: чтобы минимизировать внешние электромагнитные помехи, по витой паре передается сбалансированный сигнал. Все нежелательные электромагнитные помехи и шум в конечном счете одинаково воздействуют на оба провода. Вот почему лучше использовать специальные кабели, в которых оба провода одинаково подвержены наводкам и имеют одинаковое падение напряжения. В отличие от передачи по коаксиальному кабелю с заземленным экраном, в концепции передачи видеосигнала по витой паре не заложено уравнивание потенциалов между конечными точками.

Когда сигнал достигает приемного конца линии на основе витой пары, он попадает на вход дифференциального усилителя с хорошо сбалансированным фактором коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Этот дифференциальный усилитель считывает дифференциальный сигнал между двумя проводами.

Рис. 10.22. Модули видеоприемника витой пары на 19" кабельной

Если два провода имеют схожие характеристики и достаточно закруток на метр (чем больше, тем лучше), на них будут одинаково воздействовать шумы, падение напряжения и наводки. Усилитель с хорошим КОСС на приемном конце линии устранит большую часть нежелательных шумов.

Выходное полное сопротивление (импеданс) витой пары обычно равно 100 Ом.

Недостаток этого типа передачи состоит в том, что в дополнение к кабелю необходимы одно передающее и одно приемное устройство. Они увеличивают не только стоимость системы, но и риск потерять сигнал, если какой-либо из этих двух компонентов выйдет из строя.

Однако если используется специальный кабель, его можно протянуть на гораздо более дальние расстояния, чем это позволяют кабели RG-59 или даже RG-11. Производители обычно указывают расстояния более 2000 м для ч/б сигналов и более 1000 м для цветных, причем без каких-либо промежуточных усилителей. Кроме того, при симметричной передаче не возникает «земляных петель», что имеет место при передаче по коаксиальному кабелю. Заделка кабеля витой пары не требует специальных инструментов и разъемов. Все это еще больше повышает привлекательность такой передачи.

Должен признаться, что я всегда предпочитал коаксиальный кабель. Но однажды я увидел большую систему в аэропорту Франкфурта на витой паре, которая давала, к моему удивлению, столь же высокое качество видеосигнала, как и коаксиальный кабель. Теперь я не сомневаюсь в том, что при надлежащем выборе оборудования, как кабеля, так и пары передатчик/ приемник, витая пара может быть прекрасной альтернативой коаксиальному кабелю. Кроме того, за последние пять лет мне довелось повидать немало систем видеонаблюдения, которые использовали витую пару для передачи видеосигнала. Следует отметить, что передача видеосигнала по витой паре особенно практична, когда для записи используются цифровые видеорегистраторы, поскольку они особенно чувствительны к эффекту «земляной петли».

Микроволновая связь

Микроволновая связь (СВЧ) используется для высококачественной беспроводной передачи видеосигнала.

Видеосигнал сначала модулируется частотой, которая соответствует микроволновому диапазону электромагнитного спектра. Длины волны этого диапазона варьируются от 1 мм до 1 м. Используя известное уравнение, связывающее частоту и длину волны:

λ = с/Т [м] (50)

где с — скорость света 300 000 000 м/с, мы можем подсчитать, что микроволновый диапазон лежит в пределах от 300 МГц и 300 ГГц. Верхний уровень фактически накладывается на инфракрасные частоты, которые не превышают 100 ГГц. Следовательно, нижняя часть инфракрасного спектра также входит в микроволновый диапазон. Однако практически, для микроволновой передачи видеосигнала обычно используются частоты от 1 до 10 ГГц.

Так как многие службы — военные, полиция, скорая помощь, курьеры, авиационные радары — используют искусственные частоты, необходимо было урегулировать проблему использования частот. Это сделали Международный союз телекоммуникаций (ITU) и местные власти разных стран. В Австралии это входило в обязанности Министерства транспорта и коммуникаций, которое недавно было переименовано в Spectrum Management Agency («Агентство распределения спектра»). Таким образом, используя микроволновую связь в видеонаблюдении, следует учитывать тот важнейший факт, что каждую частоту и vикроволновый передатчик необходимо согласовать с местными властями, чтобы свести к минимуму вторжения на частоты других служб, использующих тот же спектр. Это позволяет защитить зарегистрированных пользователей, но также является большим недостатком (по крайней мере, для видеонаблюдения) и причиной того, что многие разработчики систем видеонаблюдения обращаются к микроволнам лишь в крайнем случае.

Рис. 10.23. Микроволновая передача видеосигнала

Микроволновая связь позволяет передавать очень широкую полосу частот видеосигналов, а также, если необходимо, других данных (включая звук и/или PTZ-контроль). Полоса частот передачи зависит от модели передатчика. Качественные устройства обычно обеспечивают полосу частот в 7 МГц, которой достаточно для высококачественной передачи видеосигнала без заметного искажения.

Микроволновая передача обычно идет в одном направлении — например,

видеосигнал посылается из пункта А в пункт Б. Хотя возможна и двунаправленная передача — если необходимо передавать видеосигнал в двух направлениях или нужно передавать видеосигнал в одном направлении, а другие данные — в другом. Последнее очень важно, если используются PTZ-камеры.

Техника кодирования, обычно используемая в передаче видеосигнала, — это частотная модуляция (ЧМ), но может использоваться и амплитудная модуляция (AM). Если аудио- и видеосигналы передаются одновременно, то видеосигнал модулируется посредством AM, а аудиосигнал — посредством ЧМ, как и в телевещании.

Передатчик и приемник должны находиться на линии прямой видимости. В большинстве случаев передающие и приемные антенны представляют собой параболические антенны, аналогичные тем, что используются для приема спутникового телевидения.

Расстояния, которые можно покрывать при помощи этой технологии, зависят от выходной мощности передатчика и диаметра антенны, что определяет коэффициент усиления передатчика и чувствительность приемника.

Очевидно, что на качество сигнала влияют атмосферные условия.

Если система спроектирована не достаточно грамотно, то микроволновая связь, обеспечивающая отличное изображение в погожий день, может давать значительную потерю сигнала в проливной дождь. Туман и снег также влияют на сигнал. Если параболическая антенна не закреплена должным образом, качающий ее ветер может повлиять на связь, приводя к периодической потере прямой линии видимости.

Многие параболические антенны имеют пластиковое или кожаное покрытие, защищающее внутреннюю параболическую поверхность. Это покрытие одновременно уменьшает воздействие ветра и защищает чувствительные части антенны от дождя и снега.

Крепление и устойчивость антенны СВЧ-диапазона имеют первостепенную важность для качества связи. Чем большее расстояние требуется покрыть, тем больше должна быть антенна и более надежным должно быть крепление. Первоначально выровнять линию видимости на большом расстоянии довольно сложно, хотя в высококачественном оборудовании есть встроенный индикатор напряженности поля, который облегчает выравнивание.

Большинство производителей, специализирующихся на микроволновой связи, указывают максимальное расстояния передачи до 30 км. Обычно для систем видеонаблюдения требуется не больше двухсот метров, так что если есть линия прямой видимости, это ограничение не является проблемой.

Мощность передачи и размер антенны, необходимой для определенного расстояния, должны быть подтверждены производителем.

Рис. 10.24. Микроволновые антенны и приемники

Рис. 10.25. Микроволновый передатчик

Для микроволновой связи на более коротких расстояниях могут использоваться стержневые антенны или другие типы непараболических антенн, что очень практично, если имеются проблемы с размещением. В данном случае возникают проблемы безопасности, связанные с ненаправленной передачей сигнала, но есть и преимущества — довольно широкая область охвата.

Один очень интересный способ использования микроволновой передачи видеосигнала был впервые предложен в Австралии во время трансляции по телевидению автогонок. Для того чтобы зрители могли видеть то, что видит участник соревнования, на крыше гоночного автомобиля устанавливалась всенаправленная передающая антенна, которая транслировала видеосигнал телекамеры автомобиля на приемник, установленный на вертолете, который кружил над гоночным треком. С вертолета сигнал дальше передавался в фургон с ТВ-аппаратурой.

Большинство производителей систем микроволновой связи предлагают интерфейс RS-232 — для телекамер и других средств дистанционного управления. Некоторые производители оборудования для систем видеонаблюдения предлагают также средства управления в аудиодиапазоне, так что фактически вы можете использовать аудиоканал микроволновой связи (в направлении, противоположном направлению передачи видеосигнала) для управления PTZ-камерами.

Относительно недавно с появлением цифровых систем видеонаблюдения микроволновый канал стал очень часто использоваться для передачи цифрового видеосигнала. С помощью современных средств беспроводной связи Wi-Fi микроволновая передача данных значительно упростилась. Фактически нужно только правильно организовать компьютерную беспроводную сеть и назначить устройствам IP-адреса.

Сейчас для такой микроволновой передачи цифровых данных чаще всего используется специально зарезервированная свободная частота 2.4 ГГц. Так же, как и при передаче аналогового видеосигнала, максимальное расстояние передачи зависит от мощности передатчика и размера антенны.

Радиочастотная беспроводная (эфирная) передача видеосигнала

Радиочастотная (РЧ) передача видеосигнала по модуляции напоминает микроволновую передачу. Однако основные различия заключаются в том, что частота модуляции лежит в ОВЧ и УВЧ (VHF и UHF) диапазонах и осуществляется «всенаправленная» передача сигнала. Направленная (директорная) антенна типа «волновой канал» (подобно внутренним антеннам, используемым для приема определенного телеканала) позволяет получать сигнал в более удаленных точках. Следует отметить, тем не менее, что в зависимости от норм, принятых в вашей стране, мощность излучения не должна превышать определенный предел, а в случае такого превышения потребуется одобрение соответствующего органа, регулирующего использование частот.

РЧ-передатчики обычно снабжены видео- и звуковыми входами, а методы модуляции напоминают методы модуляции микроволн, то есть, для видеосигнала используется амплитудная модуляция, а для звукового сигнала — частотная. Передаваемый спектр зависит от модели передатчика, но вообще он уже, чем при микроволновой связи. Обычно это 5.6 МГц, что достаточно для объединения звука и видео в один сигнал.

Подобными характеристиками обладает бытовая аппаратура — это так называемые «РЧ-отправители» или беспроводные модули связи с видеомагнитофоном (VCR). В РЧ-модулятор с выходов видеомагнитофонов подаются аудио- и видеосигналы, которые он перемодулирует и затем передает на другой видео магнитофон, находящийся в доме. Подобные устройства изготавливаются без расчета на видеонаблюдение, поэтому сигнал передается на расстояния в непосредственной близости от дома. Если требуется беспроводная передача на короткое расстояние, то это самый дешевый и удобный способ.

Так как ОВЧ и УВЧ диапазоны предназначены для приема обычного сигнала телевещания, то вы должны (с разрешения местных властей) использовать каналы, не мешающие телевещанию.

В большинстве стран УВЧ-каналы с 36 до 39 преднамеренно не используются телевизионными станциями — они оставлены для VCR-TV связи, видеоигр и т. п.

Существенным недостатком использования радиочастоты в видеонаблюдении является то, что сигнал может быть получен любым ТВ-приемником, находящимся на незначительном расстоянии. Правда, иногда это и требуется. Например, для работы системы в больших комплексах, где телекамеры, наблюдающие за главным входом, подсоединены через коллективную антенну, так что арендаторы могут просматривать телекамеру на определенном канале своих ТВ-приемников.

Радиочастотная связь, в отличие от микроволновой связи, не требует прямой видимости, поскольку РЧ-излучение (в зависимости от того, УВЧ это или ОВЧ) может проходить через кирпичные стены, дерево и другие неметаллические объекты. Расстояние распространения радиосигнала зависит от многих факторов, и лучше всего проверять это в конкретных условиях (там, где будет использоваться РЧ-передатчик).

Рис. 10.26. Беспроводная (РЧ) передача видеосигнала

Рис. 10.27. РЧ-модулятор

Инфракрасная беспроводная передача видеосигнала

Из заголовка понятно, что инфракрасная передача использует для передачи видеосигнала оптические средства. Источником света является инфракрасный светодиод. Яркость световой несущей модулирована видеосигналом. Данный тип передачи напоминает нечто среднее между микроволновой передачей и оптоволоконной (которая рассматривается ниже). Вместо микроволновых частот используются инфракрасные частоты (ИК-частоты выше). И вместо оптоволоконного кабеля (что имеет место в волоконной оптике, опирающейся на принципы полного внутреннего отражения), используется открытое пространство. Следовательно, для этой передачи необходима линия прямой видимости. Для передачи на ИК-частотах особого разрешения не требуется — в этом очевидное преимущество этого типа связи.

Чтобы сконцентрировать инфракрасный свет в узкий пучок и минимизировать потери при передаче, требуется смонтировать систему линз на передатчике. Потребуется также система линз на принимающем конце линии, чтобы сфокусировать свет на фоточувствительный детектор.

Цветные и ч/б видеосигналы, а также аудиосигнал можно передавать на расстояние более 1 км. Более мощные системы линз и светодиоды, а также чувствительный приемник, позволят передавать сигнал на большие расстояния.

Необходимо принять специальные меры предосторожности для обеспечения благоприятного температурного режима в зоне передатчика, иначе на приемник могут попасть инфракрасные частоты, излучаемые горячими стенами, раскаленными крышами и металлическими объектами.

Понятно, что такие погодные условия, как дождь, туман и ветер влияют на инфракрасный канал связи больше, чем на ультракоротковолновую передачу.

Рис. 10.28. Инфракрасная (эфирная) передача видеосигнала

Рис. 10.29. Инфракрасный видео Tx/Rx

Рис. 10.30. Инфракрасная видеосвязь между поездом и телекамерами на станции

Передача изображений по телефонной линии

Вначале были системы slow-scan TV (ТВ медленного сканирования). Такая система передавала видеоизображение по телефонной линии с очень маленькой скоростью — один полный кадр черно-белого изображения передавался десятки секунд. Затем появились системы fast scan TV, которые стали популярной альтернативой системам slow-scan. Когда готовилось это издание книги, практически вся индустрия видеонаблюдения перешла на использование сети Интернет, которая оказалась прекрасной заменой телефонным коммуникациям при передаче видеоизображения, поскольку Интернет-коммуникации в большинстве случаев стали настолько же хорошими, как и телефонные. Большинство организаций и частных лиц сейчас имеют высокоскоростные линии связи для подключения к сети Интернет. Как правило, для этого используется уже проложенная телефонная пара проводов (DSL, цифровая абонентская линия). В этом случае скорость передачи выше, чем в системах fast scan. Впрочем, для того чтобы полностью осветить тему, мы немного расскажем и об использовании телефонной линии для передачи изображения в системах видеонаблюдения. Кроме того, возможно, вам еще придется столкнуться с такой ситуацией, когда телефонная линия имеется, а Интернет не подключен.

Концепция медленного сканирования родилась в конце 1950-х, тогда ею воспользовались операторы радиолюбительской связи. Позже она начала использоваться в видеонаблюдении. Концепция очень проста.

На обоих концах линии связи (как и при любой другой передаче) находятся вполне определенные устройства — передатчик и приемник. Аналоговый видеосигнал, поступающий с телекамеры, преобразуется в цифровой формат. Затем он сохраняется в ОЗУ (RAM) передатчика. Обычно это происходит по внешнему сигналу тревоги или по запросу с приемника. Сохраненное изображение (на этом этапе оно в цифровом формате) частотно модулируется аудиочастотой, которую «слышит» принимающий телефон. Эта частота обычно лежит в пределах 1–2 кГц — на этой частоте ослабление сигнала в телефонной линии минимально. Приемник, получив сигнал, разбирает изображение строка за строкой, начиная с верхнего левого угла, пока изображение на принимающем конце линии не будет преобразовано в аналоговое представление (стоп-кадр).

Вначале эта концепция была очень медленной, но, учитывая неограниченные расстояния, обеспечиваемые телефонной линией (при наличии совместимого с приемником передатчика), идея стала привлекательной для удаленного мониторинга в системах видеонаблюдения.

Передатчики «slow-scan» обычно подсоединяются к нескольким телекамерам, так что зритель может просматривать изображения с любой из них. К тому же, любая телекамера может передавать изображение автоматически по сигналу тревоги. Передавать изображение на принимающую станцию могут несколько передатчиков, каждый из которых защищен паролем от несанкционированных зрителей.

Один из способов увеличения скорости передачи заключается в уменьшении разрешения оцифрованного изображения или в использовании только одной четвертой части экрана для изображения с каждой телекамеры. Тогда изначальные 32 секунды можно понизить до 8 секунд для обновления изображения, или те же 32 секунды понадобятся для обновления изображения на полном экране, разделенном на блоки от четырех телекамер. Учитывая, что к этому могут быть добавлены и другие сигналы — аудио или управляющие сигналы для дистанционной активации реле — можно сказать, что исторические начинания становятся все более совершенны.

Системе медленного сканирования, принадлежащей к старому поколению, потребуется 32 секунды, чтобы передать простое, низкого качества изображение с тревожного пункта на станцию слежения. К этому времени надо добавить время дозвона и соединения, в результате более минуты уйдет на передачу первого изображения. Однако медленное сканирование было очень популярно и опережало свое время. Сегодня существуют гораздо более прогрессивные способы передачи видеосигналов по телефонной линии.

Новая технология — Fast Scan (быстрое сканирование) — исходит из той же концепции, но опирается на гораздо более мощные методы обработки изображений и алгоритмы сжатия, что позволяет менее чем за 1 с передать полноцветное изображение. Манипулирование изображением осуществляется в цифровой форме, при этом используются различные методы сжатия, что позволяет еще больше увеличить скорость передачи, сохраняя при этом качество изображения на должном уровне.

Рис. 10.31. Передатчик и приемник быстрого сканировнаия (Fast-Scan)

Выбирая систему быстрого сканирования, следует учитывать несколько важных факторов:

— Разрешение кадровой памяти (в пикселах)

— Черно-белое изображение или цветное

— Будут ли одновременно передаваться другие сигналы (часто требуется управление PTZ-блоком, или активация реле)

— Скорость передачи данных.

В последнем вопросе следует быть очень гибким, так как различные телефонные линии и различные модемы дают различные и пристрастные сравнительные характеристики.

Иногда потребителю нужно просто примерно видеть, что происходит на другом конце линии fast-scan.

Другим может потребоваться очень четкое (хорошего разрешения) изображение, даже если оно поступает с временной задержкой.

Также важно знать, что еще может быть подсоединено к системе в будущем. Возникнет ли необходимость в дополнительных телекамерах или может на одной из камер будет PTZ-блок?

Не забудьте, если вам требуется управление PTZ-блоком, вы должны учитывать задержку между отданной с клавиатуры командой и обновленным изображением, чтобы увидеть, куда направлена камера.

Некоторым это покажется необычным или неприемлемым, но многие производители предлагают интеллектуальное решение. В частности, если используется джойстик, изображение автоматически выбирает более узкую область обзора, которая остается резкой (и больше скорость обновления), так что вы можете видеть, куда направлена камера. После того, как вы отпустите джойстик, изображение восстанавливается до размеров полного экрана.

Другой тип систем предлагает дополнительную интегрированную характеристику — видеодетекторы движения. Система автоматически посылает изображение при обнаружении активности в видеосигнале.

PSTN

Обычная PSTN-линия (коммутируемая телефонная сеть общего пользования) имеет очень низкую полосу частот от 300 до 3000 Гц, которая считается стандартной (измеренная на 3-дБм точках, где дБм измеряется относительно 1 мВт при полном сопротивлении телефонной линии 600 Ом). Некоторые называют этот тип линии plain old telephone service или POTS (простая старая телефонная система). PSTN — это аналоговая технология, и как таковая она никогда не может обеспечить постоянной скорости передачи данных, так как много зависит от зашумленности линии.

Теоретически, по такому узкому каналу невозможно передавать видеоизображение в реальном режиме времени на 5 МГц. Однако можно сжать и закодировать сигнал и таким образом повысить скорость передачи — сегодня это под силу большинству передатчиков быстрого сканирования. Технологический взрыв в области компьютеризации, алгоритмов сжатия, быстрых модемов и улучшенных телефонных линий сделал возможным передачу видеоизображений по телефонной линии со скоростями, которые просто невозможно было себе представить во времена первых медленных сканеров.

