Kamery telewizji dozorowej
Podstawowym elementem kamery decydującym o
jakości obrazu jest przetwornik CCD, który przetwarza sygnał świetlny
(obraz obiektu) na sygnał elektryczny. Dalej w skład kamery wchodzi
szereg urządzeń elektronicznych, które dokonują obróbki sygnału
elektrycznego. W kamerach cyfrowych sygnał elektryczny otrzymywany z
przetwornika CCD jest zamieniany na postać cyfrową i dalej poddawany
obróbce w procesorze sygnałowym. Dzięki temu pojawiają się nowe
możliwości obróbki sygnału, do których zaliczyć można detekcję ruchu, BLC
i elektroniczny zoom. Ponadto cyfrowa obróbka sygnału stwarza możliwość
łatwego wprowadzania dodatkowych informacji do sygnału, np. data, opisy,
menu ekranowe. Takie kamery charakteryzują się również lepszym kontrastem,
często mają możliwość redukcji rozmycia jasnych punktów obrazu.
Parametry
kamer
Czułość kamery określa jej
zdolność widzenia przy słabym oświetleniu. Najczęściej jest podawana w
luksach (lx) przy określonym otworze względnym przysłony obiektywu (F).
Różni producenci stosują jednak różne warunki pomiarów i dlatego bardzo
trudno porównywać różne kamery. W praktyce spotyka się następujące
sposoby określania czułości kamery:
- czułość użytkowa, przy której osiąga się określony odstęp sygnału
wizyjnego od szumów,
- czułość pełnego sygnału wizyjnego, przy której sygnał wizyjny osiąga
wartość 1Vpp niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum,
- czułość -6dB, przy której amplituda części wizyjnej sygnału kamery
osiąga wartość 0,35V niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum.
Rozdzielczość kamery określa
zdolność rozróżniania drobnych szczegółów na ekranie. Jest podawana w
liniach telewizyjnych. Rozdzielczość jest określana zarówno dla pionu,
jak i dla poziomu. Rozdzielczość zależy od ilości pikseli przetwornika
CCD, przy czym nie jest to zależność jednoznaczna. Rozdzielczość pozioma
i pionowa są zawsze mniejsze niż odpowiednia ilość pikseli przetwornika.
Stosunek sygnał/szum (S/N) określa zdolność
kamery do generacji obrazu dobrej jakości, pośrednio jest związany z
czułością kamery.
Rodzaje kamer
Podstawowym elementem każdej kamery jest przetwornik
obrazowy CCD (Charge Coupled Device). Dzięki zastosowaniu tego typu
przetworników współczesne kamery cechują się miniaturowymi gabarytami
oraz brakiem zniekształceń geometrycznych. Wielkość zastosowanego
przetwornika może być pierwszym kryterium podziału kamer:
- 2/3" to przetwornik o wymiarach 6,6 x 8,8mm (przekątna 11mm),
- 1/2" to przetwornik o wymiarach 4,8 x 6,4mm (przekątna 8mm),
- 1/3" to przetwornik o wymiarach 3,7 x 4,9mm (przekątna 6mm),
- 1/4" to przetwornik o wymiarach 2,7 x 3,6mm (przekątna 4mm).
Zapis ułamkowy pochodzi od dawniej stosowanych lamp analizujących. Liczba
określała średnicę zewnętrzną lampy. Pole obrazowe lampy o średnicy
1" miało przekątną 16mm i właśnie ta wartość stanowi podstawę
dalszych określeń.
Najnowsze przetworniki CCD mają coraz mniejsze
rozmiary przy coraz lepszych parametrach. I tak czasy przetworników
2/3" już minęły, podobnie rzecz się ma z przetwornikami 1/2".
Obecnie na rynku "panują" przetworniki 1/3" i coraz
częściej pojawiają się 1/4". W nowoczesnych przetwornikach piksele
są coraz mniejsze i dzięki temu jest możliwe ich znaczne zagęszczenie na
małej powierzchni. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż do małych
przetworników są potrzebne mniejsze obiektywy. Aczkolwiek zastosowany
obiektyw większy, przez co osiąga się nawet lepszą jakość obrazu
(zniekształcenia optyczne rosną wraz z oddalaniem się od osi optycznej
obiektywu).
Pod względem czułości kamery można
podzielić z grubsza na:
- kamery czarno-białe o standardowej czułości około 0,1 luksa,
- kamery czarno-białe o podwyższonej czułości nawet poniżej 0,01 luksa,
- kamery kolorowe o standardowej czułości około 4 luksów,
- kamery kolorowe o podwyższonej czułości poniżej 1 luksa.
Różnice w wynikach pomiarów kamer przy różnych definicjach mogą dochodzić
nawet i do 100 razy. Niestety producenci bardzo często nie podają metody
pomiaru, co poważnie dezorientuje w kwestii oceny. Najczęściej ten fakt
wynika z chęci poszczególnych producentów do "prześcignięcia"
firm konkurencyjnych. Na rynku spotyka się nawet tanie kamery, dla
których producenci podają czułość 0,0001lx. Oczywiście nie precyzują
sposobu określania tej czułości...
