Объектив принципы работы

Методическое пособие по системам охранного телевидения

Н.В. Будзинский, А.Г. Зайцев, А.С. Гонта, А.А. Михайлов

Объектив в CCTV – оптическая система, формирующая изображение на фоточувствительном элементе видеокамеры.

Рис. 1Схема объектива
Объектив состоит из группы передних линз, диафрагмы и группы задних линз. Разрез одного из объективов приведен на рис. 1.
Объективы бывают сферические и асферические. Каждый из этих объективов может иметь просветленную или обыкновенную оптику.
Сферические объективы получили большее распространение в связи с тем, что они изготавливаются из сферических линз, которые дешевы в изготовлении и технологичны.
Однако им присущи недостатки – так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения (разрешающую способность) и ограничивают максимально возможное отверстие диафрагмы (F-число таких объективов обычно имеет величину F1.2 – F1.4).
Асферический объектив внешне отличается от сферических объективов видом передней линзы. У таких объективов аберрационные искажения имеют незначительную величину, что позволяет им иметь F-число F0.75 – F0.8. Такое маленькое значение F-числа позволяет в среднем в три раза увеличить световой поток, проходящий на видеокамеру.
Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда недостаток освещенности зоны наблюдения не может быть восполнен никаким другим способом.
Сферические и асферические объективы могут иметь просветленную оптику. Она уменьшает светорассеяние на пути прохождения светового потока до ПЗС-матрицы. Для уменьшения светорассеяния в объективе на линзы, имеющие контакт с воздухом, наносят специальное покрытие, и такие объективы носят название «просветленный объектив».

Она предназначена для регулирования количества света, попадающего на ПЗС-матрицу видеокамеры. Диафрагма состоит из лепестков, количество которых может быть от 3 до 20. Чем больше лепестков в диафрагме, тем больше отверстие диафрагмы приближается к окружности, создавая тем самым равномерно освещенное световое пятно на ПЗС-матрице. Шкала диафрагмы стандартизована и образует следующий ряд относительных отверстий:

1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16; 1:22; 1:32; 1:45; 1:64.
Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий, приведен на рис. 2. Знаменатели относительных отверстий (2; 2,8; 4; 5,6) называются диафрагменными числами

Рис. 2 Внешний вид ирисовой диафрагмы, с различными значениями относительных отверстий

Значение диафрагмы влияет на такие параметры, как:

– аберрация – чем меньше отверстие диафрагмы, тем ниже уровень аберраций и выше разрешение, но только до определенного предела (обычно 1:8 – 1:11), далее разрешение опять падает из-за влияния дифракции;

– глубина резкости – чем меньше отверстие, тем больше глубина резкости.

К сожалению, значение диафрагм на объективах, используемых в CCTV, определить невозможно в связи с тем, что на корпусе объектива отсутствует шкала диафрагменных чисел.

По управлению диафрагмой объективы CCTV можно разделить на группы в соответствии с рис. 3.

Рис. 3 Группы объективов по управлению диафрагмой

Объективы без диафрагмы используются только с видеокамерами, имеющими автоматический электронный затвор (Shutter).

Объективы с диафрагмой подразделяются в свою очередь на объективы с ручной диафрагмой и объективы с автоматической диафрагмой.

Объективы с ручной диафрагмой используются в местах с постоянной освещенностью (в помещениях с искусственным освещением). Такие объективы можно использовать и на улице, но с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.

Объективы с автоматической диафрагмой управляют световым потоком за счет сигналов, приходящих от видеокамеры. Такие объективы используются в условиях больших перепадов освещенности и внешне отличаются от остальных объективов наличием кабеля с разъемом, который подключен к видеокамере.

По сигналам управления, приходящим от видеокамеры, объективы с автоматической диафрагмой подразделяются на:

– управление диафрагмой в соответствии с изменяющимся видеосигналом (Video Drive);

– управление диафрагмой постоянным током (Direct Drive).

Управление диафрагмой по видеосигналу (Video Drive) означает, что анализ видеосигнала и управление мотором диафрагмы осуществляет специальное устройство, размещенное в объективе.

Управление диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) означает, что схема принятия решения о положении диафрагмы находится в видеокамере, а в объективе имеется только мотор как исполнительное устройство.

На корпусе объективов с управлением диафрагмой по видеосигналу присутствуют два регулирующих элемента. Обозначаются они как «Level» и «ALC».

Регулировка «Level» используется для настройки режима работы электронной схемы объектива по реальной освещенности. При вращении регулятора «Level» мы искусственно изменяем значение диафрагмы. На мониторе изменение положения регулятора «Level» воспринимается как изменение яркости изображения.