Раньше уже говорилось, что концепция осталась той же — она аналогична концепции медленного сканирования, но интеллектуальность алгоритмов сжатия (что и как передавать) настолько выросла, что сегодня один кадр цветного видеосигнала очень хорошего разрешения может быть передан менее чем за 1 секунду. Кроме этого, многие устройства могут передавать и другие данные — управляющие и аудиосигналы.

Рис. 10.32. Изображения fast-scan могут передаваться в квадро-режиме — для..???..

Усовершенствованные системы быстрого сканирования используют метод обновления изображения, который называется «условное обновление». После передачи начального изображения, пересылается только изменившаяся часть изображения. Это позволяет достичь еще более высокой скорости обновления, чем в базовых системах быстрого сканирования. Другие производители передают полное изображение, но, чтобы достичь аналогичных скоростей передачи, используют соответствующие алгоритмы сжатия.

Чтобы понять, что представляет собой скорость передачи видеоизображения по телефонной линии PSTN, давайте рассмотрим упрощенный пример:

Типичный черно-белый видеосигнал (разрядность оцифровки — 8 бит) с разрешением 256x256 пикселов состоит из 256x256x8 = 65536 байт информации, что эквивалентно 64 килобайтам цифровых данных (65536/1024) (напомним, что 64=26, 256=28).

Передача информации такого объема по телефонной линии с низкоскоростным модемом 2400 бит/с (как это было во времена систем slow scan) займет у нас примерно 218 секунд (65536x8/2400=218 с).

Если сжать сигнал (возможно сжатие в 10, 20 и более раз), скажем, в 10 раз, то время передачи снизится до 3 секунд. Многие устройства быстрого сканирования на этой скорости посылают первое изображение, а затем передают только изменившиеся части изображения, что значительно снижает время, необходимое для обновления последующих изображений — оно составляет менее секунды.

Передача цветного изображения с таким же разрешением потребует больше времени. Изображение высокого разрешения с качеством выше S-VHS обычно оцифровывается в формате 512 х 512 с 24-разядным цветом (по 8 бит на каждый цвет, R,G и В), что равно 512x512x3=786432 байта или 768 килобайт.

Если использовать 10-кратное сжатие, то информация займет 76 килобайт, что уже несложно будет передать примерно за 76000/14400 = 5 секунд, если использовать модем 14400 бит/с. Все зависит от алгоритма сжатия.

На практике добавляется еще несколько секунд на время дозвона, которое меньше при двухтональном многочастотном наборе (Dual Tone Multi-Frequency — DTMF) и больше при импульсном наборе.

Во многих системах безопасности используются специализированные телефонные линии, это означает, что после установки линия остается открытой, то есть не происходит потерь времени на установление связи между модемами и задержек при передаче первого изображения.

Завершая разговор о телефонных линиях, нужно подчеркнуть, что теоретический максимум скорости передачи данных по ним составляет 56 кбит/с. На практике скорость передачи данных редко превышает 32 кбит/с, а если телефонная линия очень старая, то скорость передачи данных может упасть до 19 кбит/с и ниже.

ISDN

Для более быстрой передачи следует использовать телефонные линии ISDN (Integrated Services Digital Network, цифровая сеть связи с комплексными услугами), которые имеются во многих промышленно развитых странах.

Линии ISDN были разработаны и начали появляться в середине 1970-х, примерно тогда же появились ПЗС-матрицы.

Базовый ISDN-канал обеспечивает скорость передачи в 64 кбит/с, что существенно улучшает скорость обновления при быстром сканировании. Для сравнения, обычная PSTN-линия, как уже упоминалось, может дать до 14.4 кбит/с — если линия в очень хорошем состоянии. Некоторые современные модемы могут увеличит скорость передачи (до 56 кбит/с) при помощи встроенных методов сжатия.

ISDN — это цифровая сеть, по которой сигнал передается в цифровом формате, поэтому полоса пропускания задается не в Гц, а в бит/с. В особых случаях, вроде видеоконференций и кабельного ТВ (возможного по телефонной линии), ISDN может использоваться в комбинации с широкополосной ISDN (B-ISDN-связь), что позволяет достичь еще более высокой скорости передачи (в несколько раз больше 64 кбит/с) — по меньшей мере это 128 кбит/с при поддержке интеллектуального мультиплексирования нескольких каналов в один.

Блоки для подсоединения устройств к ISDN-линии называются терминальными адаптерами (Terminal Adapter), а по виду и функциям они очень похожи на модемы, используемые в PSTN-линиях. Интеллектуальные терминальные адаптеры для подсоединения оборудования к B-ISDN-линии называются агрегирующими терминальными адаптерами (Aggregating Terminal Adapter).

Не забудьте, чтобы воспользоваться преимуществами широкополосной ISDN, на обоих концах линии (передающем и принимающем) должна быть ISDN-связь. Во многих странах ISDN-связь оплачивается по времени использования.

Сотовая сеть

Передача изображения по мобильным телефонам — возможность привлекательная, особенно на фоне доступных сегодня технологий. Мобильный телефон с модемом в комбинации с ноутбуком легко можно дополнить программными и техническими средствами, необходимыми для обеспечения беспроводной связи и передачи изображений.

Здесь применимы все те же обсуждавшиеся выше принципы и концепции, за исключением скорости передачи, которая в этой сети ниже.

Цифровая сеть дает хорошую помехозащищенность, хотя ее охват в настоящее время не столь широк, как аналоговый мобильный сервис. Цифровая мобильная сеть быстро растет, и роуминг доступен в большинстве промышленно развитых стран. Это значит, что пользователи, находясь за границей, могут направлять вызов в цифровую сеть страны пребывания и делать звонки, не выходя на оператора. Понятно, для активации роуминга пользователь должен сообщить об этом поставщику услуг.

В цифровой сотовой сети возможно получить скорость в 9600 бит/с при использовании модемного режима. Существуют усовершенствованные GSM-технологии, делающие возможным повышение скорости передачи данных от 9.6 кбит до 14.4 кбит по одному каналу. Мультиплексируя до четырех каналов в один временной интервал, оператор сможет предложить до 57.6 кбит, что в шесть раз выше доступных сегодня скоростей, а технологии сжатия позволят еще более увеличить скорость передачи.

Рис. 10.33. Модем-карта GSM

Волоконная оптика

Оптоволоконный кабель, если он корректно протянут и заделан — это лучшее и самое надежное средство передачи сигнала. Несмотря на то, что более тридцати лет этот тип кабелей использовался в удаленных телекоммуникационных линиях связи, даже в трансокеанских, в видеонаблюдении избегали или отказывались от его использования.

Главной причиной стал страх перед неизвестной технологией, которая считалась «нежной и чувствительной», и к тому же «слишком дорогой».

Оптоволоконный кабель имеет огромные преимущества перед другими средствами передачи сигнала, и хотя он считается дорогим и сложным при заделке, но со временем становится все дешевле и проще в использовании.

Самые главные преимущества — это иммунитет к электромагнитным помехам, более безопасная передача, более широкая полоса пропускания и намного большая протяженность линии без усиления. Поэтому мы уделим этому типу передачи особое внимание.

Рис. 10.34. Оптоволоконый кабель миниатюрен и хрупок, но он заключен в прочную оболочку

Почему волоконная оптика?

Волоконная оптика — это технология, в которой в качестве носителя информации используется свет; при этом не важно, о каком типе информации идет речь — аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.

Передача сигналов по стекловолокну имеет ряд преимуществ перед существующими «металлическими» средствами передачи. Это:

— Очень широкая полоса пропускания.

— Очень низкое ослабление сигнала, порядка 1.5 дБ/км по сравнению с 30 дБ/км для коаксиального кабеля RG-59 (для сигнала 10 МГц).

— Волокно (являющееся диэлектриком) создает электрическую (гальваническую) изоляцию между передающим и принимающим концом линии, поэтому невозможно возникновение «земляных петель».

— Свет как носитель сигнала полностью остается внутри оптоволоконного кабеля, поэтому не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях.

— Стекловолокно не чувствительно к внешним сигналам и электромагнитным помехам (ЭМП), поэтому совершенно не важно, рядом с каким блоком питания будет проходить кабель — 110 В, 240 В, 10 000 В переменного тока или совсем близко от мегаваттного передатчика. Даже если молния ударит в одном сантиметре от кабеля — никаких наводок не будет.

— Оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

— Невозможно сделать ответвление оптоволоконного кабеля, не повредив при этом качества сигнала, что немедленно обнаруживается на принимающем конце линии. Это особенно важно для систем безопасности.

— Цена оптоволоконного кабеля падает с каждым днем. Обычный оптоволоконный кабель стоит от $1 до $5 метр в зависимости от типа.

У оптоволоконного кабеля есть определенные недостатки, но и они со временем будут исправлены:

— Концевая заделка оптоволоконного кабеля требует специальных инструментов и большей точности и мастерства, чем в случае других средств передачи.

— Возникают трудности с переключением и маршрутизацией сигналов.

Оптоволоконный кабель имеет больше преимуществ, чем какой-либо другой.

Многие годы оптоволоконный кабель использовался в телекоммуникациях и теперь становится все более популярен в видеонаблюдении и системах безопасности.

По мере усовершенствования технологии концевой заделки и сращивания кабеля, а также его удешевления, все больше систем видеонаблюдения и безопасности будут использовать волоконную оптику.

Концепция

Концепция волоконной оптики опирается на фундаментальные законы отражения и преломления света.

Может показаться невероятным, что стекловолокно может удерживать световые лучи внутри световода, не давая им «пройти сквозь стены», при передаче сигнала на многие километры. Чтобы понять этот эффект, придется освежить в памяти физические принципы полного отражения.

В начале XVII века физик Виллеброрд Снелиус заложил основы теории преломления и отражения света.

Когда свет попадает в более плотную среду, его скорость уменьшается и изменяется направление распространения, что объясняется волновой природой света при распространении в среде (см. раздел по оптике). Проявлением этой природы является сильное отклонение луча при попадании в другую среду.

Все мы видели «сломанную» соломинку в стакане воды. Это и есть преломление.

Показатель преломления обычного стекла равен примерно 1.5. Чем выше показатель преломления, тем меньше скорость света в среде и тем больше угол преломления при пересечении лучом поверхности раздела.

Почему так прекрасен алмаз? Игра цветов объясняется тем, что алмаз имеет высокий показатель преломления (2.42), а луч белого света (естественного) состоит из всех цветов (длин волн).

Волоконная оптика опирается на особый эффект — преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом.

На рис. 10.35 продемонстрирован эффект полного отражения при наблюдении из-под поверхности воды. Начиная с некоторого определенного угла (и при меньших углах) наблюдатель не сможет видеть объекты, находящиеся над поверхностью воды. Этот угол называется углом полного отражения. При этом угле (и меньших) наблюдатель будет видеть только объекты, находящиеся под водой: будет казаться, что смотришь в зеркало (если предполагать, что поверхность воды абсолютно неподвижна).

Рис. 10.35. Эффект полного отражения

Рис. 10.36. Полное отражение лазерного луча в оптоволоконном канале

Рис. 10.37. Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения

Используя закон Снелиуса мы можем рассчитать угол полного отражения для показателя преломления воды (1.33):

sin ФT = 1.00/1.33= 0.752 => ФT = 48.6° (51)

Концепция передачи сигнала по оптоволоконному кабелю опирается на те же принципы.

Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы — из-за эффекта полного отражения.

На передающем конце кабеля находится светодиод или лазерный диод, излучение которых модулировано передаваемым сигналом.

В случае видеонаблюдения — это видеосигнал, но и в случае цифрового сигнала (например, при управлении поворотным устройством и трансфокатором или передаче данных) логика остается той же.

Итак, при передаче инфракрасный диод модулирован по яркости и пульсирует в соответствии с вариациями сигнала. На принимающем конце линии обычно находится фотодетектор, получающий оптический сигнал и преобразующий его в электрический.

Оптоволоконный кабель считается дорогим, многих пугают трудности при его заделке. Но в настоящее время многое изменилось — технология существенно продвинулась вперед. Оптическая технология всегда славилась своими потенциальными возможностями, но основные продвижения происходят только тогда, когда дешевые базовые устройства — полупроводниковые светодиоды, лазеры и оптоволоконные кабели — запускаются в массовое производство. Сегодня мы являемся свидетелями процесса перехода от наземных медных средств передачи информации к оптоволоконным.

Типы оптоволоконных кабелей

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Их классификация основана на характере

прохождения световых волн по стекловолокну.

Как уже упоминалось во вступлении, основная идея состоит в использовании эффекта полного отражения, который является следствием различия показателей преломления (п2 > п1, где п2 — показатель преломления внутреннего стекловолокна (сердцевины), а п1 — показатель преломления внешней оболочки).

Типичный пример — это оптоволоконный кабель со ступенчатым профилем (показателя преломления).

Кабель со ступенчатым профилем, а также схема распространения света по такому кабелю, представлены на рис. 10.38. Обратите внимание на деформацию входного импульса, которая вызвана различной длиной траекторий световых лучей, отражающихся от цилиндрической поверхности, разделяющей два стекловолокна с различными показателями преломления. Это называется модовой дисторсией.

Чтобы уравновесить пробегаемые лучами длины путей и улучшить характеристики импульса, было разработано многомодовое стекловолокно. В многомодовом стекловолокне лучи света распространяются с примерно равной скоростью, порождая эффект оптических стоячих волн.

Еще лучшие характеристики имеет одномодовое стекловолокно, почти не дающее модальной дисторсии.

Рис. 10.38. Три типа оптоволоконного кабеля

Последний вариант — самый дорогой, но он позволяет намного увеличить протяженность линии при использовании той же электроники. Для задач видеонаблюдения тип используемого стекловолокна — многомодовый или со ступенчатым профилем — не имеет особого значения.

На рис. 10.38 приведены профили показателей преломления для этих трех типов стекловолокна.

Числовая апертура

Свет может попадать в оптоволоконный кабель под разными углами.

Зная разные показатели преломления воздуха и стекловолокна, применим теорию преломления и закон Снелиуса:

n0sin ф0 = n1sin ф1 (52)

где n1 — показатель преломления стекловолокна, n0 — показатель преломления воздуха, равный примерно 1.

sin ф0 = n1sin ф1 (53)

Рис. 10.40. Определение числовой апертуры

Левая половина выражения описывает очень важное свойство стекловолокна, которое называется числовой апертурой.

Числовая апертура характеризует светособирающую способность оптоволоконного кабеля.

На практике числовая апертура позволяет понять, как соединить два оптоволоконных кабеля и при этом сохранить сигнальный контакт. Реальные значения типичного апертурного угла для кабеля со ступенчатым профилем показаны на рис. 10.40.

Чтобы рассчитать числовую апертуру NA (угол фо), не обязательно знать угол ф1

Далее приведены основные тригонометрические преобразования, позволяющие выразить числовую апертуру только через показатели преломления стекловолокна.

Применяя закон Снелиуса и опираясь на рисунок, получаем:

n1sin(90°- ф1) = n2sin(90°- ф2) (54)

Для полного отражения Ф2 = 0°мы имеем тогда выражение принимает вид:

n1sin(90°- ф1) = n1 (55)

Так как sin(90°- ф1) = cos ф1, то мы можем написать:

cos ф1 = n2/n2 (56)

sin2 ф + cos2ф = 1 (57)

и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов и косинусов:

sin2ф0/n12 + n22/n21 = 1 (58)

Зная основное правило тригонометрии

sin2ф0 = n21 — n22 (59)

NA = sinф0 = SQRT(n21 — n22) (60)

Формула (54) это хорошо известная формула для вычисления числовой апертуры оптоволоконного кабеля по двум известным показателям преломления — внутренней нити и оболочки. SQRT — это корень квадратный.

Очевидно, чем выше это значение, тем больше светособирающий угол кабеля.

Приведем реалистичный пример: n1 = 1.46 и n2 =1.40, что даст NA = 0.41, то есть ф0 = 24°.

Для волокна с плавным профилем апертура является переменной и зависит от радиуса измеряемого профиля, но она ниже, чем у многомодового волокна со ступенчатым профилем. Для одномодового волокна 9/125 мкм числовая апертура NA = 0.1.

Уровни света в волоконной оптике

Выходная мощность света измеряется в ваттах (как и любая другая мощность), но поскольку в оптоволоконной связи используются очень слабые источники света, то удобнее сравнивать выходную мощность с входной, а в этом случае мы получаем хорошо известное соотношение для децибел:

Aa = 10 lg(P0/P1) [ДБ] (61)

Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мы будем говорить о дБм, то есть:

Aa = 10 lg(P/1 мВт) [дБм](62)

Рассчитывать уровни передачи легче в децибелах.

Отрицательное значение в децибелах при расчете А означает потери, а положительное значение — среднее усиление.

Если Аа равно отрицательному значению дБм, то мощность меньше 1 мВт, а положительное значение соответствует мощности, большей 1 мВт.

Определение децибел при сравнении мощностей задается уравнением (55), но, как указывалось ранее, для напряжения и тока определение выглядит иначе:

Br =20 lg(U0/U1) [ДБ] (63)

Не углубляясь в теорию, отметим, что децибелы для мощности вычисляются с коэффициентом 10 перед логарифмом, а для напряжения (и тока) — с коэффициентом 20.

Потери света при прохождении по волоконному кабелю объясняются следующими факторами:

— Стыковкой с источником

— Сращиванием световодов

— Затуханием в стекловолокне из-за его неоднородности

— Высокими температурами и т. д.

Проектируя систему видеонаблюдения с оптоволоконным кабелем, важно знать общее затухание, так как мы работаем с очень слабыми сигналами. Лучше работать с наихудшими оценками, чем использовать средние значения — только тогда возможно спроектировать надежную и качественную систему.

Для этого следует помнить, что в большинстве случаев выходная мощность излучения 850-нм светодиода лежит между 1 дБм и 3 дБм, а 1300-нм светодиод имеет несколько меньшую мощность — от 0 дБм до 2 дБм (помните, что мощность выражена относительно 1 мВт).

Наибольшие потери возникают при соединении светодиода и волокна.

Потери также зависят от числовой апертуры и от профиля волокна, который может быть ступенчатым или плавным.

Реалистичное значение потерь, вызванных соединением с источником, составляет около 14 дБ (относительно выходной мощности источника).

Источники света в оптоволоконной связи

Два основных компонента-источника света для оптоволоконного кабеля:

— Светодиоды (LED)

— Лазерные диоды (LD).

Рис. 10.40. Лазерный диод

Оба источника дают частоты в инфракрасном диапазоне, то есть выше 700 нм.

Генерация света как в светодиодах, так и в лазерных диодах происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок в P-N переходе при подведении прямого (однонаправленного) тока. Такой свет называется электролюминесцентным.

После рекомбинации пары электрон/дырка имеют меньшую энергию, чем каждая составляющая до рекомбинации. При рекомбинации пары электрон/дырка теряют энергию, равную разности энергетических уровней, которая излучается в виде фотонов (минимальная единица переноса света).

Длина волны, ассоциированная с фотоном, определяется уравнением:

A = hc/E (64)

где:

h — постоянная Планка, фундаментальная физическая постоянная, равная 6.63·1034  джоулей,

с — скорость света (300·106 м/с),

Е — ширина энергетической зоны P-N материала.

Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.

Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм. Добавляя небольшое количество алюминия, можно уменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используется фосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).

Основные различия между светодиодом и лазерным диодом — это различия между спектрами генерируемого излучения и углами направленности.

Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центрального значения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.

P-N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения. Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощения и отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производители светодиодов помещают сверху что-то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишком большим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.

Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации света тоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуцированныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях тока процесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усиление достигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. Слово LASER образовано из первых букв light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Чтобы «запустить» индуцированное излучение, для лазерного диода требуется минимальный ток от 5 до 100 мА — это так называемый пороговый ток. Этот порог гораздо выше, чем для обычного светодиода.

Однако, после запуска индуцированного излучения, лазерный диод дает большую оптическую мощность и очень маленький угол рассеяния.

Для передачи высоких частот и аналоговых сигналов важно, чтобы выходное излучение было линейно связано с приложенным током возбуждения, а также имело широкую полосу.