Przy uwzględnianiu czułości kamer należy
pamiętać, że bardzo duże czułości kamer najczęściej w praktyce nie są
potrzebne. Czasami nawet mogą być niewskazane, zwłaszcza przy silnym
oświetleniu obserwowanych obiektów. W celu przybliżenia wymogów
dotyczących czułości kamer poniżej podano przykładowe poziomy oświetlenia
przy różnych źródłach światła:
- oświetlenie powierzchni ziemi przez księżyc w pełni w pogodną noc
wynosi 0,1-0,2 luksa,
- oświetlenie uliczne zapewnia z reguły kilka luksów,
- pomieszczenie od zacienionej strony w środku dnia ma oświetlenie rzędu
300 luksów,
- oświetlenie słoneczne terenu na zewnątrz przy zachmurzonym niebie to
około 5000 luksów.
Pod
względem rozdzielczości kamery można podzielić na:
- kamery czarno-białe o małej rozdzielczości około 380 linii
telewizyjnych,
- kamery czarno-białe o standardowej rozdzielczości około 470 linii
telewizyjnych,
- kamery czarno-białe o podwyższonej rozdzielczości około 600 linii
telewizyjnych,
- kamery kolorowe o małej rozdzielczości około 330 linii telewizyjnych,
- kamery kolorowe o standardowej rozdzielczości około 420 linii
telewizyjnych,
- kamery kolorowe o podwyższonej rozdzielczości około 480 linii
telewizyjnych.
Rozdzielczość pozioma i pionowa, jak już wspomniano, jest zawsze mniejsza
niż odpowiednia ilość pikseli przetwornika. Jednak niektórzy producenci
podają tylko ilość pikseli; najczęściej w celu ukrycia rzeczywistej
rozdzielczości kamery.
Podczas planowania instalacji telewizji
przemysłowej jednym z podstawowych problemów jest wybór między kamerami
czarno-białymi i kolorowymi. Kamery czarno-białe są stosowane
przede wszystkim przy słabym oświetleniu obserwowanych obiektów. Kamery
takie odznaczają się dużą czułością oraz małą wrażliwością na kolor
światła padającego na obiekty. Ich charakterystyka widmowa jest bardzo
szeroka i znacznie wykracza poza widmo światła widzialnego (400 - 770nm).
Jednym z praktycznych zastosowań tej właściwości kamer jest stosowanie
niewidzialnego dla człowieka oświetlenia podczerwonego (zakres bliskiej
podczerwieni 770 - 850nm) do oświetlania obserwowanej sceny.
Wszędzie tam, gdzie potrzebne jest lepsze
rozróżnianie osób i przedmiotów stosuje się kamery kolorowe. Obraz
kolorowy dostarcza znacznie więcej informacji odróżniającej poszczególne
obiekty od siebie. Kamery kolorowe wymagają jednakże, ze względu na
mniejszą czułość, znacznie lepszych warunków oświetlenia. Kamery kolorowe
mają zwykle nieco gorszą rozdzielczość niż czarno-białe. Pomimo tej
gorszej rozdzielczości obraz wydaje się być ostry i czytelny dzięki
dodatkowej informacji, jaką niesie ze sobą sygnał koloru. W kamerach
kolorowych do przesyłania sygnału wizyjnego najczęściej jest
wykorzystywany system PAL. W systemie PAL stosuje się fazowe kodowanie
informacji o barwie obrazu. Sygnał niosący informacje o kolorze jest
przesyłany na podnośnej 4,43MHz. Czasami do przesyłania sygnału wizyjnego
z kamery kolorowej stosuje się system Y/C. Kamera taka ma dwa wyjścia
wizyjne i wymaga dwóch przewodów do przesyłania sygnałów. Jeden przewód
służy do transmisji luminancji (sygnał czarno-biały), drugi zaś
chrominancji (sygnał koloru).
W ostatnim czasie coraz popularniejsze stają się
kamery dzień/noc. Kamery takie łączą w sobie zalety kamer
czarno-białych i kolorowych. Przy dobrym oświetleniu dają obraz kolorowy
ze wszystkimi jego zaletami. Przy słabym oświetleniu, przy którym kamery
kolorowe nie mogłyby już poprawnie pracować, przechodzą w tryb
czarno-biały. Bardzo często kamery takie są dodatkowo wyposażane w
promienniki podczerwieni, dzięki którym widzą w kompletnej ciemności.
Stąd też dla takich kamer podaje się czułość 0lux. Oczywiście kamery
dzień/noc bez wbudowanego promiennika podczerwieni mogą współpracować z
zewnętrznymi promiennikami podczerwieni.
W
zależności od budowy kamery można podzielić na:
- kamery typu BOX - stanowią najpopularniejszą grupę kamer; mogą
być stosowane wewnątrz pomieszczeń lub na zewnątrz (w odpowiedniej
obudowie),
- kamery typu DOME - kamery w obudowie kopułowej przeznaczone do
zastosowań wewnętrznych,
- kamery typu BULLET - kamery z obudowie walcowej, najczęściej
przystosowane do pracy w trudnych warunkach atmosferycznych, często z
oświetleniem LED IR,
- mikrokamery, kamery płytkowe oraz kamery w czujkach PIR -
przeznaczone do instalacji, w których wymagane jest zachowanie dyskrecji
lub jest mało miejsca,
- kamery wandaloodporne - przeznaczone do miejsc, gdzie główny problem
stanowi wandalizm (więzienia, magazyny, parkingi samochodowe),
- kamery zintegrowane z obiektywem „motor-zoom” i odbiornikiem
telemetrycznym, dzięki czemu mogą sterować siłownikiem,
- kamery zintegrowane z głowicą szybkoobrotową - możliwość zdalnej
regulacji położeniem kamery, parametrami obiektywu i kamery.
