Видеонаблюдение

На відміну від аналогової відеокамери, IP -камера не потребує прямого підключення до комп'ютера або до будь-яких інших апаратних або програмних засобів. Її підключення може здійснюватися як за допомогою дротяного з'єднання (по міді або оптоволокну) так безпровідного (Wi - Fi, GPRS/EDGE, 3G, супутниковий зв'язок і ін.). Таким чином, досягається повна або часткова мобільність користувача, який здатний стежити за видаленими об'єктами практично з будь-якої точки земної кулі.

Рисунок 2.2

 

Основні переваги IP -видеонаблюдения:

- Оператор системи може  здійснювати візуальний контроль  як локально, так і видалено (з  КПК, мобільного телефону і  так далі), і здійснювати функції  адміністрування системи відеоспостереження використовуючи переваги веб-технологій.

- Спрощена установка при  малих витратах на монтаж - мережеві  відеосистеми IP не вимагають прокладення додаткового коаксіального кабелю, як в аналогових системах, а підключаються до існуючої СКС об'єкту або за допомогою безпровідних технологій.

- Якість відеозображення - в сучасних IP -системах застосовується формат MPEG - 4, який дозволяє ефективніше використати ресурси мережі в порівнянні з форматом M - JPEG.

- Можливість передавати  по одному кабелю не лише  відеосигнал, але і звук, а також  управляти і адмініструвати IP -камеры.

- Гнучкість і масштабованість  систем IP відеоспостереження полягає в можливості будівництва фізично розподілених мереж відеомоніторингу, контролю і дистанційного керування без прив'язки до відстані.

- Інтеграція з багатьма  існуючими на даний момент  системами відеоспостереження.

 

2.3 Інтелектуальні мережеві цифрові

Інтелектуальні мережеві цифрові відеокамери на сьогоднішній момент є найбільш оптимальним рішенням для систем відеоспостереження. Рішення виходить досить компактним і недорогим. Для порівняння на рис 2.3 наведена архітектура системи на базі дешевої web -камеры і інтелектуальної мережевої відеокамери.

Рисунок 2.3

 

2.4 Загальна структурна схема розподіленноъ системи відеоспостереження

Розподілена система відеоспостереження включає до 500 каналів для IP відеокамер, до 5 VGA моніторів, програмне забезпечення CMS (Central Management System) і RMS (Remote Management System). IP відеокамери мають мережевий порт для підключення до мережі Ethernet, за допомогою якої вони підключені до CMS. Система дозволяє відображати на одному моніторі до 100 відеоканалів, здійснювати запис на жорсткі диски сервера відеозображення від IP камер, автономних відеореєстраторів, IP відеосерверів.

Рисунок 2.4

Система здійснює автоматичну  перевірку наявності підключення  по мережі, статус жорстких дисків для  запису, веде журнал подій, детектування руху, втрату відеосигналу, відображення режимів роботи для кожного каналу (наприклад, активізацію запису). Програмне  забезпечення дозволяє управляти поворотними  пристроями і трансфокаторами встановлених відеокамер завдяки вбудованому  віртуальному системному контроллеру.

 

2.5 Опис роботи  ІР -відеокамери

Будучи мережевим пристроєм, кожна IP -камера в мережі має свій IP -адрес.

На відміну від аналогових камер, при використанні IP -камер, після отримання відеокадру з ПЗС (англ. CCD) або КМОП (англ. CMOS) матриці камери, зображення залишається цифровим аж до відображення на моніторі.

Як правило, перед передачею, отримане з матриці зображення стискається  за допомогою покадрових (MJPG) або потокових (MPEG - 4) методів відеостискування. Існують спеціалізовані IP -камеры, відео, що здійснюють передачу, в нестислому виді.

Під IP -камерой розуміють цифрову відеокамеру, особливістю якої є передача відеопотоку в цифровому форматі по мережі Ethernet, що використовує протокол IP.