Со светодиодами в отношении линейности все нормально, однако не столь хорошо дела обстоят в высокочастотной области (по сравнению с ЛД), хотя все же передаваемая частота превышает 100 МГц, а этого для видеонаблюдения более чем достаточно.

Лазерные диоды могут легко давать частоты выше 1 ГГц.

Рис. 10.41. Спектр излучения светодиода (LED) и лазерного диода (LD)

Рис. 10.42. Зависимость интенсивности светового излучения от силы тока для светодиода

Вышесказанное может быть проиллюстрировано аналогией, которую мы приводили при обсуждении магнитной записи. Представьте себе, что выходной спектр светодиода или ЛД — это острые кончики карандашей. В спектре светодиода будут карандаши с более толстыми кончиками, а в спектре ЛД — с более острыми. При помощи остро заточенного карандаша можно писать маленькие буквы и разместить больше текста на заданном пространстве, то есть сигнал, модулированный ЛД, будет содержать более высокие частоты.

Однако, светодиоды дешевле, имеют более линейную характеристику и не требуют специальной управляющей электроники. Светодиод 850 нм стоит около $10, а 1300 нм — около $100. Средний срок службы светодиодов чрезвычайно высок (106 — 108 часов).

ЛД более дорогие, стоят от $100 до $15000. После перехода через пороговое значение, они дают прекрасную линейную характеристику. ЛД часто включают схему управления температурой, так как для них очень важна операционная температура, а для выходной мощности необходима стабилизация обратной связью. Несмотря на все это, у ЛД больше ширина полосы частот модуляции, более узкий несущий спектр, и они генерируют большую мощность. Средний срок службы ЛД ниже, чем у светодиодов, но все же довольно высок (105 - 107 часов).

Всеобщее внимание привлекли новые, недавно появившиеся светодиоды — суперлюминесцентные диоды (СЛД). Технические характеристики СЛД лежат где-то между светодиодами и ЛД.

Для видеонаблюдения светодиоды — достаточно хорошие источники света. ЛД чаще используются в многоканальных широкополосных мультиплексорах, а также в случае протяженных линий из одномодового стекловолокна.

Фотодетекторы в волоконной оптике

Устройства, принимающие оптический сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля, называются фотодиодами. В большинстве своем — это действительно тот или иной тип диода.

Основные группы используемых в волоконной оптике фотодиодов:

— P-N фотодиод (PNPD)

— PIN фотодиод (PINPD)

— Лавинный фотодиод (APD)

P-N фотодиод похож на обычный кремниевый P-N диод, чувствительный к инфракрасному свету. Основные его характеристики — низкая чувствительность и большое время нарастания сигнала.

PINPD — это модифицированный P-N фотодиод с внутренним слоем между Р- и N-типами кремния.

Характеризуется высокой чувствительностью и малым временем нарастания сигнала.

Лавинный диод аналогичен PINPD, но имеет одно преимущество — почти каждый падающий на него фотон дает более одной пары электрон/дырка в результате внутренней цепной реакции (лавинный эффект). Лавинный диод более чувствителен, чем PINPD, но дает больше шума.

Все эти базовые устройства комбинируются с каскадами усиления и «трансимпеданса» (усилитель, управляемый током), которые усиливают сигнал до требуемого уровня напряжения/тока.

Частоты передачи в волоконной оптике

Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий.

Эффекты, обусловленные влиянием материала:

— Рэлеевское рассеяние, вызванное неоднородностями в стекловолокне, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. На 850 нм затухание за счет рэлеевского рассеяния может достигать 1.5 дБ/км, на 1300 нм эта величина меньше — 0.3 дБ/км, а на 1550 нм еще меньше — 0.15 дБ/км.

— Поглощение. Поглощение происходит в том случае, если в волокне присутствуют гидроксильные ионы и/или ионы металлов. Поглощение сказывается на ослаблении сигнала гораздо меньше, чем рэлеевское рассеяние, и ответственно за 0.2 дБ/км.

Внешние воздействия, приводящие к ослаблению сигнала:

— Микроизгибы. Возникают из-за недостаточной точности изготовления кабеля — неоднородности волоконного кабеля по длине. Это может дать несколько дБ/км.

— Геометрия стекловолокна. Как и предыдущий пункт, но чаще из-за плохого контроля за диаметром при вытяжке кабеля.

На приведенном ниже графике демонстрируется очень важный факт: при передаче сигнала по оптоволоконному кабелю различные длины волн (частоты) ослабляются в разной степени.

Рис. 10.43. Окна в волоконной оптике

Частотные зоны, сосредоточенные вокруг вертикальных штриховых линий, называются окнами волоконной оптики. Всего их три:

— Первое окно на 850 нм

— Второе окно на 1300 нм

— И третье окно на 1550 нм.

Первое окно на самом деле не дает минимального ослабления (в сравнении с более высокими частотами), но именно эта частота была впервые использована в оптической связи. Созданные для этой частоты светодиоды были достаточно эффективны и просты в изготовлении.

Все же это самая подходящая длина волны и самый дешевый способ передачи сигналов на короткие расстояния — как в случае видеонаблюдения.

Все чаще в видеонаблюдении используется длина волны 1300 нм. Эту длину волны предпочитают в профессиональной телекоммуникации, а также в системах видеонаблюдения с протяженными линиями передачи, где высокие цены на источники света не являются доминирующим фактором. Потери на этой частоте гораздо ниже — это тоже видно из графика. Разница в ослаблении сигнала между 850 нм и 1300 нм составляет примерно 2–3 дБ/км.

Длина волны 1550 нм дает еще меньшие потери, и системы будущего ориентируются именно на это окно.

Приведем для иллюстрации значение типичного ослабления сигнала в многомодовом оптоволоконном кабеле 62.5/125 мкм с источником света 850 нм — оно составляет менее 3.3 дБ на километр. Если с этим же стекловолокном использовать источник в 1300 нм, то ослабление составит менее 1 дБ. Следовательно, можно получить большую протяженность линии с тем же оптоволоконным кабелем, лишь заменив источник света. Это особенно полезно в случае аналогового сигнала, каковым и является видеосигнал.

Если с кабелем 62.5/125 мкм использовать источник 850 нм, то можно протянуть линию, по меньшей мере, на пару километров, чего обычно вполне достаточно для системы видеонаблюдения. Большую протяженность можно получить, если использовать многомодовое волокно с плавным профилем, а если при этом взять еще и источник 1300 нм (вместо 850 нм), то линия может стать еще длиннее.

Самая длинная линия связи получится с одномодовым оптоволоконным кабелем и источниками света в 1300 нм и 1550 нм.

Типичное ослабление для источника 1300 нм составляет менее 0.5 дБ/км, для 1550 нм — менее 0.4 дБ/км.

Пассивные компоненты

Кроме вышеупомянутых фотодиодов и детекторов, которые относятся к активным устройствам, в системах волоконной оптики используются и пассивные компоненты.

Это:

— Спайки: постоянное или полупостоянное сращение волокон.

— Разъемы: позволяют повторно подсоединять или отсоединять кабели.

— Ответвители (coupler): устройства, распределяющие оптическую мощность между двумя или более волокнами или наоборот, объединяющие оптическую мощность нескольких волокон в одно.

— Коммутаторы: устройства, перераспределяющие оптические сигналы под ручным или электронным контролем.

Сращивание оптических волокон сваркой

Сварное соединение волокон часто осуществляется под микроскопом. Результат обычно получается хорошим, но оборудование может оказаться очень дорогим.

Процедура сращивания (сварка) оптических волокон состоит из очистки волокна, расщепления и помещения двух волокон в монтажный блок.

Точность позиционирования улучшается, если использовать микроскоп, который обычно является частью устройства. После выравнивания положения волокон, они свариваются при помощи дугового разряда. Этот процесс отслеживается, и если соединение получилось неудовлетворительным, то процесс повторяется.

Потери в местах сращивания невелики и обычно составляют порядка 0.1 дБ.

Рис. 10.44. Оборудование для сварки волокна

Рис. 10.45. ST-разъем и точка

Механическое сращивание

Пожалуй, это наиболее распространенный метод сращивания волокон, так как при этом используются недорогие инструменты, а результат получается довольно неплохим.

Волокна выравниваются механическим образом относительно поверхности и (обычно) «сажаются» на эпоксидную смолу. Результат не столь хорош, как при сварке, но может быть довольно близок. Но главное, что оборудование для механического сращивания стоит не так дорого.

Потери при хорошем механическом сращивании лежат в пределах 0.1–0.4 дБ.

Два основных принципа механического сращивания:

— Использование V-образной канавки

— Выравнивание осей.

Оба принципа показаны на рис. 10.46.

Рис. 10.46. Механическое сращивание

Чтобы соединение было хорошим, оптоволоконный кабель должен иметь хорошую концевую заделку — это все же самая трудная часть в прокладке стекловолокна. Здесь нужна высокая точность, терпение и немного практики. Любой может научиться делать концевую заделку оптоволоконного кабеля, а если установщики системы не имеют опыта работы с волокном, то можно пригласить специалистов, которые поставят нужные разъемы, заделают кабель и проверят его. Последнее — это самое главное мероприятие при установке оптоволоконного кабеля для систем видеонаблюдения.

Мультиплексоры в волоконной оптике

Мультиплексоры в волоконной оптике отличаются от ранее описанных видеомультиплексоров. Мультиплексоры в волоконной оптике объединяют несколько сигналов в один, таким образом используя один волоконный кабель для одновременной передачи нескольких сигналов реального времени. Они особенно практичны в системах с недостаточным числом кабелей (по сравнению с количеством телекамер).

Существует несколько типов волоконных мультиплексоров. Самое простое и наиболее приемлемое (по средствам) мультиплексирование оптической передачи — это использование устройств спектрального разделения (WDM, wavelength division multiplexing). Эти устройства передают оптические сигналы от одного или нескольких источников, работающих на различных длинах волн, по одному кабелю. Такая передача становится возможна благодаря тому, что световые лучи различных длин волн не взаимодействуют (не пересекаются) друг с другом. Таким образом повышается пропускная способность кабеля, а в случае необходимости возможна также и двунаправленная передача данных.

Частотно-модулированное частотное мультиплексирование (FM-FDM, frequency-modulated frequency division multiplexing) — это экономически вполне приемлемое средство, достаточно невосприимчивое к шуму и искажениям, с хорошей линейной характеристикой и схемой средней степени сложности. На рынке существует всего несколько марок FM-FDM-мультиплексоров, предназначенных для систем видеонаблюдения. Эти устройства имеют 4, 8 или 16 каналов.

Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование (AVSB-FDM, amplitude vestigial sideband modulation, frequency division multiplexing) — это еще один тип устройств, возможно, слишком дорогих для систем видеонаблюдения, но чрезвычайно привлекательных для абонентского телевидения: с качественной оптоэлектроникой устройство позволяет передавать до 80 каналов.

Импульсно-кодовая модуляция, частотное мультиплексирование (PCM-FDM) — еще один дорогой мультиплексор. Это полностью цифровое устройство, и интерес к нему будет расти вместе с распространением цифрового видео в видеонаблюдении.

Возможны также комбинации этих методов.

В видеонаблюдении чаще используются устройства FM-FDM, позволяющие передавать больше сигналов по одному кабелю. WDM-тип мультиплексирования особенно целесообразен для PTZ или пультов управления с матричным коммутатором. Видеосигналы передаются по раздельным оптоволоконным кабелям (один кабель на телекамеру), и только один кабель использует WDM для передачи управляющих данных в противоположном направлении.

Несмотря на то, что мультиплексирование в волоконной оптике становится все более доступным, следует отметить, что на стадии планирования инсталляции кабеля рекомендуется предусмотреть, по крайней мере, один резервный оптоволоконный кабель в дополнение к рабочему.

Рис. 10.47. Пример FM-FDM мультиплексирования (методом спектрального уплотнения) в волоконной оптике

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные устройства миниатюрны. Внешний диаметр используемого в видеонаблюдении и системах безопасности кабеля составляет всего лишь 125 мкм (1 мкм = 10-6 м). Стекловолокно — материал относительно прочный, но все же легко ломается, если его изогнуть на угол, меньший определенного минимального радиуса. Поэтому характеристики кабеля должны обеспечивать адекватную механическую защиту и ударопрочность, сохраняя минимальный угол изгиба и обеспечивая легкость при укладке и обслуживании кабеля и стабильное качество передачи в течение времени жизни системы.

Общая конструкция может сильно различаться в зависимости от способа прокладки (подводный, подземный, воздушный, кабелепровод), числа каналов и пр. В любом случае кабель включает нечто вроде силовой (несущей) конструкции и жесткую внешнюю оболочку, обеспечивающую механическую защиту и защиту от воздействий окружающей среды.

По конструкции оптоволоконные кабели могут различаться довольно значительно: простой одноволоконный кабель, вставленный в трубку, стержень с пазами (открытый канал), ленточный, с защитным материалом (не обладающим оптическими свойствами).

Обсудим некоторые, наиболее распространенные в видеонаблюдении виды кабеля.

Одноволоконный и двухволоконный кабели обычно включают волокнистую силовую конструкцию (арамидную нить), покрывающую вторичную оболочку. Этот слой защищен пластиковой внешней оболочкой.

Рис. 10.48. Поперечное сечение волоконно-оптического кабеля

Рис. 10.49. Четырехволоконный кабель с силовой конструкцией

Рис. 10.50. Композитный оптико-металлический кабель

Рис. 10.51. Типичный волоконный кабель с силовыми конструкциями и наполнителями

Многоволоконный кабель может иметь множество конфигураций.

Самая простая — это группа нескольких одноволоконных кабелей с центральной силовой конструкцией внутри внешней оболочки. В качестве центральной силовой конструкции может использоваться эластичный стальной провод или укрепленная стекловолокном пластиковая жила. Такие кабели могут включать от двух до двенадцати или более коммуникационных световодов. Если в качестве центральной силовой конструкции используется пластиковая жила, то мы получим не содержащий металла оптоволоконный кабель. Такой кабель, состоящий целиком из полимеров и стекла, предназначен для установки внутри зданий. Кабель годится для многих типов систем, включая видеонаблюдение, системы безопасности, компьютерные линии и др. Такие мощные (предназначенные для работы в тяжелом режиме) кабели делаются жесткими, чтобы их можно было протягивать через кабельные каналы.

Трубочные кабели — это хорошая альтернатива одножильным кабелям и кабелям с пазухами. Оптические кабели защищены водонепроницаемой полиэстерной трубкой, наполненной гелем. Этот вид многоволоконного кабеля предназначен для прямой укладки или для кабелепроводов в протяженных системах. Он может быть сделан водонепроницаемым — с гелевым наполнителем или с воздухом под давлением.

Есть и другие конфигурации — с полиэтиленовым стержнем с пазами, что позволяет включать в кабель больше световодов. Этот тип предназначен для прямой подземной прокладки или для кабелепроводов в протяженных системах. Он может быть сделан водонепроницаемым — с гелевым наполнителем или с воздухом под давлением.

И наконец, еще один типа кабеля — это композитный оптико-металлический кабель. Такие кабели представляют собой комбинацию оптического волокна и изолированного медного провода и предназначены как для внутренней, так и для внешней укладки. Кабель может быть заполнен водозадерживающим веществом для защиты волокна от влаги, что необходимо, например, при прокладке кабеля под землей.

Рис. 10.52. Минимальный радиус изгиба

Поскольку оптоволоконный кабель намного легче любого другого кабеля, то укладывать его гораздо проще, чем электрический кабель такого же диаметра.

Благодаря защитной оболочке оптоволоконного кабеля, с ним можно обращаться почти также, как и с электрическим кабелем. Однако, следует принять меры предосторожности и удостовериться в том, что при укладке не нарушены рекомендуемые производителем требования по максимальному растяжению и прочности.

В оптическом кабеле основное напряжение падает на компоненты силовой конструкции: обычно это укрепленный стекловолокном пластик, сталь, кевлар или их комбинация, защищающие сравнительно хрупкое стекловолокно. Если натяжение кабеля превышает спецификации производителя, волокно кабеля может оказаться поврежденным.

Рис. 10.53. Так механическое воздействие сильнее

Что касается натяжения при укладке, то следует обратить внимание на максимальное разрывное усилие кабеля, выраженное в ньютонах или килоньютонах (н или кн). Типичный кабель имеет разрывное усилие около 1000 Н (1 кН). Чтобы представить, что такое ньютон, можно считать, что разрывное усилие в 9.8 Н создается в вертикально висящем кабеле с массой в 1 кг. Кроме того, производители иногда указывают максимальное долговременное разрывное усилие. Обычно оно меньше половины максимального разрывного усилия.

Как и в случае коаксиального кабеля, волоконный кабель не стоит сгибать больше, чем на специфицированный минимальный радиус изгиба. Только в этом случае дело вовсе не в изменении электрического полного сопротивления, а в предохранении волокна от излома и сохранении угла полного отражения. Минимальный радиус изгиба различен для различных кабелей и даже может иметь несколько значений, в зависимости от уровней напряжения в кабеле. Превышение специфицированного радиуса изгиба приведет к усилению напряжения в волокне и даже может разрушить жесткие силовые конструкции.

Самое главное при манипулировании кабелем или при его укладке — чтобы изгибы были как можно более плавными.

Нередко кабель во время укладки подвергается механическим воздействиям — на него могут наступить, или, что еще хуже, переехать.

Конечно, следует избегать таких воздействий, но все же кабель способен выдержать нагрузки величиной до специфицированного значения механической прочности.

Механическая прочность выражается в н/м или кн/м. Например, кабель с механической прочностью в 10 кн/м может выдержать нагрузку в 1000 кг, распределенную на 1 метр кабеля (10Н — примерно такую силу дает масса 1 кг). Допустим, рабочий весит 100 кг и носит ботинки размера 9 (или 42 в европейской системе), а ширина ботинка составляет 100 мм. Если рабочий наступит одной ногой на кабель, то кабель выдержит нагрузку. Однако, если этот кабель переедет машина, то нагрузка может превысить максимально допустимую и кабель может быть поврежден.

Рис. 10.54. Различные типы разъемов оптоволоконных кабелей

Рис. 10.55. Различные типы многоволоконного кабеля

Будьте осторожны в местах пересечения кабелей.

Нагрузка на кабель сильно увеличивается из-за малой зоны контакта — например, если человек наступит на кабели в точке их пересечения. Также и в перегруженном кабелепроводе — кабель может повредиться в точках сосредоточенной нагрузки, даже если нагрузка (вес над ним) не превышает допуска.

Оптический кабель обычно поставляется намотанным на деревянные барабаны с прочным пластиковым защитным слоем или деревянными планками по окружности барабана. При манипулировании кабельными барабанами помните об их весе. Наиболее уязвимые части кабельного барабана — это внешние слои кабеля. Следует особенно позаботиться о том, чтобы не возникало повреждений в том случае, когда барабаны складируются по вертикали и соседствуют с другими барабанами. Чтобы избежать таких проблем, следует складировать барабаны горизонтально. Если все же они лежат вертикально, то внешние края (ободы) барабанов должны соприкасаться. Барабаны не должны складироваться вперемешку. Если при разгрузке барабанов используется, например, вильчатый автопогрузчик, то не следует прикасаться к поверхности кабеля. Удерживайте барабан за обод или вдоль центральной оси.

Методы установки

До укладки кабеля барабаны должны быть проверены на предмет наличия признаков повреждения или неправильного обращения. Внешний слой кабеля должен быть тщательно осмотрен — нет ли царапин или вмятин. Если на кабеле замечены повреждения, то его следует пометить и отложить в сторону. Для короткого кабеля (меньше 2 км) можно провести простой контроль непрерывности волокна, использовав в качестве источника фонарик. Волоконный кабель для инфракрасной передачи также хорошо передает и обычный свет. Это поможет выяснить, нет ли в кабеле серьезных разрывов. Непрерывность волокна можно проверить при помощи фонарика.

Излагаемые ниже предосторожности и методы очень похожи на все то, что мы раньше говорили по поводу укладки коаксиального кабеля, но поскольку это очень важный вопрос, мы еще раз пройдемся по этой теме.

Еще до укладки кабеля следует изучить трассу на предмет потенциальных проблем вроде острых углов, забитых кабельных каналов и т. п. После определения жизнеспособного маршрута, следует распределить кабель таким образом, чтобы точки соединения и подключения усилителей находились в доступных местах.