Automatyczna
przysłona i elektroniczna migawka
W celu uzyskania na wyjściu kamery dobrego
obrazu należy odpowiednio dobrać dwa czynniki. Po pierwsze jest to
czułość przetwornika obrazowego CCD. Po drugie jest to ilość światła
padającego na przetwornik. O ilości światła padającego na przetwornik
decyduje poziom oświetlenia obserwowanych obiektów oraz przysłona
obiektywu. W praktyce jednak najczęściej mamy wpływ jedynie na czułość
przetwornika oraz ustawienie przysłony.
Jeszcze niedawno czułość przetwornika była
praktycznie stała. Jedynym czynnikiem umożliwiającym regulację
"naświetlenia" była automatyczna przysłona (AI)
obiektywu. Obiektywy musiały więc zapewniać bardzo duże zakresy regulacji
przysłony. Zakres ten często zawierał się w granicach od F 1,4 do F 360.
Jest to bardzo szeroki zakres, zważywszy na fakt, iż na przykład w
fotografii stosuje się przysłonę do F 22. Tak znaczne zamykanie otworu
przysłony wymagało znacznej precyzji mechanizmów regulujących, ponadto
prowadziło do różnych zniekształceń obrazu.
W praktyce występują dwa sposoby sterowania
automatyczną przysłoną. W systemie AI Video przysłona w obiektywie
jest sterowana sygnałem wizyjnym. W systemie AI DC obiektyw jest
sterowany sygnałem stałym. Kamera posiada wyjście sygnału bezpośrednio
sterującego silnikiem obiektywu, który otwiera i zamyka przysłonę. W
przypadku obiektywu z AI DC w kamerze znajduje się potencjometr LEVEL
służący do regulacji poziomu sygnału sterującego. Obiektywy AI DC są
tańsze, warto zatem sprawdzić, czy kamera posiada sterownik umożliwiający
ich wykorzystanie.
Nowoczesne rozwiązania przetworników CCD są
wyposażone w elektroniczną regulację czułości. Polega ona na tym, iż
element reaguje na światło tylko przez ściśle określony czas. Stąd też -
przez analogię do aparatów fotograficznych - funkcję tę nazywa się elektroniczną
migawką (Electronic Shutter). Podczas powstawania kolejnych obrazów
kamera reaguje na światło tylko przez pewien - ściśle określony - czas
wyznaczany przez impulsy znieczulające. Uzyskiwana w praktyce zmiana
czułości zawiera się w granicach od 1 (pełna czułość) do 1/2000. W
przypadku pełnej czułości przetwornika CCD czas naświetlania kolejnego
obrazu wynosi 1/50 sekundy (częstotliwość ramki obrazu telewizyjnego).
Dla minimalnej czułości przetwornika czas ten skraca się do 1/100.000
sekundy. I te dane są najczęściej podawane przez producentów kamer. Takie
zmiany czułości (czasów naświetlania) kamer telewizyjnych są zupełnie
wystarczające do pracy przy niezbyt dużych zmianach warunków oświetlenia
(np. wewnątrz pomieszczeń). W przypadku automatycznej elektronicznej
migawki AES (Automatic Electronic Shutter) czas otwarcia jest
ustawiany automatycznie w zależności od ilości światła padającego na
przetwornik; zmiana następuje w zakresie od 1,50s do 1/100000s. I chociaż
sama elektroniczna migawka nie zawsze wystarcza przy bardzo dużych
wahaniach oświetlenia (np. na zewnątrz), to jednak prowadzi do znacznego
zmniejszenia wymagań stawianych obiektywom z automatyczną przysłoną.
Inne funkcje
W kamerach wyższej klasy występują dodatkowe
możliwości regulacji niektórych parametrów. Umożliwiają one na
dopasowanie się do trudnych warunków otoczenia, dzięki czemu można
uzyskać dobry obraz. Proste, kompaktowe kamery bez możliwości
jakichkolwiek regulacji, są przydatne w otoczeniu o małej zmienności
oświetlenia i małej głębi ostrości.
Automatyczna regulacja wzmocnienia AGC
(Automatic Gain Control) utrzymuje stały poziom sygnału wyjściowego
zwiększając tym samym odstęp sygnał/szum. Przy stosowaniu tej funkcji
obraz jest bardziej wyraźny, lecz traci na naturalności. W normalnych
warunkach AGC powinna być włączona, takie rozwiązanie powoduje
automatyczne dobieranie optymalnej czułości kamery.
Układ BLC (Back Light Compensation) służy
do kompensacji światła padającego z tyłu. Kompensacja powinna eliminować
lub osłabiać zjawisko, jakie powstaje przy silnym świetle padającym z
tyłu obserwowanego obiektu. W takim przypadku obserwowany obiekt jest
zwykle słabo widoczny w stosunku do reszty obrazu (zacieniony). Funkcja
BLC ustawia optymalną jakość obrazu obiektu znajdującego się na pierwszym
planie nawet kosztem jakości obrazu tła.