В якості протоколу транспортного  рівня в IP -камерах можуть використовуватися протоколи: TCP, UDP і інші транспортні протоколи мережевого протоколу IP. Поширена можливість електроживлення IP -камер через PoE.

Завдяки тому, що IP -камерам не вимагається передавати аналоговий сигнал у форматі PAL або NTSC, в IP -камерах можуть використовуватися великі дозволи, включаючи мегапіксельні. Типовий дозвіл для мережевих камер: 640x480 точок. Існують камери з мегапіксельними дозволами: 1280x1024, 1600x1200 і більш високими.

Завдяки відмові від використання стандартів аналогового телебачення PAL і NTSC, IP -камеры можуть передавати відеокадри з необхідною частотою. Існують IP -камеры з частотою передачі більше 60 кадрів в секунду.

IP -камеры можна віднести до категорії веб-камер. Поняття веб-камера описує функцію пристрою і є ширшим. Наприклад до веб-камер відносяться камери з інтерфейсом USB і FireWire.

На рис. 1 представлена укрупнена  схема відеокамери, яка складається  з об'єктиву, камерної голівки, відеомагнітофона і облаштування управління. Зупинимося на характеристиках основних вузлів апарату.

Рисунок 1.5 - Структурна схема відеокамери

 

До об'єктиву цифрової відеокамери  пред'являються вимоги підвищеної роздільної здатності із-за малого розміру елементу розкладання приладу із зарядовим  зв'язком (ПЗС). Крім того, об'єктив має  бути легким, надійним і формувати  зображення з найменшими спотвореннями. Найкращими вважаються об'єктиви фірм Canon і Fujinon. Об'єктиви мають регульовані діафрагму, трансфокатор і фокусування. Вони забезпечуються додатковими змінними світлофільтрами. Основний блок відеокамери - камерна голівка (рис. 1.6), яка складається з вузла перетворення "світло-сигнал" і цифрового процесора обробки сигналу зображення (рис. 1.7). Вузол перетворення "світло-сигнал" і об'єктив складають оптичну частину відеокамери і представлені на рис. 1.8. Відразу за об'єктивом розташований фільтр нижніх просторових частот і світлоділильна призма з кольоровими фільтрами, яка розділяє світловий потік на три спектральні складові, - червону (R), зелену (G) і синю (B) - по числу перетворювачів зображення на ПЗС.

Рисунок 2.6 - Камерна голівка

 

Оскільки перетворювачі  на ПЗС мають максимальну чутливість в ІЧ-області спектру, а необхідно  мати криву спектральної чутливості камери, близьку до кривої чутливості ока, то в оптичну частину камери входить фільтр ИК-отсечки.

Рисунок 2.7 - Цифровий процесор сигналу

 

Рисунок 2.8 - Оптична частина відеокамери

Перетворювач  зображення на ПЗС - це прилад, що здійснює просторову дискретизацію зображення. Для виключення інтермодуляційних спотворень або элайзинга (накладення спектрів при дискретизації), відповідно до теореми Котельникова, спектр передаваних просторових частот перед дискретизацією має бути обмежений на частоті, рівній половині частоти дискретизации,. Цій меті служить фільтр нижніх просторових частот (ФНПЧ), встановлений перед світлоділильною призмою.

У відеокамерах, вживаних в ТБ-мовленні, зазвичай використовують самі високоякісні і дорогі ПЗС з рядковим (IT CCD) або рядково-кадровим перенесенням (FIT CCD). На рис. 2.9 представлений ПЗС з рядково-кадровим перенесенням. IT CCD відрізняється від нього тільки відсутністю секції зберігання. З малюнка видно, що частина світлочутливої поверхні секції накопичення покрита непрозорими для світла вертикальними регістрами перенесення, що істотно знижує світлову чутливість таких ПЗС в порівнянні з ПЗС з перенесенням кадру.