Важно, чтобы в местах будущих соединений был оставлен достаточный запас кабеля. В общем, для сращивания линейного типа перехлест должен составлять около 5 м. В местах, где кабель выходит из кабелепровода, следует оставить около 2.5 м.

Имейте в виду, что открытые концы кабеля должны быть защищены водонепроницаемыми колпаками. Чтобы избежать напряжений на изгиб или повреждений проезжающим транспортом, следует использовать трубы. На обоих концах кабельной линии оставляют часть кабеля определенной длины (в зависимости от планируемой конфигурации).

Самое главное при прокладывании кабеля под землей — это предотвращение повреждений, связанных с чрезмерными нагрузками в локальных точках (сосредоточенными нагрузками).

Такие нагрузки могут возникать в местах контакта кабеля с неоднородным материалом засыпки или неровностями траншеи. Повреждения могут проявиться сразу, а могут некоторое время оставаться незамеченными. Так или иначе, затраты на откапывание и ремонт кабеля очень велики, и лучше сразу постараться сделать все возможное для хорошей укладки.

При прокладывании кабеля в траншеях следует предпринять меры предосторожности от повреждения кабеля и снижения его срока службы.

Рис. 10.56. Оптоволоконные приемные модули

Главная защита от повреждений — укладка кабеля на слой песка толщиной 50-150 мм и засыпка сверху слоем песка 50-150 мм. Особое внимание следует уделить выкапыванию траншеи, дно которой должно быть ровным, без выступов. При закапывании траншеи следите за тем, чтобы в засыпке не было камней, которые могут повредить кабель.

Глубина траншеи зависит от типа почвы и от ожидаемой нагрузки на поверхности. В твердой породе понадобится траншея глубиной всего в 300 мм, а если почва мягкая и траншея пересекает дорогу, то траншея должна иметь глубину 1 м. Траншея в обычных условиях должна иметь глубину 400–600 мм и песчаную подстилку толщиной 100–300 мм.

Самая простая техника — это укладка кабеля прямо с барабана в траншею или в кабельный лоток (желоб). При прокладке очень длинных кабельных линий барабан помещается на транспортное средство, при этом он может свободно вращаться вокруг оси; барабан можно держать в руках, оперев его на металлическую ось. По мере продвижения машины (или человека) кабель сматывается с барабана прямо на свое место. Не торопитесь слишком и убедитесь в том, что кабель можно временно закрепить на регулярных интервалах до его конечного закрепления.

Укладка оптического кабеля в кабельный лоток ничем особенным не отличается от такой же операции с обычным кабелем того же диаметра. Но главное, за чем надо следить — это минимальный радиус изгиба и механическая нагрузка.

Минимальный радиус изгиба нужно проверять даже тогда, когда кабельный лоток, казалось бы, этого и не требует. Не следует стремиться к аккуратности и изгибать оптический кабель, пытаясь уложить его рядом с другими кабелями.

Критичным фактором могут стать механические нагрузки на кабельный лоток, если оптический кабель проходит рядом с острыми выступами или пересекает другой кабель. Тогда оптический кабель испытывает большую нагрузку от веса вышележащих кабелей или веса персонала, наступающего на лоток.

Постарайтесь укладывать кабель в одной плоскости и не создавать точек сосредоточенных нагрузок.

Протяжка оптического кабеля через кабельный канал ничем не отличается от протяжки обычного кабеля.

Всегда используйте требуемое усилие, но не превышайте спецификаций производителя.

В общем, обычно используемые кабельные крепления — скобы и хомуты — вполне удовлетворительны, но помните, что нагрузку должна принимать не внешняя оболочка, а силовые конструкции.

Если требуется использовать смазку, обратитесь за рекомендацией к производителю кабеля. Для уменьшения трения можно использовать также тальк или гранулы из полистирола.

В некоторых случаях кабель уже имеет концевую заделку. Будьте осторожны с разъемами при протяжке кабеля. Не повредите разъемы, не загрязняйте их, не подвергайте кабель чрезмерной нагрузке в зоне соединения с разъемом.

Обычно после укладки кабеля необходимо его закрепить. В лотке кабель может закрепляться нейлоновыми стяжками. Особенно позаботьтесь о закреплении кабеля в тех местах, где он может сползать или провисать. Если невозможно использовать кабельные крепления из-за особенностей поверхности, рекомендуется использовать специальные хомуты. Следует осторожно применять подобные приспособления, чтобы не нарушить механическую целостность кабеля и не повредить соседние оболочки острыми краями. Лучше использовать хомуты с пластиковым защитным слоем, при этом для каждого кабеля следует использовать отдельный хомут. Между конечными точками крепления кабеля лучше оставить небольшую слабину, а не класть кабель в натяг, в случае чего он будет плохо «реагировать» на колебания температуры и вибрацию.

Если кабель все же был поврежден при укладке, то оставьте около поврежденной точки достаточный запас кабеля для сращивания.

Заключение: прокладка оптоволоконного кабеля не многим отличается от прокладки обычного кабеля, и если придерживаться нескольких основных принципов, то проблем при установке кабеля не будет.

Анализ оптоволоконных линий

Теперь, познакомившись с отдельными элементами оптоволоконных систем — источниками, кабелями, детекторами и техникой прокладки кабеля — мы можем обратиться к полной системе. Перед прокладкой кабеля необходимо провести анализ линии передачи, который покажет потери или усиления сигнала на каждом каскаде системы. Такой анализ не будет излишним и для других передающих сред, но для оптоволоконных линий передачи он особенно важен, так как в этом случае мы имеем дело с очень низкими уровнями мощности. Эти уровни достаточны для распространения на многие километры, но если мы не позаботимся о микроскопических соединениях, то на линии могут возникнуть потери.

Цель анализа линии передачи заключается в определении силы сигнала в каждой точке полной системы и расчете мощности на приемнике (детекторе) — достаточна ли она для приемлемого функционирования системы. Если нет, то следует исследовать все каскады и какие-то из них заменить (обычно на более дорогие), в противном случае будут снижены гарантированные характеристики системы (расстояние, скорость, ошибки).

10.57. Очень важно провести анализ линии до прокладки оптоволоконного кабеля

Для оптоволоконных систем анализ линии передачи должен также включать неизбежные вариации характеристик линии, связанные с изменениями температуры и старением компонентов, а также с разницей характеристик почти идентичных устройств, выпущенных разными производителями. В этом отношении оптоволоконные системы нуждаются в более тщательном исследовании, чем любые другие электронные системы, так как в первом случае более велики различия между устройствами одного типа и больше изменений в характеристиках системы, связанных со старением и температурой.

В качестве практического примера на рис. 10.57 приведена «поточечная» схема базовой оптоволоконной системы, состоящей из входного электрического сигнала, возбудителя источника (задающее устройство), оптического источника, километрового оптического кабеля с максимальным ослаблением сигнала в 4 дБ/км, фотоприемником (оптическим детектором) и приемником оптического излучения.

Мы предполагаем, что система обрабатывает цифровой сигнал, как в случае PTZ-блока, но логика тут такая же, как и в случае аналогового сигнал.

Расчеты начинаются с выходной оптической мощности источника (-12 дБм в этом случае) и заканчиваются оценкой мощности, видимой детектором.

В процессе анализа рассматривается каждая часть системы и для каждого звена два варианта — наилучший и наихудший — потери (или усиления) мощности, определяемой различными факторами: потерями в соединениях, ослаблением сигнала на трассе, допустимыми отклонениями обычных частей системы (наилучшее и наихудшее для данной модели), температурой и временем.

Анализ также позволяет учесть дополнительные потери в 5 дБ на случай, если в течение времени жизни системы будут проделаны дополнительные работы по ремонту или сращиванию кабеля.

Вывод: в этом примере выходная оптическая мощность, обеспечивающая распознаваемый сигнал, должна лежать в пределах от +7 дБ (в лучшем случае) до -23 дБ (в худшем случае) относительно значения номинального источника. С технической точки зрения 7 дБ означают усиление, чего мы на самом деле не имеем, скорее это относится к возможными допустимым вариациям компонентов. Поэтому приемный детектор должен обрабатывать динамический диапазон оптических сигналов от -5 дБм (-12 дБм + 7 дБм = -5 дБм) до -35 дБм (-12 дБм -23 дБ = -35 дБм), представляющих двоичную 1.

Конечно, когда источник затемнен (нет света, что дает двоичный 0), то получаемый сигнал тоже равен нулю (не считая шумов).

Понятно, что при той же электронике и том же оптоволоконном кабеле цифровой сигнал может быть передан на большие расстояния, чем аналоговый видеосигнал — благодаря большим допускам на ошибку, свойственным цифровым сигналам. Можно проделать такой же анализ и для аналогового сигнала.

Даже если мы не подготовлены или не знаем, как это сделать, мы все же можем получить ответ на главный вопрос: «Будет ли система работать?» К сожалению, ответ можно получить только после прокладки кабеля. Для этого потребуется инструмент для измерения непрерывности кабеля и ослабления сигнала. Это оптический рефлектометр временной области.

OTDR

Оптический рефлектометр временной области (OTDR, optical time domain reflectometer) предназначен для тестирования оптоволоконного кабеля после его установки с целью определения возможных повреждений, ослабления сигнала и качества концевых заделок.

OTDR посылает световой импульс на один конец оптической линии и определяет возвращаемую световую энергию во времени, величина которой напрямую зависит от пройденного светом расстояния.

Устройство подсоединяется только к одному концу кабеля и показывает нарушения непрерывности оптического пути, то есть сращения кабеля, повреждения и соединения. Работа прибора основана на физическом явлении, получившем название рэлеевское обратное рассеяние. Обратное рассеяние происходит внутри волокна и показывает ослабление сигнала по длине световода. При прохождении световых волн по световоду очень небольшая часть падающего света отражается атомной структурой и примесями оптического волокна в обратном направлении (по направлению к источнику). Затем это излучение измеряется и выводится на экран и/или на печать и служит характеристикой конкретной установки кабеля. При помощи OTDR легко выявить возможные повреждения оптоволоконного кабеля. Это очень дорогой инструмент, обычно его берут на прокат для оценки установки оптоволоконного кабеля или используют специалисты по концевой заделке кабеля.

Рис. 10.58. Оптический рефлектометр временной области (OTDR)

11. Сетевые технологии

Эра информационных технологий

Современный мир, вне всякого сомнения, является миром информационных технологий, или, выражаясь более кратко, миром IT.

С помощью систем видеонаблюдения мы обычно получаем визуальную информацию о событии, злоумышленнике, позволяющую узнать, кто входил в здание до того, как случился пожар, какова была последовательность действий, выполняемых при операции на сердце, или какие автомобильные номера были на машинах, участвовавших в дорожно-транспортном происшествии.

Итак, как можно определить термин «информация», и почему это настолько важно?

Информацией является любая передача или представление сведений, таких, как факты, данные или мнения посредством любой среды или формы, включая текстовую, цифровую, графическую, картографическую, описательную или аудиовизуальную.

Познания людей растут экспоненциально, и достижения последних нескольких десятилетий, к примеру, намного превышают объем знаний, накопленных за предыдущие тысячи лет. Объем информации в каждой отдельно взятой сфере человеческой деятельности является настолько большим, что без должного понимания и управления такой информацией мы могли бы утерять то, что мы уже знаем, и даже основные направления развития науки.

Так как количество информации растет по экспоненциальному закону, то людьми была осознана потребность в появлении сферы информационных технологий (IT), которая имеет дело с такими большими объемами информации.

Информационные технологии являются частью более обширной предметной области, особенно интересной для нас в индустрии охранного видеонаблюдения, и имеют отношение к аппаратным и программным средствам, которые обрабатывают информацию, независимо от типов используемого оборудования, будь то цифровые видеорегистраторы, компьютеры, устройства беспроводной связи или что-либо другое.

Так как в нашей повседневной жизни производится запись огромного количества информации, то первостепенную важность имеет надежный, быстрый и эффективный доступ к такой информации.

Шкафы для хранения документов и горы бумаги уступили место компьютерам, которые хранят информацию и управляют данными в электронном виде. Коллеги и друзья, разделенные друга от друга тысячами километров, имеют возможность мгновенно обмениваться информацией так же, как сотни сотрудников одного учреждения могут одновременно анализировать данные исследований, хранящиеся в сети.

Студенты, врачи, ученые могут проводить исследования и обмениваться информацией, находясь при этом на разных континентах. Компьютерные сети являются связующим звеном, соединяющим эти элементы между собой.

Огромное количество таких сетей формирует глобальную сеть, которую называют «Всемирной паутиной» или сетью Интернет. Начало этой сети было положено в 1980-е годы, немногим более 20 лет до написания данной книги, однако большую часть поиска данных для создания книги я выполнил с использованием сети Интернет.

Интернет, пожалуй, является одним из наиболее важных из всех достижений человечества.

Интернет — это поистине глобальная сеть, общность знаний и информации, к которой каждый может присоединиться без предъявления национального паспорта, независимо от цвета кожи, возраста, намерений или исповедуемой религии.

Для того чтобы понять некоторые принципы использования информационных технологий, сетей и цифровых технологий в современных системах видеонаблюдения, нам следует уделить несколько страниц основным сведениям о сетях.

Компьютеры и сети

Перед тем как дать определение термину «сеть», необходимо назвать тот термин, которым определяется основное интеллектуальное устройство, являющееся главной частью любой сети. Таким устройством является компьютер. Компьютеры уже настолько укоренились в нашей повседневной жизни, что мы не только не можем обходиться без них, но они являются неотъемлемой частью всех сфер нашей обыденной деятельности, и именно поэтому так трудно дать их точное определение. Среди многочисленных определений компьютера имеется и такое: электронное устройство, предназначенное для получения цифровой информации (ввод данных), выполнения заданных математических или логических операций с высоким быстродействием (обработка данных) и выдачи результатов таких операций (вывод данных). Под такое определение вполне подпадает и цифровой калькулятор, возможно, оно и правильное, но в области видеонаблюдения термин «компьютер» используется нами для определения электронного устройства, состоящего из аппаратных средств (центрального процессора, памяти и устройства вывода на дисплей) и программного обеспечения (операционной системы и приложений). При этом таким электронным устройством выполняется набор команд, заданных программным обеспечением.

В те годы, когда компьютеры только стали появляться, основной сферой их применения были именно высокоскоростные вычисления. По мере увеличения скорости обработки данных и наращивания вычислительной мощности, компьютеры все чаще стали использоваться для обработки изображений, видео и звука, что и является областью нашего интереса.

Рис. 11.1. Типичный компьютер, используемый в составе цифрового видеорегистратора

Первоначально в видеонаблюдении компьютеры использовались главным образом в матричных видеокоммутаторах для интеллектуального переключения телекамер на мониторы на основе логической обработки внешних тревожных сигналов, а также на основе ручного выбора. Компьютеры используются также на станциях мониторинга, на которых обрабатываются и регистрируются тысячи тревожных сигналов. В наши дни компьютеры используются во многих новых продуктах сферы видеонаблюдения, предназначенных для оцифровки, обработки, сжатия и архивирования видеоинформации.

В подавляющем большинстве такими продуктами являются цифровые видеорегистраторы (DVR), однако и сетевые телекамеры, несмотря на свой малый размер, снабжены аппаратными и программными средствами, эквивалентными компьютеру по своей функциональности.

Все эти компьютеры способны работать автономно, но их реальная мощность наиболее эффективно проявляется в сетевой среде.

Проще говоря, сеть — это объединение между собой двух или более компьютеров.

Объединение в сеть позволяет одному компьютеру пересылать информацию на другой, а также самому получать информацию. Возможно, что мы даже сами не всегда осознаем, насколько часто мы обращаемся к информации в компьютерных сетях. Интернет является наиболее явным примером объединения компьютеров в сеть, связывая миллионы компьютеров по всему миру, а более мелкие сети играют свою роль в ежедневном доступе к информации. Многие библиотеки и книжные магазины заменили свои картотеки компьютерными терминалами, позволяющими клиентам производить поиск книг намного быстрее и проще. Во многих компаниях обмен внутренней информацией осуществляется в рамках своей собственной локальной сети; рекламные материалы о продуктах и информация о проектировании систем видеонаблюдения рассылаются в электронном виде посредством сетей.

Факс-аппараты используются все реже. Многие поисковые службы сети Интернет помогают миллионам людей находить необходимую им информацию. В каждом из таких случаев объединение в сеть позволяет многочисленным компьютерам, расположенным в разных точках, получать доступ к совместно используемым базам данных.

Рис. 11.2. Пример небольшой компьютерной сети

Компьютеры в видеонаблюдении занимают все более доминирующие позиции, независимо от того работают ли они на базе полнофункциональных операционных систем, таких, как Windows или Linux, или на базе встроенных ОС, размещаемых на микросхеме. Одной из основных и необходимых характеристик компьютеров является их способность соединяться с другими компьютерами по сети и совместно использовать информацию. В действительности, сети уже имеются во многих компаниях, организациях и даже в жилых домах. Устройство системы видеонаблюдения в рамках таких сетей сводится всего лишь к подсоединению сетевого кабеля к цифровому видеорегистратору, сетевой телекамере или к компьютеру, снабженному специальной платой видеоввода. После осуществления несложной настройки сети система видеонаблюдения может начать работать в течение очень короткого промежутка времени.

Легкость переоборудования и монтажа сети является одним из основных (но не единственных) привлекательных аспектов использования сетей для систем видеонаблюдения, не говоря уже о том, что современные сетевые системы видеонаблюдения достаточно часто используют уже существующую сетевую инфраструктуру. Впрочем, многие проектировщики систем создают отдельные параллельные сети, поскольку система видеонаблюдения становится более защищенной и, что важнее всего, не влияет на информационную нагрузку сети, предназначенной для обычного ежедневного обмена данными.

Как только мы переходим на сетевую организацию системы видеонаблюдения, мы сталкиваемся со многими новыми проблемами и ограничениями, которые необходимо понять для дальнейшего усовершенствования или модификации нашей системы.

Далее в этой книге мы более детально остановимся на этих вопросах, но сначала имеет смысл ознакомиться с основами сетевой организации, а затем разъяснить некоторые из ключевых понятий и используемую терминологию.

Локальные и глобальные сети

Существует несколько типов конфигураций и методов (протоколов) передачи данных по сети. Сюда относятся интерфейс для передачи распределённых данных по оптоволоконным каналам (FDDI), локальные сети кольцевой топологии с маркерным доступом (Token Ring) (стандарт IEEE 802.5) и Ethernet (стандарт IEEE 802.3).

Из трех вышеназванных методов наиболее популярным является Ethernet, которому мы уделим наибольшее внимание.

Более 85 % мировых локальных сетей используют передающую среду Ethernet, главным образом, благодаря простоте ее концепции, легкости для понимания, реализации и обслуживания; она делает возможной низкозатратную реализацию сетей; обеспечивает широкую топологическую гибкость; гарантирует взаимосвязь и функционирование различных продуктов, соответствующих стандартам Ethernet, независимо от того, какая компания является изготовителем и какая операционная система используется.

В зависимости от масштабов таких сетей, они делятся на две основные группы: локальные (LAN) и глобальные (WAN) сети.

Локальные сети (LAN) соединяют множество устройств, находящихся в относительной близости друг от друга, чаще всего в пределах одного здания. Типичным примером является предприятие или компания, в которых имеется, по крайней мере, несколько компьютеров. Иногда такую конфигурацию называют внутрикорпоративной сетью или интранет (Intranet).

В классической конфигурации локальной сети один компьютер назначается в качестве сервера. На нем хранится все программное обеспечение, управляющее сетью, включая программы, которые могут совместно использоваться компьютерами, соединенными в сеть. Компьютеры, соединенные с сервером, называются клиентами (или рабочими станциями). В большинстве локальных сетей для соединения сетевых интерфейсных плат каждого компьютера используется кабель.

Глобальная сеть (WAN) объединяет некоторое количество компьютеров, которые могут находиться на расстоянии многих километров друг от друга. Например, когда у компании имеются офисы в нескольких крупных городах, находящихся в сотнях километров друг от друга, то все локальные сети, скорее всего, будут объединены в глобальную сеть, с использованием выделенных линий, арендуемых у местных телефонных компаний, или доступных каналов ISDN, ADSL или же других видов сетевых подключений.