Automatyczny balans bieli AWB (Automatic
White Balance) zapewnia otrzymanie naturalnego obrazu (eliminacja
przebarwień) przy różnych rodzajach oświetlenia.
W wielu systemach występuje konieczność zsynchronizowania
sygnałów ze wszystkich kamer. Dlatego też część kamer ma możliwość
przełączania między synchronizacją wewnętrzną INT i synchronizacją z
częstotliwością sieci zasilającej LL (Line Lock). W przypadku
synchronizacji kamery z siecią zasilającą (LL) istnieje możliwość
regulacji fazy sygnału potencjometrem V PHASE.
Zasilanie kamer
W przypadku rozległych systemów telewizji
przemysłowej z dużą ilością kamer ich zasilanie może stać się bardzo
poważnym problemem. Najczęściej kamery zasilane są napięciem stałym 12V,
napięciem zmiennym 24V (lub 230V) oraz po kablu współosiowym.
Zasilanie napięciem stałym 12V jest
stosowane najczęściej w przypadku systemów stacjonarnych, zasilanych z
układów buforowych. Stosuje się je również w przypadku systemów samochodowych
zasilanych z akumulatora. Wadą zasilania stałoprądowego jest konieczność
zapewnienia określonej wartości napięcia, co z kolei wymaga stosowania
przewodów o dużych przekrojach (ze względu na straty omowe). Następną
poważną wadą takiego sposobu zasilania jest galwaniczne połączenie minusa
zasilania z masą obwodów wizyjnych, co może powodować bardzo trudne do
usunięcia zakłócenia (w przypadku powstania pętli prądowych).
Obecnie większość producentów wycofuje się z
zasilania stałoprądowego przechodząc na napięcie zmienne 230V (czasami
24V). W systemach zasilanych prądem zmiennym istnieje możliwość
synchronizacji pracy kamer z częstotliwością sieci zasilającej, co
umożliwia usprawnienie i obniżenie ceny urządzeń komutujących. Ponadto
zasilanie zmiennoprądowe stwarza niewielkie wymagania dotyczące
stabilności napięcia zasilającego. W systemach takich występuje również
galwaniczna separacja obwodów wizyjnych i zasilających, co istotnie
redukuje problemy z zakłóceniami. Przewagą zasilania 24V nad 230V jest fakt
zapewniania bezpieczeństwa pracy monterów oraz bezpieczeństwa pracy
systemu w trudnych warunkach atmosferycznych i środowiskowych.
Nowoczesnym rozwiązaniem jest zasilanie kamer
wraz z towarzyszącymi urządzeniami po kablu współosiowym. Przez
kabel wizyjny mogą być przesyłane - oprócz napięcia zasilającego -
również wszystkie sygnały sterujące z punktu odbioru do głowicy
obrotowo-uchylnej i obiektywu z zoomem. Rozwiązanie takie
może jednak stwarzać pewne problemy w przypadku konieczności sterowania
wieloma urządzeniami.
Obudowy ochronne kamer
Kamery mogą pracować w zakresie temperatur od
-10 do 50° C przy wilgotności powietrza do 90% (bez narażania na kontakt
z wodą). Jeśli te warunki nie są spełnione w miejscu pracy kamery, to
należy stosować odpowiednie obudowy ochronne. Mają one za zadanie
utrzymanie określonych przez producenta warunków pracy kamery i
obiektywu. Bardzo ważne dla prawidłowej pracy kamery jest ochrona
przed wykraplaniem się pary wodnej na obiektywie (punkt rosy).
Obudowy takie są również niezbędnym wyposażeniem, gdy kamery pracują w
pomieszczeniach o bardzo dużym zapyleniu. Spotyka się również obudowy
chłodzone przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach. Obudowa może
zapewniać ochronę przed kradzieżą i zniszczeniem (wandaloodporne). Ważnym
aspektem jest oczywiście możliwość łatwego dostępu do kamery i obiektywu
w celach konserwacyjnych.
W praktyce najczęściej stosuje się
obudowy hermetyczne wyposażone w układy ogrzewania sterowane termostatem.
Obudowy mogą posiadać informację o zgodności z normą IP. Norma IP mówi o
odporności na przenikanie ciał stałych (pierwsza liczba) oraz szczelności
na wodę (druga liczba). IP 65 lub IP66 oznacza odporność na zapylenie i
częściowe zabezpieczenie przed wpływem wody. W przypadku dużej wilgotności
należy stosować obudowy IP67. IP68 oznacza, że taka obudowa może pracować
ciągle pod wodą.
Obiektywy
CCTV
Obiektyw jest urządzeniem optycznym służącym do
projekcji obrazu z obserwowanej sceny na powierzchnię światłoczułą
przetwornika obrazu. Jest to jeden z najważniejszych elementów kamery. Od
jego parametrów zależy jakość otrzymywanego obrazu.
Parametry
obiektywów
Ogniskowa obiektywu jest odległością od środka optycznego
obiektywu, w jakiej powstaje obraz obiektu znajdującego się w
nieskończoności. Ogniskowa obiektywu jest podawana zwykle w milimetrach.
Wartość ogniskowej określa (dla danego przetwornika CCD) kąt widzenia
obiektywu. Zależność między ogniskową i kątem widzenia jest odwrotnie
proporcjonalne.
