ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ВИДЕОКАМЕР

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ВИДЕОКАМЕР Основу любой системы телевизионного наблюдения составляюттелекамеры. На рынке систем теленаблюдения присутствует техника как ведущих фирм мира, так и тайваньских и корейских фирм. В конструкции видеокамеры можно выделить следующие основные функциональные системы: преобразователь свет-сигнал; синхронизации; автоматической регулировки усиления;электронный затвор; автоматической установки баланса черного; гамма-коррекции; съемкипри низких уровнях освещенности; объектив с автоматической диафрагмой.Функция съемки при низких уровнях освещенности (LOLUX) замечательна тем, что позволяет снимать почтибез освещения. При этомможно получить прекрасное изображение с хорошим цветовым балансом без увеличения уровняшума. Преобразователи "свет-сигнал" Важнейшим элементом конструкциивидеокамеры является преобразователь "свет-сигнал", обеспечивающий кодирование снимаемого изображенияв форме электрических сигналов. Преобразователи свет-сигнал представляют собойлибо передающие электронно-лучевые ТВ трубки (ЭЛТ), либо твердотельные матрицы — такназываемые "приборы с зарядовой связью" (ПЗС). ПередающимиТВ трубками освнащены устаревшие модели видеокамер либовидеокамеры специального назначения. В современных видеокамерах, как правило, применяются матрицы ПЗС, обеспечивающиебольшую надежность работы при достаточно высокихпараметрах. Число строк матрицы принимает значения от380 до 900. Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненныепреимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволилов значительной степени снизить размеры и массу камерна ПЗС по сравнению со своими предшественниками. Кроме того,заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие,примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность. Одновременно примерно вдвоеповысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее,на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такимивнешними факторами, как сотрясения, вибрации,уход параметров в процессе эксплуатации и приизменениях температуры. Для камер на ПЗС, в отличиеот трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционностимишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря ужео прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметрыне зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. Вобычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишенизначительное количество света. Это происходит,когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце,окно или осветительный прибор). В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными,что особенно важно, если у оператора нет достаточного опытаили условий для проведения съемки. В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4"и 1/6" приборы с зарядовойсвязью (ПЗС). Число пикселов (пиксел — одинэлемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости отмодели 300...600 телевизионных линий (твл). Устройствасинхронизации Устройство синхронизации обеспечивает временное согласование работывсех систем и блоков камеры. Синхронизация видеокамерможет осуществляться от внутреннего иливнешнего генератора. Внешняя синхронизация используется в многокамерных системах дляполучения немигающего переключения. При совместном использовании камерс внутренней синхронизацией, они коммутируются устройствами, содержащими памятьна кадр. Первые формирователи изображения на ПЗС использовали принцип покадровогопереноса зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее удобным при производстве и эксплуатацииматриц. Этот принцип был заложен в первую в миревещательную ТВ камеру CCD-l производствафирмы RCA. Чтобы не использовать механический затвор, был разработан принцип построчногопереноса зарядов в ПЗС, в котором рольсветочувствительных и накопительных датчиков играют (одинаковые) отдельныечередующиеся элементы. Для повышения качества формируемого изображения вприборах с зарядовой связью был разработан альтернативный способ переносазарядов. Его назвали принципом строчно-кадрового или гибридного — переноса.Такие приборы впервые были использованы в передающейТВ камере фирмы Sony. Указанный принцип, как явствует из егоназвания, объединил в себе особенности двух предыдущих методов-- построчного и покадрового переноса зарядов. При работе сматрицами ПЗС с построчным переносом зарядов могут возникать искаженияв виде тянущихся продолжений за объектами. Иначе их называют смазом или просто "тянучками".