Глобальные сети обеспечивают связь для более обширных географических территорий как внутри страны, так и в международном масштабе. В таких типах сетей могут использоваться спутниковые каналы связи или выделенные трансокеанские кабельные линии. Глобальные сети могут представлять собой системы высокой сложности, так как они могут объединять локальные и городские сети с глобальными сетями передачи данных, такими, как Интернет. Однако пользователю не будет казаться, что глобальная сеть является более сложной, чем локальная сеть.

По сравнению с глобальными сетями локальные сети являются более быстрыми и надежными, тем не менее, усовершенствование технологий продолжает размывать границы между этими двумя технологиями, благодаря чему локальные сети теперь способны соединять устройства, расположенные в десятках километров друг от друга, одновременно повышая скорость и надежность глобальных сетей. Также уже размывается граница между глобальными сетями и сетью Интернет.

Интернет можно рассматривать в качестве самой крупномасштабной глобальной сети.

Объединение в сеть позволяет пользователю получать доступ к данным, находясь в любой точке земного шара. Это означает, что сотрудник какой-либо компании в городе А может отправлять (загружать в удаленный компьютер) или получать (загружать из удаленного компьютера) файлы за несколько секунд, обмениваясь ими со своим коллегой, находящимся в городе Б. Такой файл может представлять собой документ с расценками на продукцию, рекламный листок, программу или цифровую фотографию.

В видеонаблюдении нас в основном интересует видеоизображение (видеокадры или последовательность сменяющихся кадров), но также может потребоваться и другая информация (аудиозаписи, списки тревожных событий и другие данные, зарегистрированные системой). Все это мы можем легко получить, так как при соответствующем уровне защиты и правильном пароле доступ ко всей информации, собранной цифровой системой видеонаблюдения, осуществляется из любой точки сети также, как отображение и копирование этой информации.

Очевидно, что если для видеонаблюдения используются традиционные аналоговые телекамеры, то видеосигнал сначала должен быть оцифрован, для того чтобы с ним могли работать сетевые компьютеры. Также можно использовать сетевые телекамеры, которые уже изначально предназначены для работы по сети.

Рис. 11.4

Рис. 11.5. Пример локальной и глобальной сети

В данной книге уделено внимание и преобразованию видеоданных в цифровую форму, и их сжатию, здесь же важно отметить, что оцифрованные данные проще копировать, распечатывать, пересылать, хранить и использовать при условии, что у нас имеется соответствующий уровень доступа к данным.

Это является очень большим преимуществом для систем безопасности, так как создается возможность мониторинга удаленных объектов и управления системами из любого места в любое время. Большинство цифровых видеорегистраторов или сетевых телекамер сконструированы так, что пользователи имеют возможность просматривать информацию с удаленного объекта так, как если бы они сами физически там присутствовали.

Рис. 11.6. Типичная сетевая телекамера

Ethernet

Для начала обратимся к некоторым историческим фактам.

В 1973 году в исследовательском центре Пало-Альто (более известном как PARC), принадлежащем корпорации Xerox, сотрудником этого центра Бобом Меткалфом была разработана и протестирована первая сеть Ethernet. Разрабатывая способ подключения компьютера Alto, разработанного в компании Xerox, с принтером, Меткалф создал физический метод кабельного подключения, соединяющего устройства в локальной сети, а также стандарты, регулирующие систему связи. Скорость передачи данных при таком подключении составляла приблизительно 3 Мбит/с. В своем первоначальном варианте доклад Меткалфа описывал Ethernet как «разветвленную широковещательную систему связи для доставки пакетов цифровых данных на локально-распределенные вычислительные станции. Механизм доставки пакетов, обеспечиваемый Ethernet, используется для создания систем, которые можно рассматривать либо в качестве локальных компьютерных сетей, либо как слабосвязанную многопроцессорную систему. Совместно используемые средства связи в составе сети Ethernet, ее «эфир» (Ether) — это средства пассивной передачи без какого-либо центрального управления. Координация доступа в эфир для трансляции пакетов распределяется между конкурирующими передающими станциями с использованием контролируемого статистического арбитража (разрешения конфликтов). Коммутация пакетов к их пунктам назначения в сети распределяется между принимающими станциями посредством распознавания адресов пакетов».

Вслед за этим консорциум, состоящий из трех компаний — Digital Equipment Corporation (DEC), Intel и Xerox — примерно в 1980 году осуществил совместную разработку, в результате которой была определена версия Ethernet 1.0, обеспечивающая скорость передачи данных 10 Мбит/с. В 1983 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) выпустил стандарт IEEE 802.3, основанный во многом на версии Ethernet 1.0 и очень на нее похожий.

В 1985 году официальный стандарт IEEE 802.3 был опубликован, ознаменовав собой начало новой эры, что и привело к появлению сети Интернет несколькими годами позже.

С той поры Ethernet превратился в самую популярную и наиболее широко используемую сетевую технологию в мире. Многие проблемы, связанные с Ethernet, являются общими для многих сетевых технологий, поэтому понимание того, как эти проблемы решаются в сетях Ethernet, может послужить основанием улучшения общего понимания сетевых технологий.

Основные категории сетей Ethernet Ethernet

10 Мбит/с (стандарт IEEE 802.3)

Данная категория сети Ethernet имеет отношение к первоначальной технологии локальных сетей, работающих со скоростью 10 Мбит/с. Ethernet может работать в различной проводной среде передачи данных, включая витую пару и коаксиальный кабель. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с отличается от других высокоскоростных технологий Ethernet, таких, как FastEthernet, Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet.

В зависимости от типа используемого кабеля различают следующие виды сетей 10 Мбит/с:

— 10BaseT — Ethernet на базе витой пары

— F10Base — Ethernet на базе оптоволокна

— 10Base2 — Ethernet на базе тонкого коаксиального кабеля

— 10Base5 — Ethernet на базе толстого коаксиального кабеля

Fast Ethernet (стандарт IEEE 802.3U)

Fast Ethernet включает в себя несколько спецификаций Ethernet 100 Мбит/с. Он обеспечивает десятикратное увеличение скорости передачи по сравнению со спецификацией 10BaseT Ethernet, сохраняя при этом такие качества, как формат фрейма данных, механизмы управления доступом к сетевой среде (MAC), а также максимальный размер передаваемого блока данных (MTU). Сходство между различными категориями сетей Ethernet позволяет использовать имеющиеся в наличии приложения 10BaseT и средства сетевого управления и в сетях стандарта Fast Ethernet.

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3Z)

Сетевая технология Gigabit Ethernet занимает высшую ступень среди протоколов семейства Ethernet, но здесь скорость передачи увеличивается уже в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet и достигает 1000 Мбит/с, или 1 гигабит в секунду (Гбит/с). За счет технологий Gigabit Ethernet клиентские машины в сети могут обмениваться между собой со скоростью 10/100 Мбит/с, а с сервером — со скоростью до 1000 Мбит/с.

За счет совместимости со стандартом Ethernet, а также с ранее инсталлированными коммутаторами и маршрутизаторами Ethernet и Fast Ethernet, сетевым администраторам нет необходимости переучиваться или повышать квалификацию специально для работы с новой технологией и обеспечения поддержки сетей стандарта Gigabit Ethernet.

Gigabit Ethernet для медного кабеля (IEEE 802.3AB)

Сетевая технология Gigabit Ethernet для медного кабеля (известная также как стандарт 1000BaseT) является расширенной версией стандарта Fast Ethernet. Данная технология предусматривает функционирование сетей Gigabit Ethernet на базе уже проложенных кабельных систем категорий 5е/6, тем самым создавая возможность для реализации высокоэкономичного технического решения. В результате большинство сетевых конфигураций Fast Ethernet, работающих по витой паре, могут также обеспечивать работу Gigabit Ethernet с использованием имеющейся сетевой инфраструктуры для значительного повышения производительности сети для особо требовательных к полосе пропускания приложений.

10 Gigabit Ethernet является по существу более быстрой версией технологии Ethernet. В ней используется протокол доступа к сетевой среде (MAC) стандарта IEEE 802.3 и такие же формат и размер фрейма. 10 Gigabit Ethernet поддерживает полнодуплексную связь так же, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Так как 10 Gigabit Ethernet является развитием технологий Ethernet, он поддерживает все интеллектуальные сетевые службы, основанные на Ethernet, включая многопротокольную маршрутизацию с использованием меток (MPLS), коммутацию уровня 3, качество и класс предоставляемых услуг (QoS), кэширование, выравнивание нагрузки сервера и использование политик администрирования сетей.

Эта технология позволяет также минимизировать затраты на обучение пользователя за счет поддержки привычных средств управления и знакомой архитектуры. При скорости передачи данных в 10 Гбит/с, технология 10 Gigabit Ethernet предоставляет низкозатратное решение, одновременно удовлетворяя требования к высокой пропускной способности в локальных, региональных и глобальных сетях. Потенциальные сферы применения и рынок для 10 Gigabit Ethernet являются огромными, включая предприятия, университеты, поставщиков телекоммуникационных услуг и провайдеров услуг Интернет.

Беспроводная сеть Ethernet (стандарт IEEE 802.11)

Массовая популярность и практичность беспроводных коммуникаций между компьютерами, маршрутизаторами или цифровыми видеоустройствами делает такой вид связи все более распространенным, поэтому производители вынуждены выпускать все более совершенные и более дешевые устройства.

После того как многие годы на рынке царили несовместимые между собой разработки отдельных компаний и малоэффективные стандарты, наконец, и для беспроводных сетей решили утвердить единый комплекс стандартов (серия стандартов IEEE 802.11). Эти относительно недавно принятые стандарты определяют принципы работы беспроводного Ethernet или беспроводных локальных сетей (WLAN), которые также называют Wi-Fi (Wireless Fidelity).

Основная масса продуктов относится к двум главным категориям. Первая имеет скорость передачи данных 11 Мбит/с, вторая — 54 Мбит/с. При этом большая часть этой продукции использует свободный диапазон частот 2.4 ГГц. Данная технология появилась относительно недавно, но уже завоевала большую популярность, поэтому в конце главы мы уделим больше места беспроводным сетям Ethernet.

Скорость передачи данных и типы сетевых кабелей

По определению Ethernet является технологией локальных сетей, то есть обеспечивает работу сетей, как правило, расположенных в пределах одного здания, соединяя близкорасположенные устройства. Первоначально в большинстве сетей Ethernet использовался коаксиальный кабель. Однако, витая пара категорий 3, 5 и 6 сейчас стала более предпочтительной передающей средой для небольших локальных сетей.

Ethernet использует шинную или звездообразную топологию (или их комбинацию) и поддерживает скорости передачи данных 10,100,1000 или 10000 Мбит/с. Вслед за базовой спецификацией Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (часто называемой 10BaseT с использованием витой пары) стали разрабатываться более новые и быстрые стандарты, среди которых особенно известными являются стандарты 100 Мбит/с или Fast Ethernet, 1000 Мбит/с или Gigabit Ethernet, а также 10 Gigabit Ethernet, разработка которого велась во время написания данной книги и уже была близка к завершению.

Стандарт Ethernet постепенно включает в себя новые технологии по мере совершенствования компьютерных сетей, но в основе каждой современной сети Ethernet лежат принципы из первоначального проекта Меткалфа. Изначально стандарт Ethernet характеризовался тем, что связь обеспечивалась по единому кабелю, совместно используемому всеми устройствами в сети. Как только устройство подключается к такому кабелю, оно может взаимодействовать с любым другим устройством, подключенным к этому же кабелю. Это позволяет наращивать сеть, подключая к ней новые устройства, при этом устройства, уже имеющиеся в сети, не требуют никаких модификаций.

В таблице, приведенной выше, указывается приблизительное время, необходимое для загрузки файлов разного размера в сетях с различной пропускной способностью.

С какой скоростью происходит обновление видеокадров, передаваемых по сети, или сколько времени требуется на загрузку того или иного фрагмента архива — это один из наиболее часто задаваемых вопросов в современном видеонаблюдении.

Для того чтобы читатели смогли понять и рассчитать эти показатели, необходимо напомнить, что существует разница между битами (в английском языке пишется со строчной буквы «b» (bits)) и байтами (пишутся с прописной буквой «В» (Bytes)). Один байт состоит из 8 битов. Поэтому, делая приближенный расчет времени, требующегося для загрузки файла по какому-либо определенному каналу передачи данных, скорость передачи данных в Мбит/с должна быть сначала переведена в Мбайт/с посредством деления на 8. Кроме того, необходимо принять в расчет потери вследствие конфликтов сетевого трафика и помех, а эти потери могут составлять от 10 до 50 %. Таким образом, при расчетах для большинства сценариев с наиболее неблагоприятными условиями, необходимо использовать величину в 50 % от значения скорости передачи данных.

Например, если у нас имеется коммутируемое соединение с Internet с использованием типового модема со скоростью соединения 56 кбит/с, то максимальная скорость передачи будет составлять примерно 6–7 кбайт/с при наиболее благоприятном сценарии и приблизительно 3 кбайт/с — при наихудшем сценарии. При подключении к сети с помощью модема по обычной коммутируемой телефонной линии связи (PSTN) мы все еще используем методы аналоговой модуляции, качество которой может колебаться в весьма значительных пределах в зависимости от помех на линии, расстояния и качества аппаратуры, поэтому возможно, что в случае наихудшего сценария скорость передачи может быть даже ниже, чем 3 кбайт/с. Таким образом, при использовании модема со скоростью передачи 56 кбит/с не может быть гарантии, что установленная связь будет обеспечивать скорость в 56 кбит/с, однако, эта цифра представляет максимально достижимую скорость передачи данных при идеальных условиях. Возвращаясь к нашему примеру, если нам необходимо загрузить, скажем, файл размером 1 Мбайт, то на это уйдет не менее 150 секунд (1024 килобайта делим на 7 кбайт/с) при условии наличия качественной связи по коммутируемой телефонной сети. Для передачи того же файла по Интернет-каналу ADSL, имеющему скорость соединения 512 кбит/с, понадобится гораздо меньше времени, но не менее 16 секунд (512 кбит/с = 64 кбайт/с; 1024 кбайт делим на 64 кбайт и получаем 16 секунд), а может, понадобится даже и 32 секунды, при плохом качестве аппаратуры или линии.

И тем не менее, это намного быстрее по сравнению с более чем 2.5 минутами при соединении через модем, рассчитанный на 56 кбит/с.

При расчетах, подобных приведенным выше, необходимо учитывать тот факт, что самая высокая скорость загрузки файла будет равна самой низкой скорости, обеспечиваемой конкретной линией.

Это означает, что если компьютер, с которого вы загружаете файл, имеет ограниченную скорость передачи, гораздо меньшую, чем скорость загрузки на вашем компьютере, то этим и будет определяться ваше время загрузки.

Те же принципы в расчетах скорости передачи данных применимы к различным устройствам сетевой связи и хранения данных. Каждый компонент компьютера и сети накладывает свои собственные ограничения на систему в целом.

Очень важно не забывать об этом, особенно при проектировании современных цифровых систем видеонаблюдения, предъявляющих растущие требования для более быстрой передачи данных, записи с большего количества телекамер, а также большего числа кадров в секунду.

Все компоненты в такой цепи потокового видео оказывают влияние на общую производительность сети. Проблема «узких мест» не всегда создается самой сетью. Если, допустим, у нас имеется сеть Gigabit Ethernet (с соответствующими сетевыми адаптерами, сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами), то может оказаться, что компьютер, выполняющий роль цифрового видеорегистратора, использует интерфейс жесткого диска АТА66, максимальная скорость которого ограничена 520 Мбит/с, то есть он является более медленным, чем сама сеть, и сам уже становится «узким местом» при воспроизведении изображений с нескольких телекамер на нескольких операторских пультах.

Четкое представление о цифровой сетевой системе в целом и о каждом ее отдельном компоненте является ключевым условием для успешной реализации этой новой технологии в области видеонаблюдения.

Рис. 11.7. График иллюстрирует пропускную способность в отношении различных типовых устройств и стандартов

Сети Ethernet на базе коаксиального кабеля и неэкранированной витой пары

В сетях Ethernet используется тонкий коаксиальный кабель (RG-58) с волновым сопротивлением 50 Ом в противоположность кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, используемому в аналоговых системах (RG-59). Так как эти две разновидности кабеля почти одинаковы по размеру и используют сходные разъемы BNC, то необходимо соблюдать осторожность, чтобы их не перепутать. При использовании коаксиальных кабелей Ethernet концевая заделка правильными типами разъемов является настолько же важной, если не более важной, как и заделка кабеля в аналоговых видеосистемах. Если сеть конфигурирована по шинной топологии с использованием коаксиального кабеля, то оба конца такой шины должны иметь терминаторы на 50 Ом. Построение сети на основе коаксиального кабеля подразумевает несимметричную передачу, как это имеет место при передаче видеосигналов в аналоговых системах видеонаблюдения, в то время как неэкранированная витая пара (UTP) обеспечивает симметричную передачу. При построении сетей с коаксиальным кабелем обеспечивается передача на большие расстояния без использования повторителей, однако, симметричные линии обладают другими важными преимуществами в отличие от несимметричных, главным образом, за счет устранения внешних электромагнитных помех посредством применения тех же принципов, что и при передаче видеосигнала по витой паре.

Понятие «симметричный» характеризует физическую конфигурацию и диэлектрические свойства витой пары проводников. Если два изолированных провода физически идентичны друг другу по диаметру, концентричности (жила и оболочка) и диэлектрическим свойствам изолирующей оболочки, а также равномерно скручены на определенной длине, то пара является электрически симметричной (сбалансированной) по отношению к окружающей ее среде. Степень симметричности зависит от конструктивной схемы и чистоты технологических процессов при производстве. Для обеспечения симметричной передачи сигнала напряжения, прикладываемые к каждому проводу пары, должны быть равны по абсолютному значению и отличаться полярностью. Электромагнитное поле, создаваемое одним проводником, подавляет электромагнитное поле второго проводника и наоборот, что приводит к очень малому уровню излучения линии передачи на базе симметричной витой пары.

В отношении внешних помех, мы считаем, что они наводятся одинаково на обоих проводах. Поэтому разность напряжений, наведенных внешними помехами, будет равна нулю. Так как полезным является дифференциальный (разностный) сигнал, то синфазная помеха никак не повлияет на симметричную передачу. Степень симметричности оценивается соотношением напряжения дифференциального (разностного) сигнала к напряжению синфазного сигнала, выраженным в децибелах (дБ). Использование высококачественных сетевых интерфейсных устройств, кабелей, а также качественных концевых кабельных разъемов всегда облегчает подготовку кабельных систем категории 5 и 6 и обеспечивает хорошее качество построения сети. Именно поэтому большинство локальных сетей в настоящее время строится на основе категорированных кабельных систем.

Термин «категория», используемый при классификации кабелей с неэкранированной витой парой (UTP). Различия при определении категории кабелей основываются, главным образом, на полосе пропускания, типе медной проволоки, размере и электрических характеристиках. В настоящее время наиболее популярными категориями кабельных систем являются 3, 4, 5, 5е и 6, каждая из которых определена рекомендациями Ассоциации электронной промышленности (EIA) и Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA) США.

Рис. 11.8. Локальная сеть Ethernet на коаксиальном кабеле

EIA/TIA определяют следующие пять категорий кабеля витой пары:

— Категория 1 — традиционный телефонный кабель

— Категория 2 — кабель, сертифицированный для передачи данных со скоростью до 4 Мбит/с

— Категория 3 — симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 16 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT и 100BaseT4. Кабель категории 3 наиболее часто встречается в имеющихся схемах учрежденческой кабельной разводки и обычно является четырехпарным.

— Категория 4 — симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 20 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT и 100BaseT4. Состоит обычно из четырех пар проводов. Эта марка неэкранированной витой пары не является распространенной.

— Категория 5 — симметричный кабель с волновым сопротивлением 100 Ом и рабочим диапазоном частот до 100 МГц. Данный кабель используется в сетях стандарта 10BaseT, 100BaseT4 и 100BaseTX.

Кабели категории 5 для сетей 10/100 Ethernet состоят из 8 проводов, 4 из которых используются для передачи сигналов данных. Остальные провода скручены вокруг этих информационных шин в целях обеспечения электрической стабильности и сопротивления электромагнитным помехам.