Przysłona to mechanizm regulacji otworu względnego (apertury)
zmieniający ilość światła przechodzącego przez obiektyw. Wartość
przysłony obiektywu określa wprowadzane przez obiektyw zmniejszenie
natężenia światła na powierzchni przetwornika obrazowego. Natężenie
światła padającego na przetwornik jest proporcjonalne do stosunku
powierzchni otworu przysłony do powierzchni rzutowanego obrazu.
Z techniki fotograficznej przyjęto sposób określania
przysłony w skali F (liczba aperturowa). Skala ta jest tworzona przez
szereg liczb określających stosunek efektywnej średnicy otworu przysłony
do ogniskowej, gdy natężenie światła padającego na przetwornik dla
sąsiednich liczb szeregu pozostaje w stałym stosunku 1:2 lub 2:1 w
zależności od kierunku zmiany na skali F. Na szereg F składają się liczby
1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64; 90; 128; 256 itd. Im
wyższa liczba w skali F, tym mniej światła przepuszcza obiektyw. Dla
każdego obiektywu są podawane dwie liczby określające największy otwór
(najczęściej F 1,2 do 1,8) i najmniejszy otwór przysłony (nawet do F
360). Czasami zamiast drugiej wartości jest stosowane określenie
"closed" oznaczające, że otwór przysłony można zmniejszyć do
zera. Obiektyw w takim stanie w ogóle nie przepuszcza światła (jest
zamknięty), zaś liczba według skali F rośnie w takim przypadku do
nieskończoności.
|
Ilość przepuszczanego światła w
zależności od F
|
|
F
|
Przepuszczane światło
|
|
1,0
|
100%
|
|
1,4
|
50%
|
|
2,0
|
25%
|
|
2,8
|
12,5%
|
|
4,0
|
6,25%
|
|
5,6
|
3,13%
|
|
8,0
|
1,6%
|
|
16
|
0,8%
|
|
32
|
0,4%
|
Niektórzy producenci posługują się czasami skalą T (liczba
transmisyjne obiektywu) w celu określenia rzeczywistej zdolności
przepuszczania światła przez obiektyw. O ile dwa obiektywy różnych
producentów mogą przy tej samej przysłonie według skali F dawać różne
jasności obrazu, to obiektywy o jednakowym T zawsze dają taką samą
jasność. Skala ta bowiem uwzględnia wpływ wielu czynników na jasność
otrzymywanego obrazu, w tym np. wpływ gatunku szkła na przepuszczanie
światła. Chociaż skala T zapewnia bezwzględną ocenę jakości obiektywu, to
jednak nie jest zbyt popularna.
Głębia ostrości jest zakresem odległości od
obiektywu, w którym obraz obserwowanych obiektów jest ostry. Głębię
ostrości określa wiele czynników. Jednakże można stwierdzić, iż rośnie
ona wraz ze wzrostem wartości F (a zatem zmniejszaniem się otworu
przysłony obiektywu). Na ogół również głębia ostrości obiektywów o małej
ogniskowej jest większa niż obiektywów o dużej ogniskowej.
W praktyce dąży się do uzyskania głębi ostrości
"do nieskończoności". Oznacza to, że wszystkie obiekty
znajdujące się dalej niż określona odległość minimalna są widziane ostro.
Przy dużej głębi ostrości obraz obserwowanego przedmiotu jest ostry w
szerokim zakresie zmian położenia pokrętła ostrości w obiektywie. W obiektywach
z automatyczną przysłoną głębia ostrości zmienia się wraz ze zmianą
przysłony. Może to doprowadzić do utraty ostrości przy mniejszym
oświetleniu, bowiem wówczas następuje zwiększanie otworu przysłony i
wynikające stąd zmniejszenie głębi ostrości. Chcąc uzyskać dużą głębię
ostrości dobrze należy dobrze oświetlać obserwowane obiekty.
Rozmiar obiektywu decyduje o wielkości obrazu
wytwarzanego przez obiektyw. Określa się go, podobnie jak format
przetwornika obrazowego, w calach. W praktyce zamiast rzeczywistej
średnicy określa się format największego przetwornika, z którym dany
obiektyw może współpracować. Oczywiście obiektywy o większym formacie
mogą współpracować z mniejszymi przetwornikami. Takie rozwiązanie jest
nawet korzystne ze względu na mniejsze zniekształcenia optyczne obrazu
powodowane niedoskonałością optyki. Z reguły bowiem zniekształcenia takie
rosną wraz z oddalaniem się od środka obrazu.
Obecnie stosuje się mocowania obiektywu typu CS
i C. Należy jednak podkreślić, iż w obu typach mocowania gwint obiektywu
jest jednakowy. W nowoczesnych kamerach stosuje się najczęściej mocowanie
typu CS, przy którym odległość podstawy obiektywu od przetwornika wynosi
12,5mm. W przypadku obiektywów z mocowaniem typu C odległość między
podstawą obiektywu a przetwornikiem wynosi 17,526mm. Należy zatem
pamiętać, że obiektywy z mocowaniem typu C mogą być stosowane do kamer z
mocowaniem typu CS pod warunkiem zastosowania pierścienia dystansowego
grubości 5mm. Odwrotnie stosować obiektywów jednak nie można, bowiem nie
jest możliwe głębsze wkręcenie obiektywu CS do kamery z mocowaniem
C.