Здолати цей  недолік дозволило застосування мікролінз, які розташовуються перед кожним фотодіодом і тому практично увесь світ збирається на них, минувши закриті від світла ділянки секції накопичення. Слід зазначити існування в перетворювачах двох режимів накопичення : режим накопичення поля (це стандартний режим роботи), і режим накопичення кадру. Розглянемо роботу перетворювача в цих режимах на прикладі роботи рядково-кадрового ПЗС (IT CCD), фрагмент якого представлений на рис2.9.

Рисунок 2.9 - ПЗС з рядково-кадровим перенесенням, FIT CCD Пристрій і робота перетворювача зображення на ПЗС

 

У цих приладах регістр вертикального перенесення, яке закрите від світла, є чотирьохфазним (фази фV1...фV4), а горизонтальний вихідний регістр - двофазним (фази фH1, фH2). У режимі накопичення поля (Рис. 1.10) усі фотодіоди  перетворювача опитуються одночасно - один раз впродовж поля. Тому час накопичення інформації в такому режимі складає одне ТБ-поле. Причому, два сусідні по вертикалі фотодіоди об'єднуються в один ТБ-рядок.

Чересстрочность забезпечується таким чином: в непарному полі першому телевізійному рядку належить перший і другий фотодіоди, другою - третій і четвертий фотодіоди, третьою - п'ятий і шостий фотодіоди, і так далі. У парному ж полі фотодіоди об'єднуються в пари із зрушенням на один фотодіод: перший рядок - перший фотодіод, другий рядок - другий і третій фотодіод, третя - четвертий і п'ятий фотодіод і так далі.

Рисунок 2.10 - Режим накопичення поля

 

Такий режим  забезпечує мінімальну тимчасову інерційність, але роздільна здатність по вертикалі  при цьому знижена, оскільки висота елементу накопичення дорівнює висоті двох фотодіодів. Підвищити роздільну  здатність дозволяє режим накопичення  кадру, коли в непарному полі опитуються непарні фотодіоди (1, 2, 3 і так далі), а в парному - парні (2, 4, 6 і т. д).

Тим самим, розмір елементу розкладання по вертикалі  зменшується удвічі, але також  удвічі збільшується тимчасова інерційність ПЗС, оскільки фотодіоди накопичують  інформацію впродовж двох телевізійних полів. Деякі фірми-виробники для  підвищення роздільної здатності по вертикалі застосовують цей режим  у відеокамерах, що випускаються ними, але застосовувати його слід дуже обережно, враховуючи підвищену тимчасову  інерційність.

 

2.6 Аналогова обробка сигналу з ПЗС

2.6.1 Схема подвійної корельованої вибірки (ДВК)

Сигнал, що знімається з ПЗС, містить характерні спотворення  і шуми, пов'язані з роботою  його вихідного пристрою. Щоб знайти шляхи, що дозволяють позбавитися від  цих наслідків, розглянемо особливості  формування цього вихідного сигналу. Як показано на рис 2.11 вихідний сигнал ПЗС має три рівні:

Рисунок 2.11 - Сигнали ПЗС і схеми ДКВ

 

- рівень, визначуваний  імпульсами скидання, проникаючими  у вихідний сигнал через паразитні  місткості (Reset Level);

- рівень фіксації, визначуваний постійною напругою  на стоці транзистора скидання  з шумовою добавкою (Feed - Through Level);

- рівень сигналу  з тією ж шумовою добавкою, викликаною ланцюгами вузла детектування  вихідного пристрою ПЗС (Signals).

Ці шуми включають:

- шуми скидання;

- низькочастотні 1/f -шумы повторителя на МОН-ТРАНЗИСТОР;

- теплові  шуми.

Усунути цю шумову добавку Uш можна, оскільки її величина у момент імпульсу фіксації tф (коли інформаційний заряд ще не поступив у вихідний пристрій) і у момент імпульсу вибірки tвыб (коли інформаційний зарядний пакет вже злився з цією шумовою добавкою) залишається незмінною. Саме операцію усунення шумової добавки здійснює схема подвійної корельованої вибірки (ДКВ) або, в англійській інтерпретації, CDS(рис. 2.12). Схема ДКВ працює таким чином.