Кабельный разъем известен под названием RJ-45 и внешне напоминает большой разъем телефонной линии.

Рис. 11.9. Разъем RJ-45

Электрические сигналы распространяются по кабелю очень быстро (обычно 65 % скорости света), однако, в отношении цифровых сигналов, как и в случае с аналоговыми, применяются те же законы электричества — по мере распространения сигналы ослабляются и находятся под влиянием внешних электромагнитных помех. Воздействие перепадов напряжения в сочетании с индуктивностью проводов и их емкостного сопротивления для высокочастотных сигналов (высокая скорость передачи битов) и внешние электромагнитные помехи накладывают физические ограничения на дистанцию, на которую определенный кабель может передавать данные, до того как они дойдут до повторителя (коммутатора или маршрутизатора). Сетевой кабель должен быть достаточно коротким для того, чтобы устройства на его противоположных концах могли четко получать сигналы друг от друга с минимальной задержкой. Это накладывает ограничение на максимальное расстояние между двумя устройствами. Называется это сетевым диаметром сети Ethernet.

Ограничения накладываются и на другую передающую среду сетей Ethernet, включая беспроводную связь и оптоволоконные линии, хотя здесь минимальные расстояния отличаются от тех, которые применимы к медной проводке.

В наиболее распространенном сетевом кабеле категории 5 используются провода стандарта AWG24 с волновым сопротивлением 100 Ом, имеющие диаметр порядка 0.2 мм. Напоминаем читателям, что AWG (Американский сортамент проводов) является системой стандартизации толщины проводов. Калибр изменяется обратно пропорционально диаметру провода, который определяет величину электрического сопротивления (чем меньше номер AWG, тем больше диаметр проводника и ниже его сопротивление).

Кабель на витой паре выпускается в двух основных модификациях: одножильной и многожильной. Одножильный кабель поддерживает более протяженные трассы и наилучшим образом работает в конфигурациях с фиксированной разводкой, как, например, в офисных зданиях. С другой стороны, многожильный кабель является более гибким и лучше подходит для более коротких расстояний с подвижной кабельной проводкой, как, например, коммутационный кабель.

Одна из разновидностей кабельных систем категории 5, категория 5-е, представляет собой еще более производительный сетевой кабель. Данный стандарт был одобрен в 1999 году и официально называется ANSI/TIA/EIA 568A-5, или просто Категория 5 е (буква «е» от английского слова «enhanced» — улучшенный). Кабель категории 5е также имеет волновое сопротивление 100 Ом и отличается полной обратной совместимостью с оборудованием кабельной системы предыдущий версии (категории 5). Улучшенная производительность кабеля категории 5 е гарантирует поддержку кабелем систем, требующих дополнительной ширины полосы пропускания, таких, как сети Gigabit Ethernet или аналогового видеосигнала (если используется для передачи видеосигнала по витой паре).

Кабельные системы категории 5е предоставляют возможность модернизации с постепенным наращиванием, что обеспечивает поддержку функционирования полнодуплексных сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Основную разницу между категорией 5 и 5е можно найти в спецификациях, из которых видно, что требования к производительности были повышены только в незначительной степени.

В то время как компоненты кабельных систем категории 5 могут в какой-то степени функционировать в сетях Gigabit Ethernet (на коротких расстояниях), то в сценариях с высокой скоростью передачи данных они работают плохо. Кабели категории 5е лучше работают с оборудованием, рассчитанным на гигабитные скорости обмена данными. Поэтому с коммутатором на 100 Мбит/с лучше использовать кабель категории 5е вместо кабеля категории 5.

Следующий уровень в кабельной иерархии занимает категория 6 (стандарт ANSI/IA/EIA-568-B.2–1), одобренная Ассоциацией электронной промышленности и Ассоциацией телекоммуника ционной промышленности США (EIA/TIA) в июне 2002 года.

Категория 6 обеспечивает более высокую производительность, чем категория 5е, и отличается более жесткой спецификацией относительно перекрестных и системных помех.

Рис. 11.10. Типовая схема штыревого контакта разъема RJ-45 согласно стандарту EIA Т-568 (вид со стороны контактов)

Категория 6 также имеет волновое сопротивление 100 Ом, но требует большей степени точности при изготовлении по сравнению с Категорией 5. Аналогичным образом, соединители категории 6 нуждаются в более сбалансированном схемном решении. Категория 6 обеспечивает более высокую производительность, чем категория 5е, и имеет более жесткую спецификацию в отношении перекрестных и системных помех.

Все компоненты кабельных систем категории 6 обратно совместимы с предыдущими версиями категорий 5е, 5 и 3.

Качество передачи данных зависит от производительности компонентов канала. Таким образом, для передачи в соответствии со спецификациями категории 6 все соединители, коммутационные шнуры, коммутационные панели, кроссы и кабельная разводка должны удовлетворять требованиям стандартов категории 6.

Канал передачи данных по существу включает в себя все, начиная с настенной пластины и заканчивая коммутационным шкафом. Испытания для определения рабочих характеристик компонентов кабельных систем категории 6 проводятся как отдельно по каждому элементу, так и в целом. Кроме того, согласно требованиям стандарта должна обеспечиваться универсальность так, чтобы в канале связи можно было использовать компоненты категории 6 любого изготовителя. Согласно требованиям передачи данных по каналу категории 6 величина отношения затухания сигнала к уровню суммарных двунаправленных наводок (PS-ACR) должна быть больше нуля или равной нулю при частоте 200 МГц.

Кроме этого, все компоненты кабеля категории 6 должны быть обратно совместимы с предыдущими версиями — категориями 5е, 5 и 3.

Если с компонентами категории 6 используются компоненты другой категории, то канал будет работать с производительностью передачи данных более низкой категории. Например, если кабель категории 6 используется с соединителями категории 5 е, то канал будет функционировать с производительностью категории 5е.

Кабели категории 6 состоят из четырех пар медного провода и, в отличие от категории 5, все четыре пары используются; скорость передачи данных, которую поддерживает данная категория, более чем в два раза превышает скорость категории 5е. Как и в случае со всеми другими типами кабелей на витой паре стандарта EIA/TIA, длина трассы кабеля категории 6 ограничивается максимальным рекомендованным расстоянием 100 м.

Благодаря улучшенной производительности и высокой степени устойчивости от внешних помех, системы, работающие на базе кабеля категории 6, будут производить меньшее количество ошибок по сравнению с текущими приложениями, работающими на базе категории 5е.

Это означает меньшее количество повторных передач утерянных или поврежденных пакетов данных при определенных условиях, что, в свою очередь, повышает надежность.

Самым «быстрым» медным кабелем стандарта ЕIА/TIА в настоящее время является кабель категории 7, предназначенный для сетей с гигабитными скоростями обмена данными. Данная категория пока что находится на стадии разработки.

Предполагается, что категория 7 будет полностью совместимой с предыдущими стандартами. Кабель категории 7 уже не является неэкранированным.

Требования спецификации настолько высоки, что каждая пара должна быть экранирована, кроме этого все четыре пары затем еще раз экранируются, в результате чего кабель категории 7 является самым дорогим из всех категорий. Кроме этого, с категорией 7 больше не используются разъемы RJ-45. Многие будут утверждать, что оптоволоконный кабель является лучшим выбором, если вам необходим высокопроизводительный сетевой кабель, поэтому мы оставляем эту категорию и советуем почитать о ней в более современных справочниках и руководствах, но читателю необходимо знать о том, что ведутся разработки новых категорий кабеля.

Рис. 11.11. Кабель экранированной витой пары категории 7

Коммутационный кабель и перекрестный кабель

Применительно к сети Ethernet имеются два типа схем кабельных соединений: коммутационная и перекрестная.

Коммутационный шнур используется для соединения компьютеров при помощи концентраторов или коммутаторов (иногда его называют кабелем прямого подключения).

Перекрестный кабель (crossover) обычно используется для соединения двух ПК без применения концентратора, или же он может использоваться для каскадного включения двух концентраторов без применения порта каскадирования.

Перекрестным кабелем является сегмент кабеля, перекрещивающийся на штыревых контактах 1 и 2 и 3 и 6, являющихся соответственно контактами передатчика и приемника, позволяющих двум компьютерам обмениваться информацией. Если на кабеле никак не помечено, что это перекрестный кабель, тогда это, скорее всего, не что иное, как стандартный коммутационный кабель.

Если вы точно не знаете, какой у вас тип кабеля, вы можете положить рядом два разъема RJ-45 с одной и той же стороны (как показано на фотографиях) и, если цвета проводков будут располагаться в одинаковом порядке слева направо, то это коммутационный кабель.

Если у штыревых контактов 1 и 2 цвета проводков расположены в обратном порядке, то тогда это перекрестный кабель. Было бы хорошим правилом, если бы цвет перекрестного кабеля всегда отличался от цвета большинства используемых коммутационных кабелей — например, желтый перекрестный кабель среди синих коммутационных проводов.

В противоположность одножильному, многожильный кабель состоит из нескольких проводов небольшого калибра в каждой отдельной изолированной кабельной муфте. Многожильный кабель является более гибким, что делает его более пригодным для коммутационных шнуров. Рекомендуемая максимальная

длина при использовании коммутационных кабелей равна 10 м. Данная конструкция наилучшим образом подходит для участков, где необходимо изгибание, а также при частых заменах на стенных выводах или коммутационных панелях. Многожильные провода не способны передавать сигналы данных на такие же большие расстояния, что и одножильный кабель.

Рис. 11.12. Разъемы коммутационного и перекрестного кабелей

Рис. 11.13. Коммутационный кабель

Рис. 11.14. Перекрестный кабель

Стандарт EIA/TIA 568A ограничивает общую длину многожильных кабелей до 10 метров. Это не значит, что вы не можете использовать многожильный кабель для более протяженных участков трассы; просто это не рекомендуется. В некоторых инсталляциях многожильный кабель прокладывается на расстояние более 30 метров и работает без проблем, но следует соблюдать осторожность при использовании многожильного кабеля в более масштабных коммуникациях. Одножильный кабель имеет в каждой муфте один провод более крупного калибра.

Одножильный кабель обладает лучшими электрическими характеристиками по сравнению с многожильным кабелем, традиционно используется внутри стен и прокладывается через потолок или на любых протяженных участках. Все эти распределенные по категориям сетевые кабели (использующие одножильный провод) рассчитаны на прокладку на максимальную длину до 100 м, прежде чем необходима будет установка повторителя.

Это не значит, что более дальние расстояния являются невозможными, но это в большой степени зависит от качества кабеля и предполагаемой пропускной способности сети. Например, если кабель категории 6 используется в сети со скоростью передачи до 100 Мбит/с, то возможны и расстояния свыше 100 м, так как категория 6 имеет очень повышенные требования к спецификации и рассчитана на сети с гигабитными скоростями. Узнать, на какое максимальное расстояние можно использовать кабель без повторителя (маршрутизатора/коммутатора), можно только посредством тестирования.

Существует большой выбор как дорогих, так и дешевых инструментов для проверки качества коммутационного и перекрестного кабеля, поэтому каждому специалисту по прокладке сетевого кабеля рекомендуется обзавестись, по крайней мере, самыми простейшими средствами.

Рис. 11.15. Существует множество обжимных инструментов для разъемов RJ-45

Электромагнитные помехи представляют собой один из главных источников проблем для любой медной проводки, включая категорированные типы кабелей. Электромагнитные помехи являются потенциально вредными для вашей системы связи, так как могут вызвать затухание сигнала и ухудшить общую производительность высокоскоростного категорированного кабеля.

Электромагнитные помехи при передаче или получении сигнала вызываются действием электрических или магнитных полей, существующих вблизи любого кабеля электропитания, крупногабаритного электрооборудования или источников освещения люминесцентными лампами. К сожалению, это является основным свойством электрического тока, проходящего по медному проводу, это также является основой электромагнитной взаимосвязи.

Мы говорим «к сожалению» в данном случае, когда обсуждаем нежелательные помехи для передачи сигналов по кабелю, но фактически тот же принцип используется при выработке электроэнергии и приведении в действие электродвигателей, и в таких случаях электромагнитные помехи (здесь их следует называть электромагнитной индуктивностью) являются весьма желательным результатом.

Устранить электромагнитные помехи можно очень просто. Для этого нужно прокладывать сетевой кабель на расстоянии не менее 30 см (1 фута) от кабеля электропитания, или, если необходимо, перейдя с неэкранированной витой пары на более дорогой экранированный кабель. Это основные правила, которые необходимо всегда соблюдать.

Единственный случай, когда отсутствует проблема электромагнитных помех — это использование оптоволоконного кабеля. Объясняется это тем, что оптоволокно не проводит электричество, а в качестве передающей среды использует свет. Возможности дальней связи и более широкой полосы пропускания обычно достигаются за счет использования оптоволоконного кабеля, так как он обеспечивает не только передачу на более дальние расстояния (несколько километров), но и более высокую пропускную способность. И, что еще более важно, оптоволоконные линии не подвержены влиянию электромагнитных помех.

Рис. 11.16. Тестеры кабеля локальной сети

Кабельные системы оптоволоконных сетей

Как и в случае с аналоговой передачей видеосигналов, оптоволокно обладает рядом значительных технологических преимуществ по сравнению с медной проводкой.

Оптоволокно обеспечивает более широкую полосу пропускания при передаче данных, а также большие расстояния передачи, нежели медный кабель.

Это означает, что требуется меньшее количество единиц оборудования и инфраструктуры (такой, как коммутаторы и распределительные шкафы). Тем самым снижается сумма общих затрат на локальную сеть. Оптоволоконный кабель физически является намного тоньше и долговечнее, чем медный, он занимает меньше места в кабельных коробах и позволяет протянуть большее количество проводов через один короб. Новые разработки в области оптоволоконных кабельных систем позволяют даже завязывать такой кабель узлом, и все равно при этом он будет нормально функционировать. Как уже описывалось в главе, посвященной передаче аналогового видеосигнала по оптоволоконным каналам, в волоконной оптике световые импульсы полностью защищены наружной кабельной оболочкой, что делает их непроницаемыми для внешних помех или перехвата данных.

Еще одним очень важным свойством волоконной оптики является ее устойчивость к любым видам электромагнитных помех, включая электромагнитную индукцию, вызванную ударом молнии.

Оптоволоконный кабель можно погружать в воду. Он также менее чувствителен к колебаниям температуры по сравнению с медным кабелем. Благодаря всем этим свойствам оптоволоконный кабель является определенно более предпочтительным выбором.

Оптоволоконный кабель обеспечивает более высокую пропускную способность (порядка 50 Гбит/с, т. е. 50 гигабит в секунду при использовании многомодового стекловолокна, и еще более высокую при использовании одномодового стекловолокна). Помимо этого, в отличие от медной проводки, оптоволокно обеспечивает сетевую кабельную архитектуру, рассчитанную на последующую модернизацию для наращивания возможностей.

Хотя при проектировании малых и средних систем видеонаблюдения пользователям в настоящее время не требуются более высокие скорости передачи, чем те, которые обеспечивает Fast Ethernet, тем не менее разница в затратах на медный кабель и оптоволокно будет становиться все менее значительной, что в итоге сделает оптоволоконный кабель внеконкурентной альтернативой для системы любого масштаба.

Оптоволоконная инфраструктура все еще является более дорогой, чем инфраструктура с использованием медного кабеля. Порты оптоволоконных коммутаторов и сетевые интерфейсные платы стоят в среднем примерно на 50 % дороже, чем подобные устройства для медного кабеля. Однако, когда вы разбиваете сумму экономии по использованию оптоволоконного кабеля на составные части (включая снижение числа необходимых повторителей и коммутаторов и более широкую полосу пропускания), то общая стоимость оптоволоконной сети

сокращается и становится вполне сопоставимой со стоимостью локальной сети на базе медного кабеля. Когда вам уже не нужно производить затраты на создание и обслуживание дополнительных распределительных шкафов, вы убедитесь в том, что затраты на оптоволоконный кабель для локальной сети примерно равны затратам на медный кабель или даже меньше. В прошлом высокие цены на оптоволокно не зависели от самой передающей среды (кабеля), большая часть расходов приходилась на трансиверы и соединители.

Рис. 11.17. Различные типы оптоволоконных кабелей

Рис. 11.18. Различные типы разъемов для оптоволоконных сетей

Благодаря появлению новых продуктов в каждой из этих областей цены продолжают снижаться, а применение оптоволоконных сетей расширяется.

Максимальные расстояния, достижимые в пределах одной трассы оптоволоконного кабеля, зависят от типа оптокабеля (многомодовый или одномодовый), а также от передающей и приемной аппаратуры. Точные расстояния могут быть определены только после тестирования проложенного кабеля с помощью оптического рефлектометра временной области (OTDR), который определяет качество оконечных устройств, кабеля и аппаратуры.

Исходя из основного практического правила, можно сказать, что без потребности в повторителях трассы многомодового кабеля достигают около 2 км, а трассы одномодового кабеля обычно превышают 20 км.

Благодаря высокой пропускной способности и большим расстояниям, оптоволоконный кабель наиболее часто используется в качестве сетевой магистрали, когда большое число сетевых сегментов объединяется в более крупную сеть, что характерно для цифровых систем видеонаблюдения казино и торговых центров. В таких системах используются преобразователи передающей среды, предназначенные для сопряжения сегментов сети Ethernet на основе медного кабеля и на основе оптоволоконных кабелей. На рынке имеются различные марки и модели; это могут быть как автономные устройства, так и группы конвертеров для монтажа в стойке 19 дюймов.

Здесь важно еще раз подчеркнуть, насколько важным является правильный подбор инструментальных средств для тестирования и диагностики неисправностей оптоволоконных сетей.

Если вы рассматриваете оптоволоконные сети в качестве важной составляющей вашей системы видеонаблюдения, то вложение средств в закупку высококачественного инструментария всегда будет являться разумным решением.

Однако, если такие затраты выходят за пределы вашего бюджета, то вы всегда сможете нанять фирму, специализирующуюся на обслуживании оптоволоконных сетей, и они смогут решить большую часть стоящих перед вами задач. Если же оптоволоконный кабель уже проложен, то фирма, как правило, произведет его концевую заделку с предоставлением отчета по показаниям оптического рефлектометра временной области (OTDR).

Нами было уже дано объяснение и описание некоторых методов концевой заделки оптоволоконного кабеля в том разделе книги, где описывается передающая среда для аналогового видео. Технология заделки оптоволоконного кабеля все более совершенствуется и упрощается, подробную информацию о ней можно найти у изготовителей, поэтому здесь мы не будем вдаваться в детали, а сосредоточим внимание на основах сетей Ethernet и их компонентах.

Рис. 11.19. Различные типы сетевых интерфейсных карт для оптоволоконных сетей

Рис. 11.20. Стандартные преобразователи (для сопряжения сегментов на основе медной витой пары и на основе оптоволоконных кабелей)

Рис. 11.21. Оптический рефлектометр для сетей.

Концепции и компоненты сетей

Построение сети Ethernet подчиняется простому набору правил и состоит из компонентов, регулирующих ее основную работу.

В основном в сетях Ethernet для обработки одновременных запросов применяется метод доступа CSMA/CD. Это один из наиболее широко применяемых стандартов локальных вычислительных сетей.

Сокращение CSMA/CD обозначает множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов и описывает то, каким образом протокол Ethernet регулирует взаимодействие между узлами.

Хотя данный термин может показаться пугающе сложным, если мы разобьем его концепции на составляющие, то увидим, что он описывает правила, очень похожие на те, которыми руководствуются люди, ведя вежливую беседу.

Например, если кто-либо говорит за столом во время обеда, то все остальные будут слушать ее или его, пока он не закончит говорить.

В те моменты, когда кто-либо другой решает продолжить разговор, все остальные опять ждут, когда закончит говорить этот второй человек. Если после паузы двое или более людей начинают говорить одновременно, то возникает «столкновение» или конфликт. В сетевой организации это эквивалентно конфликту данных между двумя компьютерами. Протокол CSMA/CD требует, чтобы в таких случаях оба компьютера на время «замолчали» и начали разговаривать снова через произвольно заданный промежуток времени. Тот, чей произвольный промежуток времени ожидания будет короче, станет первым «говорящим» из двух, а остальные будут ждать, пока он не закончит говорить. Режим произвольного включения предоставляет всем участникам (компьютерным станциям) равные возможности участия в разговоре (обмене данными) за обеденным столом (в сети Ethernet).