Rodzaje obiektywów
Obiektywy można generalnie podzielić według
następujących kryteriów:
- kąt widzenia (szerokokątne, standardowe i wąskokątne),
- rodzaj przysłony (bez przysłony, z przysłoną ręczną i z przysłoną
automatyczną),
- rodzaj ogniskowej (stała, zmieniana ręcznie i zmieniana zdalnie).
Przy zastosowaniu w kamerze określonego typu przetwornika kąt widzenia
kamery będzie zależał oczywiście od ogniskowej obiektywu. Zasadą jest, że
kąt widzenia kamery maleje wraz ze wzrostem ogniskowej.
Kąt widzenia
Ponieważ kąt widzenia 30 stopni w płaszczyźnie
poziomej odpowiada w przybliżeniu kątowi widzenia oka ludzkiego, stąd też
jest on nazywany kątem naturalnym (standardowym). Taki kąt widzenia
osiąga się przy ogniskowej obiektywu równej formatowi przetwornika
kamery. I tak dla przetwornika 1/3" obiektyw zapewniający naturalny
kąt widzenia powinien mieć ogniskową 8mm. Obiektywy o ogniskowych
znacznie mniejszych od formatu zastosowanego w kamerze przetwornika są
uważane za szerokokątne. Obiektywy o ogniskowych znacznie
większych od formatu przetwornika są uważane za wąskokątne.
Obiektywy o bardzo małym kątach widzenia są nazywane teleobiektywami.
Rodzaj przysłony
Najtańsze obiektywy przeznaczone do pracy z kamerami
wyposażonymi w układ elektronicznej migawki czasami nie mają wbudowanej
przysłony (no iris). Oznacza to oczywiście, że w takim obiektywie
nie ma możliwości regulacji otworu przysłony.
Przysłona obiektywu może być regulowana ręcznie (manual
iris) lub też automatycznie (auto iris) dostosowywać się do
zmiennych warunków oświetlenia. Obiektywy z ręcznie regulowaną przysłoną
należy stosować w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie warunki oświetlenia
są względnie stałe. Regulacja polega na jednorazowym ustawieniu
pierścienia lub dźwigni przysłony. Obiektywy z automatyczną przysłoną
należy stosować wszędzie tam, gdzie zakres zmian oświetlenia jest bardzo
duży. Takie warunki występują na zewnątrz, gdzie kamera musi pracować
zarówno w letni słoneczny dzień, jak też i w nocy przy słabym sztucznym
oświetleniu.
Obecnie produkuje się dwie wersje obiektywów z
przysłoną automatyczną. Pierwszą stanowią obiektywy sterowane sygnałem
wizyjnym VIDEO. Obiektywy takie mają wbudowane układy detekcji poziomu sygnału
wizyjnego, które wypracowują sygnał sterujący mechanizmem regulacji
przysłony. Obiektywy sterowane prądem stałym DC zawierają jedynie układ
sterujący przysłoną. Sygnał potrzebny do sterowania przysłona jest
wypracowywany w kamerze. Obiektywy DC są tańsze, lecz można je stosować
tylko do odpowiednich kamer, coraz popularniejszych na rynku.
Obiektywy sterowane sygnałem wizyjnym mają z reguły
dwa elementy regulacyjne. Potencjometr opisywany jako LEVEL służy do
regulacji poziomu jasności , który powinien być automatycznie utrzymywany
przez obiektyw. Przy stałym poziomie oświetlenia zmiana położenia
potencjometru LEVEL w kierunku HIGH powoduje zwiększenie otworu przysłony
i rozjaśnienie obrazu. Zmiana w kierunku LOW powoduje zmniejszenie otworu
przysłony. Potencjometr ALC służy do zmiany szybkości reakcji układów
automatyki jasności na zmiany oświetlenia. Regulacja w kierunku PEAK
powoduje zwiększenie szybkości reakcji układów automatyki na zmiany
oświetlenia. Regulacja w kierunku AVERAGE powoduje zmniejszenie szybkości
reakcji. Niektóre obiektywy są wyposażone w jeszcze potencjometr GAIN
służący do regulacji wzmocnienia sygnału sprzężenia zwrotnego w układzie
kamera - obiektyw. Za pomocą tego potencjometru można zmniejszać
wzmocnienie w przypadku występowania oscylacji przysłony przy wysokim
poziomie oświetlenia. Oscylacje takie mogą się pojawiać w przypadku
rownoczesnej pracy elektronicznej migawki i automatycznej przysłony.
Kamery przystosowane do współpracy z obiektywami
sterowanymi prądem stałym DC są wyposażane w potencjometry LEVEL i ALC
spełniającymi analogiczne funkcje, jak w przypadku obiektywów sterowanych
sygnałem wizyjnym. Tańsze kamery przystosowane do współpracy z
obiektywami DC mogą zawierać tylko jedną z tych regulacji.
Nowoczesne kamery mają często wbudowany układ
elektronicznej migawki (automatic electronic shutter )
zapewniający stałą jasność obrazu w szerokim zakresie zmian oświetlenia.
Dzięki temu mogą one współpracować z obiektywami z ręcznie regulowaną
przysłoną. Jednak takie rozwiązanie może spowodować pewne problemy z
głębią ostrości. Należy pamiętać bowiem, że ustawienie dużego otworu
przysłony w słabych warunkach oświetlenia obserwowanych obiektów
zmniejsza głębię ostrości. Jeżeli jednak poziom natężenia światła
znacznie wzrośnie, to głębia ostrości nadal będzie mała.