Рисунок 2.12 - Схема ДКВ

 

У момент часу фіксації tф, коли на виході ПЗС ще немає корисного сигналу, але є шумова складова Uш, схема вибірки здійснює вибірку і запам'ятовування цієї складової, яка передається на неінвертуючий вхід операційного підсилювача (ОУ). Схема вибірки 1 здійснює вибірку і запам'ятовування сигналу у момент часу tвыб, коли сигнал на виході ПЗС вже містить корисну складову Uс і ту ж саму, що і у момент часу tф, шумову складову Uш.

Схема вибірки 3 робить вибірку шумової складової  Uш у момент часу tвыб, переписуючи значення шуму з виходу схеми вибірки 2 на інвертуючий вхід ОУ. В результаті, з моменту вибірки tвыб до наступної вибірки на неінвертуючому вході ОУ буде присутнім корисний сигнал з шумом Uс Uш, а на тому, що інвертує - Uш. На виході схеми ДКВ отримаємо значення сигналу без шуму Uс.

 

2.6.2 Попередній регульований відеопідсилювач

Після схеми  ДКВ сигнал поступає на регульований підсилювач, який забезпечує заданий  розмах сигналу перед поданням його на аналого-цифровий перетворювач (АЦП), а також стабілізацію рівня чорного  і shading -коррекцию (корекція опрацювання деталей зображення в місцях із слабкою освітленістю). Регулювання здійснюється шляхом завдання необхідного рівня зміщення, яке поступає на відеопідсилювач з ЦАП, що перетворює сигнал зворотного зв'язку, що формується цифровим процесором сигналів.

Глибина регулювання  посилення зазвичай складає від - 6 до 30 дБ. У підсилювачі здійснюється також регулювання, що забезпечує постійність  рівня чорного і рівня білого в усіх трьох каналах.

 

2.6.3 Аналого-цифрове перетворення

Оцінимо розрядність  АЦП, вживаного в цифрових відеокамерах. Стандартний відеосигнал на виході відеокамери, відповідно до рекомендації CCIR - 601, має бути восьмирозрядним. В той же час, до сучасних відеокамер пред'являється вимога передачі динамічного діапазону по освітленості, як мінімум в шість разів що перевищує номінальну. З урахуванням цього динамічний діапазон АЦП має бути як мінімум на 2,5 розряду (log 6/1) більше.

З урахуванням  нелінійності гамма-характеристики, що вимагає додаткового чотирикратного посилення в чорному, знадобиться додатково ще 2 розряди(log 4/1). Таким чином, загальна розрядність АЦП повинна була б составлять13 розрядів (8 +2,5+ 2). Створення такого АЦП, працюючого на частоті перетворення відеосигналу, є нині досить складним завданням. Тому розробники відеокамер йдуть шляхом стискування динамічного діапазону за рахунок регулювання режимів ПЗС, використовуючи метод регулювання перегину світлової характеристики (knee correction), і забезпечення запасу по посиленню в попередньому відеопідсилювачі (рис. 1.13). Цими методами вдається звузити динамічний діапазон сигналу і обмежитися 10...12-розрядним АЦП.

Рисунок 2.13 - Стискування світлового діапазону

 

Враховуючи, що у більшості відеокамер використовується три ПЗС - по одному на кожного з  основних кольорів - загальне число  АЦП у відеокамері рівне трьом.

 

2.6.4 Цифровий процесор сигналів (ЦПС)

Призначення і роботу ЦПС розглянемо на прикладі ЦПС першої повністю цифрової відеокамери  фірми SONY. Завданням цифрової обробки  є така обробка сигналів трьох  основних кольорів, що поступають з  АЦП, при якій забезпечуються висока роздільна здатність, широкий динамічний діапазон, вірність перенесення кольорів і висока надійність роботи відеокамери.