Для лучшего понимания этих правил и сетевых составляющих важно понимать основную терминологию, поэтому здесь мы ознакомимся с основными понятиями.

Данная книга предназначена для индустрии видеонаблюдения, поэтому, как таковые, основы Ethernet даются здесь в довольно сжатом виде. Те читатели, которых интересует более подробная информация, могут обратиться к книгам, более пространно излагающим тему организации сетей, таким, как «Справочник по технологиям межсетевого обмена» (Internetworking Technologies Handbook), опубликованный компанией Cisco Systems.

— Сеть — Сеть представляет собой группу компьютеров, соединенных таким образом, что между компьютерами возможен обмен информацией.

— Локальная вычислительная сеть (LAN) — ЛВС — это сеть из компьютеров, физически находящихся в одном и том же месте, обычно в пределах одного здания или комплекса зданий. Если же компьютеры находятся на большом расстоянии друг от друга (в разных точках города или в разных городах), то, как правило, используется глобальная сеть (WAN).

— Уровни модели взаимодействия открытых систем OSI — Эталонная модель взаимодействия открытых систем была введена Международной организацией по стандартизации (ISO) и определяет семь уровней сетевой организации.

— Узел — Узлом является любое устройство, подключенное к сети. Хотя чаще всего таким устройством является компьютер, но это может быть также и принтер или цифровой видеорегистратор.

— Сегмент — Сегментом является любая часть сети, отделенная от других частей коммутатором, мостом или маршрутизатором.

— Магистраль — Магистралью называется основной кабель сети, к которому подключены все сегменты. Обычно магистраль способна переносить больший объем информации, чем отдельные сегменты. Например, каждый из сегментов может иметь скорость передачи 10 Мбит/с, в то время как магистраль может работать со скоростью 100 Мбит/с.

— Повторитель (Repeater) — Повторителем называется сетевое устройство, используемое для наращивания и взаимосвязи сетевых сегментов, что обеспечивает дальнюю связь. Повторители получают сигналы от одного сетевого сегмента и затем усиливают, восстанавливают синхронизацию и ретранслируют эти сигналы в другую сеть. Они очень сходны с линейными усилителями, с которыми мы имеем дело в аналоговом видеонаблюдении. Существуют ограничения относительно того, сколько повторителей может быть использовано друг за другом. Повторители не способны выполнять сложную фильтрацию или маршрутизацию, которую выполняют другие устройства, перечисленные ниже.

— Сетевой концентратор (Hub) соединяет в локальной сети множество компьютеров и устройств. Сетевые концентраторы функционируют на физическом уровне 1 семиуровневой модели OSI (объяснение дается далее в этой главе) и подключают каждый компьютер посредством специального кабеля. Сетевые концентраторы не выполняют какой-либо «интеллектуальной» коммутации или маршрутизации пакетов данных; поэтому сетевые концентраторы с большим количеством портов вызывают большее число конфликтов и потерь при одновременной передаче данных. По существу, сетевые концентраторы создают сети с топологией типа «звезда» и в некоторых отношениях они могут рассматриваться в качестве повторителей.

— Мост (Bridge) является еще более «разумным» устройством передачи данных, соединяющим локальные сети на базе однотипных компьютеров или единой программной платформы, и предоставляющим возможность пересылки пакетов данных между такими сетями. Мосты поддерживают коммутацию с промежуточной буферизацией пакетов. Соединение по мостовой схеме происходит на уровне 2 семиуровневой модели OSI (объяснение дается далее в данной главе).

— Коммутаторы (Switch) — Сетевой коммутатор является еще одним широко распространенным «интеллектуальным» устройством передачи данных, следующим непосредственно за сетевым мостом. В то время как мосты снабжены лишь несколькими портами, коммутаторы манипулируют значительно большим количеством портов. Коммутаторы также снижают количество конфликтов при передаче данных через сетевые сегменты, которые они соединяют, кроме этого, они обеспечивают выделенную полосу пропускания для каждого сетевого сегмента.

— Маршрутизаторы (Router) — это специализированные компьютеры, рассылающие сообщения адресатам информации по тысячам магистралей. Они обладают еще более высоким «уровнем интеллекта», чем коммутаторы, так как являются ключевыми устройствами, делающими возможным обмен потоками сообщений между сетями, а не внутри сетей. Маршрутизация часто сравнивается с соединением по мостовой схеме и даже считается, что это одно и то же, но основная разница заключается в том, что маршрутизация является более «интеллектуальной», так как она основана на том, что маршрутизатор знает и находит кратчайшие пути для доставки конкретной информации от источника к получателю. Маршрутизация происходит на уровне 3 семиуровневой модели OSI.

— Сетевая интерфейсная карта (NIC) — каждый компьютер (и большинство других устройств) соединяются с сетью при помощи сетевого адаптера. Чаще всего таким адаптером является сетевая карта Ethernet (обычно обеспечивающая скорость передачи в 10 или 100 Мбит/с), которая подключается через слот шины PCI на системной плате компьютера.

— МАС-адрес — это физический адрес любого устройства в сети, такого, например, как сетевая интерфейсная карта компьютера. МАС-адрес, делящийся на две равные части, состоит из 6 разрядов. По первым 3 байтам можно идентифицировать компанию, изготовившую сетевой адаптер; следующие 3 байта представляют собой серийный номер самого сетевого адаптера.

— Однонаправленная передача (Unicasting) — доставка с одного узла сообщений, адресованных на другой единичный узел.

— Многоадресная передача (Multicasting) — при многоадресной доставке сообщений с узла отправляется пакет с особой групповой адресацией. Устройства, имеющие отношение к таким группам, регистрируются для получения пакетов, адресованных группе. Примером такого устройства может служить маршрутизатор, посылающий обновления всем остальным маршрутизаторам.

— Широковещательная рассылка — при широковещании узел рассылает пакеты, предназначенные для передачи, на все узлы, находящиеся в сети.

— Фреймы данных — Фреймы подобны предложениям в человеческом языке. В английском языке мы имеем правила для построения предложений и знаем, что каждое предложение должно состоять из подлежащего и сказуемого. Протокол Ethernet определяет набор правил для построения фреймов. Существуют точно определенные минимальные и максимальные размеры фреймов, а также требуемые порции информации, которые должны появляться во фрейме. Каждый фрейм, например, должен включать как адрес назначения, так и адрес источника данных с идентификацией получателя и отправителя сообщения.

Рис. 11.22. Иллюстрация к основным сетевым терминам

Рис. 11.23. Сетевые коммутаторы

Программное обеспечение сетей

Протоколы Интернет

Для того чтобы различные компьютеры могли взаимодействовать друг с другом через любую сеть, они должны иметь общий язык для понимания, иными словами, общий протокол. В контексте построения сетей термин «протокол» имеет отношение к набору правил, которые регулируют процесс передачи информации. Для компьютеров протоколы означают то же самое, что язык для человека. Так как эта книга переведена на русский язык, то для того чтобы ее понять, вам необходимо уметь читать по-русски, так же как для того чтобы прочесть оригинал, нужно уметь читать по-английски. Подобным же образом, для того, чтобы два устройства в сети могли успешно взаимодействовать, они должны понимать одни и те же протоколы.

Различные протоколы, являющиеся частью уровней 5, 6 и 7, используются в современном мире Интернета, и данная книга была бы неполной без их полного перечисления и краткого описания.

TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

Эти два набора протоколов являются самыми популярными среди остальных протокольных связок, используемых в сейчас в Интернете. После того как работы были профинансированы Управлением перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (DARPA), данный протокол был внедрен в середине 1970-х годов Стэнфордским университетом, а также фирмой Bolt Beranek and Newman (BBN). Впервые появился в составе версии BSD UNIX.

TCP является надежным протоколом, т. е. пакеты данных гарантированно доставляются на целевой объект в правильном порядке.

IP является основным протоколом набора TCP/IP. IP определяет средства идентификации и достижения целевого компьютера в сети. Компьютеры в IP-среде идентифицируются уникальными номерами, называемыми IP-адресами (объяснение будет дано далее в этой главе).

РРР (Point-to-Point Protocol)

Протокол для установления связи TCP/IP типа «точка-точка» в рамках как синхронных, так и асинхронных систем.

Протокол РРР обеспечивает соединение хоста с сетью или соединение двух маршрутизаторов. Он также обладает средствами защиты. РРР хорошо известен как протокол для соединения по обычным телефонным линиям, когда на обоих концах используются модемы. Данный протокол широко используется для соединения персональных компьютеров с сетью Интернет.

SUP (Serial Line Internet Protocol)

Протокол двухточечной связи используется при последовательном соединении и является предшественником протокола соединения «точка-точка» (РРР). Существует также усовершенствованная версия данного протокола, известная под названием CSLIP (IP-протокол последовательной линии со сжатием), который снижает количество служебных сигналов при соединении на основе SLIP-протокола посредством пересылки только содержимого заголовка, если это возможно, тем самым повышая скорость передачи пакетов.

FTP (File Transfer Protocol)

Протокол, дающий возможность передачи текста и бинарных файлов посредством каналов связи на базе протокола TCP. Протокол FTP предусматривает передачу файлов в соответствии со строгим механизмом разграничения прав доступа. На сегодняшний день это один из наиболее часто используемых протоколов в сети Интернет.

Telnet

Протокол эмуляции терминала, определенный стандартом RFC854 для использования при связи на базе TCP. Позволяет пользователям подключаться к удаленным хостам и использовать их ресурсы на локальном хосте.

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)

Протокол, предназначенный для пересылки на удаленный сервер сообщений электронной почты, исходящих с локального хоста, на базе протокола TCP. Протокол SMTP определяет набор правил, которые позволяют двум программам отправлять и получать почту по сети. Протокол определяет структуру данных, которые будут доставлены с указанием информации об отправителе, получателе (или нескольких получателях), и, конечно, тело самого сообщения.

HTTP (Hyper Text Transport Protocol)

Протокол используется для передачи гипертекстовых страниц в рамках глобальной электронной сети WWW.

SNMP (Simple Network Management Protocol)

Простой протокол, которым определяются сообщения, имеющие отношение к управлению сетью.

При помощи протокола SNMP такие сетевые устройства, как маршрутизаторы, могут быть сконфигурированы удаленно любым хост-компьютером в локальной сети.

UDP (User Datagram Protocol)

Простой протокол, с помощью которого передаются пакеты данных на удаленный компьютер. UDP не гарантирует того, что пакеты будут получены в том же порядке, в каком они отправлялись. Фактически, этот протокол совсем не гарантирует доставку.

ARP (Address Resolution Protocol)

Для преобразования IP-адреса в физический адрес компьютер использует протокол переопределения адресов ARP при помощи которого транслируется сообщение-запрос, содержащее IP-адрес, на которое целевой компьютер отвечает уже с указанием исходного IP-адреса и присвоенного физического адреса.

NNTP (Network News Transport Protocol)

Протокол, используемый для пересылки сообщений службы передачи новостей USENET между клиентами этой службы и серверами USENET.

Семиуровневая эталонная коммуникационная модель OSI

В основе построения сетей лежит так называемая семиуровневая эталонная модель OSI. Сокращение OSI, предложенное в 1984 году Международной организацией по стандартизации (ISO), в обратном порядке можно прочитать как ISO, но на самом деле оно означает эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection).

Модель взаимодействия открытых систем OSI описывает, каким образом информация программного приложения с одного компьютера проходит через сетевую среду и доставляется программному приложению на другом компьютере. Модель OSI рассматривается как основная архитектурная модель для связи между компьютерами.

Идеей, лежащей в основе такой модели, является упрощение задачи передачи информации между сетевыми компьютерами и превращение такой передачи в легко управляемый процесс. Затем для каждого из семи уровней OSI назначается задача или группа задач.

Каждый из уровней является в достаточной степени автономным, поэтому задачи, определенные для каждого уровня, могут выполняться независимо друг от друга.

Сетевая архитектура OSI состоит из двух основных компонентов:

— абстрактная модель организации сетей (базовая эталонная модель, или семиуровневая модель);

— набор конкретных протоколов.

Компоненты OSI оказывают влияние на развитие протоколов сети Интернет, но не в большей мере, чем сама абстрактная модель, документально подтвержденная стандартом OSI 7498 и различными приложениями к нему. В данной модели система построения сети делится на несколько уровней. В рамках каждого уровня одна или более сущностей-объектов (прикладных частей) обеспечивают функциональность данного уровня. Каждая прикладная часть взаимодействует напрямую только с непосредственно нижележащим уровнем и обеспечивает средства для использования вышележащим уровнем. Протоколы дают возможность логическим объектам одного хоста взаимодействовать с соответствующим логическим объектом равного уровня на удаленном хосте.

Базовая эталонная модель OSI включает в себя семь уровней (от нижнего уровня к верхнему):

7 — Прикладной уровень

6 — Уровень представления

5 — Сеансовый уровень

4 — Транспортный уровень

3 — Сетевой уровень

2 — Канальный уровень

1 — Физический уровень

Рис. 11.24. Семь уровней модели OSI

Многие предпочитают перечислять уровни модели OSI, начиная от нижнего уровня 1 и заканчивая верхним уровнем 7, но на практике это не имеет значения, до тех пор пока мы считаем эти уровни главными строительными кирпичиками всей сетевой технологии.

Все семь уровней можно разделить на две группы: верхние и нижние уровни.

Верхние уровни модели OSI имеют дело с вопросами программного обеспечения и обычно реализуются только программно. Уровень 7 (прикладной уровень) находится ближе всего к пользователю, так как он представляет программное приложение, передающее информацию пользователю. В общих чертах, пользователь и процесс прикладного уровня взаимодействуют с программным приложением, которое содержит коммуникационный компонент.

Чем дальше мы спускаемся вниз по иерархической лестнице уровней, тем ближе мы подходим к физической среде передачи. Таким образом, нижние уровни модели OSI ближе находятся к аппаратному обеспечению (что, впрочем, не исключает и программное обеспечение) и отвечают за непосредственную транспортировку данных.

Нижний уровень находится ближе всего к физической среде передачи, то есть к сетевым интерфейсным картам и сетевые кабелям, которые и отвечают за передачу данных в сеть.

Теперь разберемся, за что отвечает каждый уровень, подробнее и начнем с самого нижнего уровня.

1. Физический уровень

Физический уровень описывает физические свойства различных сред передачи, а также электрические свойства и интерпретацию сигналов при обмене информацией. Например, этот уровень определяет характеристики кабеля для стандарта Ethernet, типы используемых разъемов и оконечную нагрузку.

Физический уровень отвечает за передачу, если так можно выразиться, «сырых» битов по линии связи. Среди многих задач, которые решаются на физическом уровне, есть такие, как необходимость согласования: когда передающая сторона отсылает бит 1, принимающая сторона должна получать его как 1, а не как 0. Для этого уровня характерны такие вопросы, как, например, какой уровень сигнала обозначает 0, а какой — 1? Сколько микросекунд длится передача одного бита? Может ли передача осуществляться одновременно в обоих направлениях? Как устанавливается начальное соединение? Как разрывается соединение, когда обе стороны закончили обмен информацией? Сколько контактов используется в разъеме для подключения к сети, и за что отвечает каждый контакт?

Эти и многие другие вопросы, которые относятся к физическому уровню, связаны в основном с электрическими, механическими и процедурными интерфейсами и физической средой передачи, которая находится под физическим уровнем. По сути, физический уровень относится к сфере компетенции электротехников.

2. Канальный уровень

Канальный уровень описывает логическую организацию битов данных, которые передаются в определенной среде. Этот уровень определяет упаковку, адресацию и коррекцию ошибок для фреймов Ethernet. Основной задачей канального уровня является преобразование «простых» коммуникационных средств физического уровня в линию связи, которая будет защищена от ошибок передачи уже на сетевом уровне. Чтобы решить эту задачу, отправляющая сторона разбивает весь поток данных, предназначенных к отправке, на блоки, которые называются фреймами данных (обычно размером несколько сотен байт). Затем отправляющая сторона последовательно передает эти фреймы и принимает фреймы, подтверждающие получение, от принимающей стороны. Поскольку физический уровень отвечает только за передачу потока битов и не обращает внимания на их структуру, то начало и конец фрейма определяются на канальном уровне. Это осуществляется за счет добавления к началу и концу фрейма данных определенных служебных последовательностей битов. Во избежание конфликтов данных необходимо, чтобы такие служебные последовательности битов не могли возникнуть в основном потоке данных. Кроме того, канальный уровень обеспечивает коррекцию ошибок при передаче между двумя соседними узлами.

Еще одна проблема, которая возникает на канальном уровне (а также и на большинстве других высших уровнях) заключается в том, что необходимо регулировать поток данных, чтобы медленный приемник не «захлебнулся» в потоке данных от более быстрого передатчика. Для этого используются различные способы управления потоком данных. Зачастую для удобства на этом уровне интегрируются коррекция ошибок и управление потоком данных.

Если линия связи может передавать информацию в двух направлениях, то возникает еще одна проблема, которая должна решаться на канальном уровне. Дело в том, что фреймы, подтверждающие получение данных, переданных от А к В, начинают состязаться за доступ к линии связи с фреймами данных, которые передаются от В к А. Здесь было разработано довольно хитроумное решение в форме одновременной передачи прямых и обратных фреймов.

3. Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за то, каким образом с помощью серии обменов данными по различным каналам передачи информация может быть доставлена от узла одной сети к узлу другой сети. Этот уровень определяет адресацию и маршрутизацию сети Интернет. Основная проблема на этом уровне заключается в определении путей маршрутизации, по которым пакеты с данными идут от отправителя к получателю.

Маршрутизация пакетов может основываться на статических таблицах, которые жестко привязаны к сети и редко изменяются, также она может определяться каждый раз при начале нового обмена данными, например, при открытии терминальной сессии. Наконец, маршрутизация пакетов может быть динамической и определяться каждый раз по-новому для нового пакета, учитывая загрузку сетей.

Если в какой-то подсети одновременно скапливается много пакетов, то они будут мешать друг другу, вызывая перегрузку. Контроль перегрузки тоже осуществляется на сетевом уровне.

Поскольку операторы подсетей должны получать вознаграждение за свою работу, то очень часто на сетевом уровне ведется учет переданных пакетов. Обязательно учитывается количество пакетов или битов, посланных каждым пользователем, которые затем используются для взаимных расчетов между операторами. Когда пакет пересекает национальные границы стран с разными тарифами, взаимные расчеты между операторами сетей значительно усложняются.

Когда пакет данных отправляется из одной сети в другую, то возникает множество проблем. Системы адресации, которые используются в разных сетях, могут не совпадать. Одна сеть может отказать в приеме пакета из-за слишком большого размера, который в данной сети неприемлем. Также могут различаться протоколы, и есть много других проблем, но они должны решаться именно на сетевом уровне, который отвечает за взаимодействие разнородных сетей.

В широковещательных сетях проблема маршрутизации решается просто, поэтому здесь сетевой уровень достаточно тонок или вообще отсутствует.

4. Транспортный уровень

Транспортный уровень отвечает за качество и характер доставки данных. На этом уровне определяется, когда и как осуществляется повторная передача данных, чтобы осуществить гарантированный обмен данными. Основная функция транспортного уровня заключается в том, чтобы принять данные с сеансового уровня, при необходимости разбить их на меньшие фрагменты и передать их сетевому уровню, а затем проследить, чтобы все фрагменты информации дошли по назначению. Более того, все это должно быть сделано максимально эффективным способом, и нужно изолировать сеансовый уровень от неизбежных изменений технологий, использующихся в сетевом аппаратном обеспечении.

В обычных условиях транспортный уровень создает одно сетевое соединение для каждого транспортного соединения, которое требует сеансовый уровень. Если транспортное соединение должно осуществляться с высокой скоростью передачи данных, то транспортный уровень может создавать множество сетевых соединений, распределив поток данных между ними для повышения скорости передачи данных.