Они выглядят на изображении в виде вертикальных линий, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами. Однако,следует отметить, что возникают эти искажения при величинеэкспозиции, много превышающей нормальное значение. В этих условиях камера сЭЛТ уже испытывала бы мощное воздействие искаженийв виде "хвоста кометы" и тянучек, типичных для передающих камерна ЭЛТ и крайне нежелательныхв ряде критических ситуаций, например, при перемещении камеры поворотным устройством. В передающихТВ камерах на ПЗС со строчно-кадровымпереносом зарядов практически полностью отсутствует вертикальный смаз изображения. Поэтому на сегодняшнийдень матрицы ПЗС с этим принципом переноса зарядовобеспечивают наилучшие качественные показатели формируемых изображений. Третье поколение матриц ПЗС (Hyper HAD)включило в себя целый рядновых электронных приемов, что значительно улучшилокачественные показатели формируемого изображения. Матрица Hyper HADиспользует оригинальный и простой метод, заключающийся в установкеминиатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный элемент,что позволяет сконцентрировать световой потокбез лишнего его рассеивания. В результате резко (примерно вдвое)возрастает чувствительность матрицы. Указанные значения относительного отверстия соответствуютвеличине чувствительности в 2000 лк при коэффициенте отражения в 89,9%.Эти улучшенные показатели позволяют работать не тольков условиях низкой освещенности, при которых прежде видеосигнал имелбы неприемлемое качество, но и в процессе использования источников инфракрасного излучения. Отметим,что вертикальный смаз при работе с ПЗС спострочным переносом типа Hyper HAD имеет такой женезначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов.Объективы видеокамер Объективы к камерамотличаются величиной фокусного расстояния, светосилой, характером создаваемого оптического изображения. При съемкес одной и той жеточки объективами с различными фокусными расстояниямимасштаб изображения изменяется прямо пропорционально величине фокусного расстояния. Если один и тот же объектнаблюдать в одном масштабе с разных расстояний камерамис различными объективами, то будет заметна разница на изображении.Изображения близко расположенных объектов прииспользовании короткофокусных объективов будут более контрастными и резкими,в сравнении с изображением удаленных объектов при использовании длиннофокусных объективов.Короткофокусный объектив даже при небольшомдиафрагмировании обладает большой глубиной резкости. Длиннофокусный объективдаже при съемке удаленных объектов имеет ограниченную глубину резкости. Присъемке геометрически строгих объектов даже незначительныйнаклон оптической оси объектива от горизонтального положенияприводит к появлению в изображении нежелательныхперспективных искажений. Это явление особенно заметно при использовании короткофокусных объективов. Объектив камерывыбирается в соответствии с назначением камеры.Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка3,5 мм. При этом угол зрения камеры будет около 90Ш. Длиннофокусные объективы сфокусным расстоянием 12 мм и углом зрения 30Шиспользуют при наблюдении периметра объекта. Дляиспользования в условиях искусственного освещения необходимавозможность отключения электронного затвора и автоматической регулировки усиления камеры (Приложение 1). Объектив с переменным фокусным расстояниемДля обеспечения эффекта увеличения изображения используютсяобъективы с трансфокатором, специальные телекамеры сэлектронным трансфокатором, или цифровую аппаратуру увеличения/уменьшения изображения (видеопроцессоры).Объективы видеокамер, имеющие переменное фокусноерасстояние, называются "вари-объективы". Они позволяют осуществитьплавное изменение масштаба изображения (совершать "наезд").Масштаб изменяется вручную либо посредством электропривода.При этом сохраняется фокусировка изображения. Применение трансфокаторовпозволяет "приблизить" изображение от 5 до 20 раз, что позволяетрассмотреть даже сильно удаленные объекты. Использованиетрансфокатора наиболее удобно совместно с поворотным устройством. Этопозволяет не только следить за перемещением объекта наблюденияв широком секторе обзора, но и рассмотреть подробнодетали (лицо человека, номер автомобиля). Съемка подвижных ярких объектовсущественно упрощается благодаря использованию системы Multi-zoom Iris,которая отдает приоритет объектам в центральной и нижней областях сцены. Когда камера перемещается к яркимсценам, включается система EEI (Extended Electronic Iris),которая обеспечивает непрерывное регулирование электронным затвором. Объектив с автоматической диафрагмой Объектив с автоматической диафрагмойустанавливает размер отверстия диафрагмы, обеспечивающийоптимальную интенсивность светового потока, проходящего через объектив ипопадающего на мишень преобразователя "свет-сигнал". Использование объективов савтоматической диафрагмой позволяет получать качественное изображение какпри ярком солнце, так и при лунном свете. Применение объективов без диафрагмы вкамерах, имеющих электронный затвор, упростит и удешевитвсю систему телевизионного наблюдения. Камеры с автоматической диафрагмой плохореагируют на внезапные резкие изменения яркостиили контрастности изображения, например, при трансфокации илирезком включении источника света. Такие изменениябыстрее отрабатывает электронный затвор камеры. Поэтомурекомендуется использовать объектив с автоматической диафрагмой в камерахс электронным затвором. Pin-hole объектив Наблюдение может осуществляться внутрипомещений и снаружи, скрытно и открыто. Для визуального контроля ситуаций внутрипомещения следует применять камеры со встроенным объективом.