Rodzaj ogniskowej
W ściśle określonych i niezmiennych w czasie warunkach
pracy stosuje się - ze względów ekonomicznych - obiektywy ze stałą
ogniskową. Znając format przetwornika, odległość od obserwowanego przedmiotu
oraz jego rozmiary można określić ogniskową obiektywu z następującej
zależności:
h/H=f/L
gdzie:
f - ogniskowa obiektywu,
L - odległość do obiektu,
H - wysokość obiektu,
h - wysokość przetwornika CCD.
Przy czym wysokości przetwornika CCD kształtują się następująco:
przetwornik 1” - wysokość 9,525mm, 2/3” - 6,6mm, 1/2” - 4,8mm, 1/3“ -
3,6mm.
Analogiczne obliczenia można przeprowadzić dla szerokości obiektu i
szerokości przetwornika CCD.
W praktyce doboru obiektywu dokonuje się za
pomocą specjalnych kalkulatorów, gotowych wykresów lub specjalnej lunetki
pomiarowej zwanej "view finder". Kalkulatory są budowane z
dwóch współosiowych kół, gdzie po wybraniu odległości do obiektu i
wielkości obiektu oraz formatu przetwornika można odczytać wartość wymaganej
ogniskowej. Podobnie dobór ogniskowej na podstawie wykresów sprowadza się
do odczytania wartości ogniskowej w zależności od szerokości lub
wysokości obserwowanego obiektu, odległości od obiektu oraz od formatu
przetwornika.
Gdy wielkość obserwowanej sceny zmienia się lub też
nie możemy na początku pracy systemu dokładnie określić na obserwacji
czego nam najbardziej zależy, wskazane jest zastosowanie obiektywu ze
zmienną ogniskową (zoom). I chociaż obiektywy takie są droższe od
obiektywów ze stałą ogniskową, to umożliwiają optymalny dobór pola
widzenia kamery dzięki płynnie zmienianej ogniskowej. Ponadto takie
rozwiązanie umożliwia - po pewnym czasie działania systemu - zmianę
(zawężenie lub poszerzenie) pola obserwacji.
W obiektywach z ogniskową zmienianą zdalnie (motor
zoom) proces jest realizowany za pomocą pulpitu sterowniczego i
specjalnego mechanizmu wbudowanego w obiektyw. Obiektywy tego typu są
wyposażone w mechanizmy regulacji ogniskowej i ostrości. Takie
rozwiązania są stosowane w zasadzie tylko w przypadku kamer umieszczanych
na głowicach obrotowo-uchylnych służących do obserwacji różnych, często
ruchomych, obiektów.
Zintegrowane kamery szybkoobrotowe i głowice obrotowe
Kamery
szybkoobrotowe
Zintegrowane kamery szybkoobrotowe (zwane również
punktami kamerowymi) umożliwiają zdalne sterowanie obrotem w poziomie i
wychyleniem w pionie oraz funkcjami obiektywu (zoom, iris, focus).
Dobierając punkt kamerowy należy zwrócić uwagę na nastpujące cechy: typ
kamery (czarno-biała, kolorowa, dzień-noc), czułość, rozdzielczość,
zakres zmian ogniskowej (zoom optyczny), miejsce zastosowania (na
zewnątrz, wewnątrz) i sposób montażu, estetykę obudowy oraz szybkość i
dokładność pozycjonowania kamery.
Kamera szybkoobrotowa z uchwytem
Punkty kamerowe znajdują szerokie zastosowanie,
zwłaszcza w monitoringu wizyjnym miast. Zastosowanie zintegrowanych kamer
szybkoobrotowych obniża koszty instalacji nawet o 20 - 30% w stosunku do
konwencjonalnych zespołów złożonych kamery z obiektywem, obudowy, głowicy
uchylno-obrotowej i odbiornika telemetrii.
Zintegrowane kamery szybkoobrotowe są oferowane w
trzech podstawowych wykonaniach:
- kamery wewnętrzne do montażu w suficie podwieszanym,
- kamery wewnętrzne do zawieszenia pod sufitem lub na wysięgniku obok
ściany,
- kamery zewnętrzne do montażu na wysięgniku mocowanym do ściany lub
słupa.
Każdy punkt kamerowy jest wyposażony w części dolnej w
5-calową kopułę. Najczęściej stosuje się kopuły przezroczyste i
przydymione. Punkty kamerowe przeznaczone do pracy na zewnątrz
pomieszczeń są wyposażone w grzejnik i termostat. Jednak kamery te nie są
odporne na zabrudzenia powierzchni kopuły, powodujące pogarszanie się
obrazu oraz ekstremalne warunki atmosferyczne (temperatura, oblodzenie).
Są też mało odporne na celowe uszkodzenia mechaniczne.
Zintegrowany punkt kamerowy składa się z kamery o
dobrych parametrach wraz z wbudowanym obiektywem optycznym (najczęściej z
zoomem), mechanizmu pozycjonującego pan/tilt oraz odbiornika
telemetrycznego. Punkt kamerowy zajmuje stosunkowo mało miejsca i
charakteryzuje się cichą pracą.