И наоборот, когда создание и поддержание сетевых соединений обходится дорого, транспортный уровень может мультиплексировать несколько транспортных соединений в одном сетевом соединении, чтобы уменьшить издержки. В любом случае требуется транспортный уровень, чтобы сделать мультиплексирование прозрачным для сеансового уровня.

Транспортный уровень также определяет тип сервиса, который предоставляется сеансовому уровню и, в конечном счете, пользователям сети. Наиболее популярным видом транспортного соединения является канал типа «точка-точка», свободный от ошибок, который доставляет пакеты в том порядке, в котором они посылаются. Впрочем, существуют и другие виды транспортных соединений, которые не гарантируют порядок доставки по нескольким адресатам. Тип сервиса определяется при установлении соединения.

Транспортный уровень является тем самым уровнем, который действительно связывает отправителя и получателя. Другими словами, программа, исполняющаяся на компьютере-отправителе, ведет обмен данными с аналогичной программой на компьютере-получателе, используя заголовки сообщений и служебные сообщения.

Многие хосты работают в многозадачном режиме, а это означает, что каждый из них одновременно устанавливает несколько соединений. Таким образом, требуется инструмент, позволяющий различать принадлежность сообщений к различным соединениям. Это можно делать с помощью транспортного заголовка.

Кроме мультиплексирования нескольких потоков сообщений в один канал, транспортный уровень должен уметь устанавливать и разрывать соединения по сети. Для этого требуется какой-либо способ присваивания имен, так чтобы процесс на одной машине мог описать то, с кем он собирается вести обмен данными. Также должен быть способ управления потоком данных, чтобы более быстрый хост не «затопил» потоком информации более медленный. Управление потоком данных здесь отличается от управления потоком данных между коммутаторами, но принципы используются те же.

5. Сеансовый уровень

Сеансовый уровень описывает организацию последовательностей данных, больших, чем пакеты, с которыми имеют дело нижние уровни модели OSI. Этот уровень определяет, каким образом пакеты запросов и ответов образуют пары при процедуре удаленного вызова. Сеансовый уровень позволяет пользователям на разных компьютерах устанавливать сеансы связи между ними. Сеанс позволяет получить обычное транспортное соединение, как на транспортном уровне, но также дает дополнительные сервисы, полезные в некоторых приложениях. Сеанс может использоваться для того, чтобы пользователь мог подключиться к удаленной системе с разделением времени или для передачи файла между двумя компьютерами.

Сеансовый уровень управляет диалогом между двумя устройствами. Сеансы позволяют передавать данные в обоих направлениях одновременно или по очереди. Если данные в каждом направлении нужно передавать по очереди, то сеансовый уровень может помочь отслеживать, чья очередь передавать данные.

Управление маркерами — еще один сервис, связанный с сеансовым уровнем. Для некоторых протоколов важно, чтобы одна и та же операция не выполнялась одновременно на двух компьютерах. Для этого используются маркеры на сеансовом уровне. Только та сторона, которая получила и удерживает маркер, может выполнять операцию, связанную с этим маркером.

Еще одним сервисом сеансового уровня является синхронизация. Представьте себе такую ситуацию, когда необходимо передать очень большой файл по сети. При этом среднее время передачи этого файла составляет 2 часа, а в сети происходят сбои с периодичностью в час. После каждого сбоя передача файла прерывается и начинается снова с самого начала. Чтобы избежать возникновения таких ситуаций сеансовый уровень предоставляет средства синхронизации, которые позволяют организовывать контрольные точки в длинных передачах, чтобы в случае сбоев вернуться к передаче от последней контрольной точки, а не с самого начала.

6. Уровень представления

Уровень представления характеризует синтаксис передаваемых данных. Этот уровень описывает то, каким образом устройства с различными математическими форматами записи обмениваются числами с плавающей десятичной запятой. Уровень представления выполняет определенные функции, которые требуются настолько часто, что имеет смысл для того использовать универсальное решение, а не заставлять пользователя каждый раз находить свое решение. Так, в отличие от нижних уровней, которые перемещают биты между устройствами, уровень представления занимается синтаксисом и семантикой передаваемой информации.

Типичным примером сервиса уровня представления является кодирование данных стандартным, заранее определенным способом. Большинство пользовательских программ обмениваются не случайными бинарными строками, а списками имен, счетами, ценами, расписаниями и т. д. Эти данные представлены символьными строками, целыми числами, числами с плавающей десятичной запятой и структурами данных, состоящих из более простых элементов. Разные компьютеры могут использовать разные кодировки для представления символьных строк, целых чисел и т. д. Для того чтобы компьютеры с разными видами представления информации могли общаться между собой, структуры данных, которыми они обмениваются, должны быть определены в абстрактном виде в соответствии со стандартной кодировкой, которая используется в сети. Уровень представления занимается управлением этими абстрактными структурами данных и преобразованием из представления информации, которое используется внутри компьютера, в стандартное представление, которое используется в сети.

Уровень представления также занимается и другими аспектами представления информации. Например, на этом уровне может использоваться сжатие данных, чтобы уменьшить количество пересылаемых битов. Также на этом уровне очень часто требуется и шифрование данных для сохранения конфиденциальности информации и контроля доступа к ней.

7. Прикладной уровень

Прикладной уровень фактически служит интерфейсом между пользователем и сетью. Этот уровень обеспечивает выполнение операций файловых систем. Прикладной уровень содержит набор разнообразных протоколов, которые обычно требуются и распространены. Например, в мире существуют сотни несовместимых между собой типов терминалов.

Представьте себе, в каком затруднительном положении оказался бы обычный текстовый редактор, которому нужно работать по сети с множеством различных типов терминалов, у каждого из которых своя собственная раскладка экрана, сочетания клавиш для редактирования текста, перемещения курсора и т. д.

Одним из способов решения этой проблемы является определение абстрактного сетевого виртуального терминала, под который будут создаваться редакторы и другие программы. Для работы с каждым типом терминала потребуется написание дополнительного программного обеспечения, которое создаст соответствие между функциями виртуального и реального терминала.

Например, когда в текстовом редакторе курсор виртуального терминала перемещается в левый верхний угол экрана, это программное обеспечение должно послать соответствующую последовательность команд реальному терминалу, чтобы и он переместил курсор в верхний левый угол. Все программное обеспечение виртуальных терминалов находится на прикладном уровне.

Еще одна функция прикладного уровня заключается в передаче файлов. Различные файловые системы имеют разные соглашения относительно наименования файлов, представления текстовых строк и т. д.

Передача файла между двумя различными системами требует учета этих и других несовместимостей. Эта работа тоже выполняется на прикладном уровне, как и обмен сообщениями электронной почты, поиск в директориях и другие средства общего и специального назначения.

Рис. 11.25. Семь уровней модели OSI и их соотношение с протоколами сети Интернет

IР-адрес

Протокол IP был создан в 70-х годах для поддержки ранних компьютерных сетей на базе операционной системы Unix. Сейчас протокол IP стал коммуникационным стандартом для всех современных сетевых операционных систем. Многие популярные высокоуровневые протоколы, такие, как HTTP и TCP работают на базе IP.

Адрес протокола IP (IP-адрес) уникальным образом идентифицирует узел или устройство Ethernet, как имя идентифицирует определенного человека.

Два устройства Ethernet в одной сети никогда не должны иметь одинаковый IP-адрес.

Сейчас используется две версии протокола IP.

Практически все сети используют 4 версию протокола IP (IPv4), но все большее число сетей исследовательских и образовательных учреждений переходят на следующую версию протокола IP (IPv6).

Рис. 11.26. Установка IP-адреса в Microsoft Windows 2000

Так как сигнал в среде Ethernet доходит до каждого подключенного к ней узла, то необходимо точно знать адрес назначения каждого фрейма. Например, когда компьютер В передает данные на принтер С, компьютеры А и D также получают и просматривают каждый фрейм. Впрочем, когда станция впервые получает фрейм, она просматривает адрес назначения, рассчитывая, что этот фрейм предназначен для нее. Если это не так, то станция отбрасывает фрейм, даже не изучая его содержимое.

Одним из интересных аспектов адресации в сетях является применение широковещательного адреса (broadcast address). Фрейм, у которого адрес назначения совпадает с широковещательным адресом, предназначен для каждого узла сети, и каждый узел сети получит и обработает этот фрейм.

Понимание адресации IP особенно важно для специалистов, которые часто выезжают к клиентам, у которых имеются свои собственные сети. Для того чтобы подключиться к цифровому видеорегистратору по сети, настроить его или оценить возможности сети потребуется не только разрешение системного администратора данной сети, но и умение настроить свой собственный компьютер, для подключения к сети клиента без конфликтов и сбоев. Хотя к цифровому видеорегистратору можно подключаться и напрямую, используя перекрестный кабель (вероятно, так будет даже проще и безопаснее), если вы находитесь физически рядом с устройством, но, тем не менее, необходимо знать, как получить доступ к IP-адресу данного цифрового видеорегистратора с другого компьютера, который не является частью местной сети.

В конце этой главы мы приведем примеры использования классических команд ping, которые позволяют определить правомерность использования определенных адресов в сети.

Адресная схема протокола IPv4

Адресная схема протокола IPv4 состоит из 4 байт (32 бита).

Эти байты также называются октетами.

Для удобства восприятия мы обычно работаем с IP-адресами в десятичной системе счисления и используем точки, чтобы разделять октеты. Например, первые 8 бит (октет) следующего IP-адреса 11000000 10101000 1100110 1011010, записанного в двоичной системе счисления, в десятичной системе счисления будут выглядеть как 192: 1х27 + 1х26 + 0х25 + 0х24 + 0х23 + 0х22 + 0х21 + 0x20 = 128 + 64 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 = 192. Такие же вычисления нужно проделать и с оставшимися тремя октетами, чтобы получить IP-адрес, записанный в десятичной форме счисления. В данном примере это будет 192.168.102.90

Поскольку каждый байт содержит 8 бит, то каждый октет в IP-адресе может принимать значения от 0 до 255 (28). Таким образом, полный диапазон адресной схемы протокола IPv4 считается от 0.0.0.0 до 255.255.255.255, что дает нам 256x256x256x256 = 2564 = 4,294,967,296 доступных IP-адресов.

С одной стороны может показаться, что такого количества IP-адресов будет вполне достаточно практически для каждого человека на земном шаре, но с другой стороны не следует забывать, что уже в начале 21 века население Земли составило более 6 миллиардов человек. Быстрое развитие сети Интернет также диктует необходимость расширения адресного пространства.

Классы адресного пространства IP

Не все IP-адреса можно свободно использовать в вашей локальной сети, что подтвердит и ваш сетевой администратор. Кроме того, не все адреса, которые доступны, вы можете использовать, так как может оказаться, что адрес свободен, но принадлежит к группе адресов, к которой обращается сетевое оборудование. Для того чтобы внести какой-то порядок в различные локальные и глобальные сети, существуют определенные правила и классы адресного пространства IP, которым подчиняются все сетевые устройства.

Адресное пространство IPv4 разделено на 5 классов: А, В, С, D и Е.

Каждый класс является диапазоном адресов полного адресного пространства IPv4. В большинстве случаев, кроме специально описанных далее в этой главе, значение первых 4 (слева) битов адреса IPv4 определяют его класс, как это показано в таблице.

Классы А, В и С

Классы А, В и С — это три класса IP-адресов, которые используются в сети Интернет, за исключением адресов, зарезервированных для локальных сетей, о чем пойдет речь ниже.

Адреса, зарезервированные для локальных сетей

Когда компьютер или сетевое устройство находится в локальной сети (не в сети Интернет), то они должны использовать один из множества адресов, специально зарезервированных для локальных сетей.

Локальные адреса этих устройств при подключении к сети Интернет (например, через ADSL-модем) практически невидимы для других устройств сети Интернет, которые используют «видимые» адреса класса А, В или С.

Стандарт IP определяет в классах А, В и С четкие диапазоны адресов, которые используются только в локальных сетях. В следующей таблице приведены диапазоны адресов, зарезервированных для локальных сетей.

Все узлы могут свободно использовать адреса из этих зарезервированных диапазонов, если они напрямую не подключены к сети Интернет, или когда они находятся за сетевыми экранами или другими шлюзами, которые используют NAT (Network Address Translation, трансляция сетевых адресов).

IP-адреса класса С

Во всех адресах класса С первые три бита — это «110», но оставшиеся 29 битов могут быть как «0», так и «1», что отмечено знаком «х»: 110ххххх хххххххх хххххххх хххххххх

Если перевести в десятичную систему счисления, то мы получим диапазон адресов от 192.0.0.0 до 223.255.255.255.

IP-адреса обратной связи

127.0.0.1 — это адрес обратной связи в протоколе IP.

Обратная связь — это тестовый механизм для сетевых карт и приложений. Все сообщения, которые отсылаются на адрес 127.0.0.1, не посылаются в сеть, а возвращаются обратно в приложение, которое их отправило. Приложения IP очень часто используют эту особенность для проверки работы сетевого интерфейса, а некоторые приложения используют этот адрес для синхронизации часов. Так же как и для групповой передачи, в IP зарезервирован диапазон адресов от 127.0.0.0 до 127.255.255.255 для обратной связи. Узлы не должны использовать эти адреса в сети Интернет, а диапазон этих адресов не следует рассматривать, как принадлежащий к классу А.

Нулевые адреса

Также как и в случае с диапазоном адресов для обратной связи, диапазон адресов, начинающийся с 0.0.0.0 и заканчивающийся 0.255.255.255, не следует рассматривать, как принадлежащий к классу А.

Адреса формата 0.х.х. х не имеют какого-то специального назначения в протоколе IР, но те узлы, которые пытаются использовать их, не смогут нормально работать в сети Интернет.

IP-адреса класса D и групповая передача

Сетевой стандарт IPv4 определяет IP-адреса класса D как зарезервированные для групповой передачи.

Групповая передача (multicast) — это способ определения групп узлов и отсылка им сообщений. Это нужно для того, чтобы не посылать сообщения всем сразу в локальной сети (широковещательная передача, broadcast) или каждому по очереди (однонаправленная передача, unicast).

Групповая передача используется в основном в сетях исследовательских и научных учреждений, но она нашла применение и в сетях, спроектированных для видеонаблюдения. В последнем случае групповая передача применяется для отсылки одинаковых пакетов данных (в нашем случае видеоизображение) нескольким операторам. В результате значительно снижается нагрузка на сеть. Так же как и в случае с классом Е, адреса класса D не должны использоваться обычными узлами в сети Интернет.

IP-адреса класса Е и ограниченная широковещательная передача

Сетевой стандарт IPv4 определяет IP-адреса класса Е как зарезервированные, а это означает, что они не должны использоваться в IP-сетях.

Некоторые исследовательские организации используют IP-адреса класса Е для экспериментальных целей. Впрочем, если сетевой узел использует адреса этого класса, он не сможет нормально работать в сети Интернет. Специальный тип IP-адресов предназначен для широковещательной передачи. Например, для этой цели используется адрес 255.255.255.255. Широковещательная передача подразумевает отсылку сообщения от одного пользователя многим получателям. Отправитель посылает сообщение на адрес 255.255.255.255, и это означает, что все остальные узлы локальной сети получат данное сообщение. Эта широковещательная передача ограничена в том, что сообщение придет не всем узлам Интернета, а только узлам локальной сети.

Формально в IP зарезервирован целый диапазон адресов от 255.0.0.0 до 255.255.255.255 для широковещательной передачи, который не следует рассматривать, как принадлежащий к классу Е.

Сегментирование IP-сетей

Компьютерные сети состоят из сегментов, на которые они разделены сетевыми кабелями. Электрические характеристики кабеля ограничивают физические размеры любого сегмента, поэтому даже в небольшой локальной сети будет несколько сегментов. Шлюзовые сетевые устройства, такие, как маршрутизаторы и мосты, соединяют эти сегменты между собой, но не так прозрачно, как хотелось бы. Кроме сегментирования сети на физическом уровне за счет использования кабелей, его можно осуществлять и на логическом уровне.

Подсети поддерживают виртуальные сетевые сегменты, которые разделяют потоки данных не на уровне сетевых кабелей, а на логическом уровне. Конфигурация подсетей очень часто совпадает с физической конфигурацией, но подсети могут разделять и физические сегменты сетей.

Сетевая адресация организует хосты в группы. Это может повысить безопасность (изолируя критически важные узлы) и уменьшить поток данных в сети (запретив связь между узлами, которые не должны обмениваться данными).

В целом, адресация в сети становится еще более эффективной при использовании подсетей и/или суперсетей.

Виртуальные частные сети (VPN)

Виртуальные частные сети VPN используют общественные сети для обмена частной информацией.

Большинство реализаций VPN использует сеть Интернет в качестве общественной сети и множество специализированных протоколов для того, чтобы организовывать и поддерживать частное соединение через Интернет. В VPN реализован клиент-серверный подход. VPN-клиенты авторизуют пользователя, шифруют данные и другими способами поддерживают сеансы связи с серверами, используя технологию, которая называется туннелирование (tunneling).

Подсети

Регулирующие органы, которые администрируют использование протокола IP, зарезервировали некоторые сети для внутреннего использования. В целом, локальные сети, которые используют внутренние зарезервированные адреса, имеют больше возможностей для управления конфигурацией IP и доступом к сети Интернет. Подсети позволяют отделять потоки данных в одной сети друг от друга на основе сетевой конфигурации. Организуя узлы в группы, подсети могут улучшить производительность и повысить безопасность сети. Подсети основаны на концепции расширенных сетевых адресов для индивидуальных компьютеров (или других сетевых устройств). Расширенный сетевой адрес включает в себя сетевой адрес и дополнительные биты, которые представляют номер подсети.

Адресная схема протокола IPv6

Хотя эта адресная схема до сих пор еще не получила широкого распространения, можно не сомневаться, что в будущем сети будут использовать именно ее, хотя бы только потому, что она предоставляет большее количество доступных адресов.

В адресной схеме протокола IPv6 используется 16 байт (128 бит), а не 4 байта (32 бита).

Это позволяет получить более чем 300,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 возможных адресов (25616).

Предпочтительная форма записи адреса в протоколе IPv6 использует шестнадцатеричную систему счисления в виде восьми 16-битных частей:

BA98:FEDC:800:7654:0:FEDC: BA98:7654:3210

В шестнадцатеричной системе счисления, в отличие от десятичной, используются не только цифры, но и буквы. Так, А обозначает 11 в десятичной системе, В— 12, С— 13, D— 14, Е— 15 и F — 16.

Обратите внимание, что нет необходимости записывать в отведенном поле все старшие нули, но в поле должна присутствовать хотя бы одна цифра.

В будущем по мере увеличения количества сотовых телефонов, карманных компьютеров и других сетевых устройств, вероятно, возникнет нужда в таком расширенном адресном пространстве.

Типы адресов IPv6

IPv6 не использует классы адресов. Вместо этого поддерживается три типа IP-адресов:

— Одноадресные (Unicast)

— Многоадресные (Multicast)

— Групповые (Anycast)

Одноадресная (unicast) и многоадресная (multicast) передача в IPv6 концептуально организована так же, как и в IPv4. IPv6 не поддерживает широковещательную передачу (broadcast), но многоадресная (multicast) передача позволяет достичь того же эффекта.

Многоадресные (multicast) адреса в IPv6 начинаются с «FF» (255), как и в IPv4.

Групповая (anycast) передача в IPv6 является вариацией многоадресной (multicast) передачи, но если многоадресная передача доставляет сообщения на все узлы группы, то групповая передача доставляет сообщение на один из узлов группы. Групповая (anycast) передача в данном случае предназначена для балансирования нагрузки и повышения отказоустойчивости серверов.

Зарезервированные адреса IPv6

IPv6 резервирует только два специальных адреса: 0:0:0:0:0:0:0:0 и 0:0:0:0:0:0:0:1.

IPv6 использует 0:0:0:0:0:0:0:0 для внутренних нужд протокола, поэтому узлы не могут использовать его для коммуникационных целей. А адрес 0:0:0:0:0:0:0:1 в IPv6 используется как адрес обратной связи, как адрес 127.0.0.1 в IPv4.

Служба имен доменов (DNS)

Хотя IP-адреса позволяют компьютерам и маршрутизаторам эффективно обмениваться информацией, люди предпочитают вместо чисел использовать имена.

Служба имен доменов DNS (Domain Name