Телевизионные камеры для систем видеонаблюдения: технические характеристики и методики выбора

Телевизионные камеры являются ключевым элементом систем видеонаблюдения, от их безотказной работы и характеристик зависит в итоге конечный результат, отображаемый на мониторе. Вот почему правильный выбор видеокамер играет такую большую роль.

Первоначально в ТВ-камерах использовали в качестве преобразователя свет-сигнал (датчика изображения) видиконы. Камеры при этом имели большие габариты и высокую инерционность, плохую чувствительность, большую потребляемую мощность и короткий срок службы. Видикон - электронно-лучевой прибор, в котором фоточувствительная мишень служит для построчного считывания изображения.

Благодаря развитию полупроводниковой технологии были созданы фотоустройства с зарядовой связью (ФПЗС), которые позволили разработать полностью твердотельные матричные преобразователи свет-сигнал.

Все современные телевизионные камеры строятся на основе ПЗС- матриц. Свет, падающий на матрицу, вызывает накопление в каждой ячейке матрицы электрического заряда, пропорционального освещенности этой ячейки. Этот электрический заряд периодически последовательно считывается со всех ячеек матрицы и преобразуется в видеосигнал, который и выводится на монитор. Поверхность ПЗС- матрицы состоит из множества светочувствительных ячеек - пикселей (их обычно от 270 000 до 440 000). Чем больше пикселей, тем качественнее и четче изображение. Большинство телекамер в настоящее время производится на основе матриц фирм "Sony", "Samsung" и "Sharp".

Формат матрицы

Размер матрицы описывается параметром, называемым формат. Формат - это размер диагонали матрицы, приблизительно равный диаметру мишени соответствующего видикона. Он измеряется в дюймах и принимает значения: 1, 2/3, 1/2, 1/3, 1/4. Матрицы большого формата 1, 2/3 практически перестали выпускаться, так как камеры на их основе получаются очень громоздкими и дорогими. Последние модели ПЗС-матриц фирмы "Sony" имеют формат 1/4. На основе таких матриц некоторые фирмы выпускают сверхминиатюрные камеры.

Совершенствование технологий позволяет производить уменьшение формата без ухудшения качества передаваемого изображения. Каждая новая матрица при меньшем формате имеет разрешение не хуже, чем предшественница.

Размер матрицы важен при определении необходимого угла обзора камеры. С одинаковыми объективами камера на основе матрицы 1/2 имеет больший угол зрения, чем камера с матрицей І/3.

Разрешение

Важный параметр ТВ-камеры - разрешение. Этот параметр определяет возможности камеры по воспроизведению мелких деталей изображения: чем выше разрешение, тем больше детальность, информативность картинки. Разрешение измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ) и зависит не только от числа пикселей в матрице, но и от параметров электронной схемы камеры. В большинстве случаев разрешение 380-400 ТВЛ вполне достаточно для наблюдения.

Существуют камеры, имеющие более высокое разрешение - 560-570 ТВЛ. Такие камеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера машин, лица людей и т.д.). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем разрешение черно-белых: 300-350 ТВЛ. Существуют цветные камеры более высокого разрешения - 460 ТВЛ. В настоящее время на рынке систем видеонаблюдения появились цифровые (DSP - цифровая обработка изображения) цветные камеры высокого разрешения (460-480 ТВЛ).

Для того чтобы определить разрешение, обычно пользуются специальной телевизионной тест-таблицей. На ней изображены группы линий, расстояние между которыми соответствует определенному разрешению, при этом разрешение камеры определяется по тому участку таблицы, где линии в группе перестают быть различимы раздельно.

Разрешение (разрешающая способность) определяется как количество переходов (в видимой части растра) от черного к белому и обратно, которое может быть передано камерой. Поэтому единица измерения разрешения называется телевизионной линией (ТВЛ). Разрешение по вертикали у всех камер стандарта CCIR (кроме камер совсем уж плохого качества) одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки. Основное различие камер состоит в разрешении по горизонтали, и именно оно обычно указывается в технических описаниях. К сожалению, существующее определение разрешающей способности не совсем приспособлено для современных CCD-камер.

На разрешение камеры влияют два фактора: количество элементов матрицы по горизонтали и полоса частот видеосигнала, формируемого камерой.

Дискретная точечная структура матрицы приводит к эффекту "биения" при наблюдении полосатой картинки. Например, если у матрицы 520 элементов по горизонтали, то, направив ее на тест-таблицу, содержащую 260 черных и 260 белых линий, мы увидим четкую картинку из 520 линий. Если же сместить изображение на половину ячейки матрицы, то на каждую ячейку попадет половинка черной и половинка белой линии. Эта камера может, в принципе, передать 520 линий (однако очень неустойчиво).

Принято считать, что надежно в таком случае передается количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. То есть камера с 520 элементами имеет разрешение 390 ТВЛ. В настоящее время такой подход практически закрепился в стандартах, однако иногда недобросовестные производители в рекламных целях указывают завышенное значение разрешения своих камер.

Для передачи сигнала 390 ТВЛ необходима полоса частот 3,75МГц (195 периодов на 52 мкс активной части строки телевизионной развертки). В настоящее время создание полупроводниковых усилителей не представляет проблемы, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую. Так что разрешение ограничивается именно дискретностью структуры ПЗС-матрицы.

Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют терминами "resolution enhancement" или "edge enhancement". Однако надо отдавать себе отчет в том, что применение высококачественного усилителя не улучшает разрешение, этим улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.

Однако есть случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на поднесущей (в стандарте PAL на частоте около 4,43 МГц), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц. (Строго говоря, стандарт предполагает применение гребенчатых фильтров для разделения сигналов цветности и яркости, однако в реальности оборудование имеет простые фильтры нижних частот). Это соответствует разрешению около 400 ТВЛ.

В настоящее время некоторые производители декларируют разрешающую способность своих цветных камер 480 и более ТВЛ и, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется лишь в том случае, если сигнал снимается с Y-C (S-Video) или компонентного (RGB) выхода. В этом случае сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными коаксиальными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (коммутаторы, мультиплексоры, видеомагнитофоны и т.д.) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.

Обратите внимание, что параметр "разрешение" имеет отношение не только к ПЗС-матрице в камере, но и ко всем цифровым приборам, таким как мультиплексоры, квадраторы, цифровые синхронизаторы и т.д. Они также ограничивают общее разрешение системы теленаблюдения.

Важно знать, что разрешение системы в целом определяется тем компонентом, который имеет самое низкое разрешение, то есть, если камера имеет разрешение 430 линий, а монитор - 200, то изображение на экране будет воспроизведено с разрешением лишь в 200 линий. Разрешение может меняться при различных условиях освещенности. При низкой освещенности оно обычно снижается.Подготовил Дмитрий ЛУГОВОЙ
Продолжение следует