Для помещений минимальная чувствительность камер может составлять 0,5 лк. Корпус камеры должен гармонировать с интерьероми не бросаться в глаза. Роль телевизионной камеры --не отпугивать посетителей, а фиксировать ситуацию в контролируемом помещении. В помещении следует использовать камерыс автоматической диафрагмой для автоматическойкомпенсации изменения освещенности в разное время суток. В зависимостиот плана помещения выбирается объектив с необходимым углом зрения. При необходимости скрыть камеруиспользуют миниатюрные камеры с Pin-hole объективами. У такихобъективов диаметр выходного зрачка составляет от 0,9 до 2 мм.Такую камеру можно устанавливать, например, за обоями.Небольшое отверстие под объектив не привлекает внимания. Для получения изображения повышенного качества следуетиспользовать камеры с повышенной разрешающей способностью(более 500 линий). Дополнительные возможности и сервисные устройствавидеокамер Автоматическая регулировка усиления Режим автоматической регулировки усиления позволяетпроизводить непрерывную съемку при всех уровнях освещенностибез необходимости переключать усиление или применятьсоответствующие фильтры и обладает также таким замечательнымсвойством, как приоритетность апертуры. Она заключается в том, что после того, как вручнуюустановлена диафрагма, для получения желаемой глубины резкости,система АРУ автоматически устанавливает требуемый уровеньвидеосигнала. Например, когда снимаются темные объекты, послетого как диафрагма полностью открылась, усиление будетувеличено автоматически, чтобы достичь требуемого уровнявидеосигнала. Автоматическая регулировка усиления позволяет повыситьрезкость изображения в случае большой освещенности сцен, причемв совокупности с функцией автоматической диафрагмы это даетвозможность расширить динамический диапазон без ограничениясигнала. Благодаря режиму АРУ имеется возможность осуществлятьнепрерывную автоматическую съемку от темных до ярких планов безпрерывания изображений. Электронный затвор Структура матрицы типа HAD позволила применить электронныйзатвор с функцией переменного времени экспозиции. Это даетвозможность снимать передающей ТВ камерой быстротечныединамические процессы и объекты за время второй части каждогополя, а это и есть период открывания электронного затвора.Изменяя величину периода открывания затвора, меняют времяэффективной экспозиции при съемке. В телекамерах Sony времяэкспозиции изменяется вплоть до значения 1/100000 с. Усовершенствование электронного затвора в матрице ПЗС типаHAD позволило создать так называемый не мелькающий растр. Немелькающий растр означает снижение и даже полное устранениепомех в виде перемещающихся в вертикальном направлении поэкрану полос (т. н. черный шум) при съемке. Автоматическая установка баланса белого Эта функция полезна, когда у оператора нет времени дляустановки камеры в режим съемки. Автоматическая установкабаланса белого заключается в подборе усиления в каналахкрасного и синего цвета (в цветных видеокамерах) по отношению кусилению зеленого. Эти регулировки осуществляются изначальнопри изготовлении видеокамеры. Однако, в некоторых условиях может возникнутьнеобходимость их изменения, что, как правило, происходитавтоматически. Для этого достаточно направить видеокамеру набелый объект, отрегулировать масштаб изображения так, чтобыэтот объект занимал не менее 80% его площади, после чегонажатием кнопки включить схему регулировки. В некоторых моделяхкамер эту регулировку можно выполнить и вручную. Гамма-коррекция Гамма-коррекция — растягивание видеосигнала в областичерного. В некоторых моделях видеокамер имеется схема, позволяющаяувеличить число градаций в передаче полутонов черного и серогоцветов. Действие ее фактически обратно действию схемы сжатияконтрастности, которая повышает и углубляет контрастностьполутонов в изображении. При максимальном значении коэффициента гамма-коррекции(1,0) полутона получаются наиболее контрастными, "грубыми" и"глубокими", а при минимальном (0,4) — обеспечиваетсявоспроизведение наиболее "нежных" и "мягких" полутонов.