Kamera może obracać się o pełny kąt 360° ze regulowaną
prędkością od 0,1°/s do 300°/s. Należy przy tym podkreślić, iż większość
kamer może dokonywać wielokrotnego pełnego obrotu w płaszczyźnie.
Wychylenie kamery w pionie może obejmować zakres od 0° do 90°. Kamery z
zakresem do 180° posiadają funkcję "auto flip", która eliminuje
odwrotne wyświetlanie obrazu na monitorze. Polega to na tym, że kamera
wykonuje - podczas przechodzenia w trakcie ruchu pionowego przez
najniższy punkt - obrót o 180°. Przy sterowaniu ręcznym kamer, prędkość
pozioma i pionowa jest proporcjonalna do aktualnego ustawienia zoomu
obiektywu kamery.
Kamery są wyposażane w obiektywy o zmiennej
ogniskowej, najczęściej z zoomem optycznym od 16 do 23. Tylko najtańsze
kamery mają obiektywy ze stała ogniskową. Ponadto kamery mają nawet
12-krotny zoom elektroniczny, co w efekcie daje bardzo duże współczynniki
powiększenia obrazu. Kamery są wyposażane w układy automatycznego
ustawiania ostrości, z możliwością ręcznego dostrajania.
W kamerach zintegrowanych można zaprogramować
kilkadziesiąt pozycji programowych oraz nadać każdej zaprogramowanej
pozycji nazwę. Dokładność ustawiania zaprogramowanych ujęć jest nie
gorsza niż 1/2 stopnia. W oparciu o te pozycje, możliwe jest także
zaprogramowanie kilku automatycznych tras nadzoru wizyjnego. Kolejność
oraz czas obserwacji (wyświetlania na ekranie) poszczególnych pozycji także podlega programowaniu.
Dodatkowo użytkownik może programować trasy obserwacji poprzez ręczne
"uczenie" kamery. Należy podkreślić, iż podczas programowania
można zabronić kamerze dostępu do tak zwanych "stref
prywatności". W takim przypadku obraz nie jest wyświetlany na
monitorze (czarny ekran).
Punkty kamerowe są najczęściej zasilane zmiennym
napięciem o wartości nominalnej 24Vac. Mają również wbudowane układy
chroniące przed przepięciami elektrycznymi.
Zintegrowana kamera w głowicy szybkoobrotowej jest
sterowana po kablu wizyjnym, przy wykorzystaniu interfejsów RS-422
(skrętka dwuparowa) i RS-485. Do najpopularniejszych protokołów
sterowania należą: Vicon, Pelco, Philips, VCL, Sensormatic, Kalatel i
Lilin.
Sterowanie kamerami, programowanie i realizowanie
różnych funkcji (ujęcia programowe, trasy nadzoru, trasy obserwacji)
odbywa się za pomocą klawiatur zewnętrznych. Klawiatury sterujące
umożliwiają dodatkowo zaprogramowanie daty i czasu w kamerze (wyświetlane
na ekranie monitora), nazw pozycji, obszarów i tras.
Sterownik z joystickiem 3D
Głowice obrotowe
Pomimo rozpowszechnienia się punktów kamerowych
stosowane są także klasyczne głowice obrotowe (pozycjonujące). Obecnie
głowice pozycjonujące znajdują zastosowanie głównie w takich miejscach
instalacji, w których kamery są narażone na silne zanieczyszczenia i
trudne warunki pracy. Obudowy zewnętrzne umieszczane na głowicach
pozycjonujących mogą być wyposażone w daszki przeciwsłoneczne, grzejniki,
wentylatory, odmrażacze oraz wycieraczki i spryskiwacze.
Głowice zapewniające zmianę położenia kamery zarówno w
poziomie, jak i w pionie są nazywane głowice pan/tilt. Dzięki tym
możliwościom głowicy kamera może być przestawiana w określonym zakresie,
co zapewnia obserwowanie na ekranie monitora interesującego fragmentu
dozorowanego obszaru. Głowice tego typu są z reguły sterowane ręcznie za
pomocą pulpitu zdalnej regulacji. Specjalne sterowniki umożliwiają
ustawienie takiej głowicy w zaprogramowanej wcześniej pozycji, jeżeli
wystąpi sygnał alarmowy.
Sercem głowicy obrotowej są z reguły dwa zespoły
napędowe z silnikami umieszczone w jednej obudowie. Jeden z tych zespołów
zapewnia ruch w płaszczyźnie poziomej, drugi w płaszczyźnie pionowej.
Standardowe głowice obrotowe zapewniają ruch ze stałymi prędkościami
(chociaż w przypadku części głowic prędkości te mogą być regulowane przez
użytkownika). Prędkość głowicy w płaszczyźnie pionowej jest zwykle
mniejsza niż w poziomej. Należy również podkreślić, iż wraz ze wzrostem
ogniskowych stosuje się mniejsze prędkości głowicy.
Uproszczona wersja
głowicy obrotowej zapewnia tylko obracanie w poziomie (scanner). W tym
przypadku dosyć często stosuje się tylko sterowanie automatyczne
zapewniające obracanie głowicy w zadanym zakresie. Możliwości tego typu
głowic a zatem i zakres ich zastosowań są jednak
ograniczone.
Autor: Aleksy
Kordiukiewicz