Регулятор «ALC» имеет две области регулирования. Это область средних значений (обозначается «А») и область пиковых значений (обозначается «Р»).

Регулятор «ALC» используется для устранения обратной засветки в высококонтрастных сюжетах.

Объективы с управлением диафрагмой по постоянному току (Direct Drive) не имеют на своем корпусе никаких регулировок. Настройка таких объективов осуществляется на видеокамере, которая должна иметь уже известные нам органы настройки «Level» и «ALC».

Принцип работы автоматической диафрагмы

Автоматическая диафрагма в объективах обеспечивает возможность видеокамере иметь на ПЗС-матрице постоянный уровень освещенности, независимо от ее изменения на объекте. Для решения такой задачи автоматическая диафрагма должна иметь в своем составе устройство управления диафрагмой и блок анализа уровня освещенности на ПЗС-матрице. В качестве элемента управления диафрагмой используется миниатюрный электромотор, а освещенность на ПЗС оценивается по видеосигналу, формируемому видеокамерой. Чтобы привязать уровень освещенности на объекте к допустимому уровню освещенности на ПЗС-матрице, на объективе есть регулировка «Level». Если эта регулировка выставлена неправильно, то изображение на мониторе может быть или очень темным, или настолько ярким, что некоторые места изображения будут пересвеченными. Поэтому правильным положением регулятора «Level» можно считать такое, при котором при вращении регулятора изображение из пересвеченного становится нормальным. После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой (подробно см. в разделе «Настройка и регулировка объектива»).

Рис. 4 Принцип работы автоматической диафрагмы

Рассмотрим, как работает автодиафрагма. Установим перед видеокамерой тест-таблицу (рис. 4а), состоящую из полос разной яркости. К видеокамере подключим монитор, и наша тест-таблица будет отображаться на экране в виде шести градаций яркости (рис. 4b). Ко второму выходу монитора подключим осциллограф и настроим его на отображение одной строки. На экране осциллографа изображение тест-таблицы будет выводиться в виде шести равномерно расположенных ступенек (рис. 4с). Нижняя ступенька соответствует черной полосе на тест-таблице, а самая верхняя – белой полосе. Ступеньки, находящиеся между ними, передают промежуточные градации яркости. Для наглядности справа от осциллограммы изображена вертикальная полоска с яркостями соответствующих ступенек.

А теперь представим себе, что по каким-то причинам уровень яркости белой полосы на нашей тест-таблице значительно возрос. Такое увеличение яркости на входе видеокамеры будет присутствовать и в ее выходном сигнале (рис. 5а) в виде существенно увеличенной амплитуды белой полосы относительно «уровня белого». Поэтому автодиафрагма сразу же начнет уменьшать отверстие диафрагмы, тем самым, уменьшая и амплитуду выходного сигнала до такого значения, когда амплитуда белой полосы вернется к «уровню белого» видеосигнала (рис. 5b).

Рис. 5 Яркостные уровни белой и черной полосы

Но с уменьшением амплитуды белой полосы пропорционально уменьшаются уровни и всех остальных градаций яркости. В результате вместо шести градаций с равномерным изменением яркости на экране мы получаем три градации, причем большая часть экрана становится черной (рис. 5с). Такой случай характерен при работе камеры в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения, находящийся на переднем плане, представляет темное пятно, а фон – это ярко освещенный задний план.

Частично исправить такую ситуацию может регулятор «ALC». Вращая его, мы заставляем автоматическую диафрагму объектива «не обращать внимания» на яркий участок в кадре и даже допустить пересвечивание экрана в этом месте. Зато, манипулируя регуляторами «Level» и «ALC», нам удастся сохранить большую часть исходных градаций яркости

Когда освещенность на объекте изменяется одинаково для всех градаций яркости, то автоматическая диафрагма отрабатывает их, и мы на мониторе не замечаем никаких изменений.

Однако стоит отметить, что отверстие диафрагмы начинает изменять свое значение в зависимости от того, как настроен регулятор ALC. Если регулятор установлен в положение «А», то диафрагма начнет изменять свое значение только в том случаи, когда освещенность изменится на большей части кадра (обычно половина кадра).

Если регулятор ALС установлен в положении «Р», то диафрагма отслеживает изменение освещенности вплоть до пиксела.

Разрешающая способность

Разрешающая способность объектива – это основной параметр, характеризующий способность оптической системы давать раздельные изображения очень мелких, близко расположенных деталей изображаемых предметов. Разрешающая способность количественно равна максимальному числу штрихов (линий), приходящихся на 1 мм оптического изображения и видимого в этом изображении раздельно. Разрешающая способность объектива измеряется в линиях на 1 мм (lpm) или в паре линий на 1 мм (lp/mm), она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Падение разрешения на краях изображения вызывается наличием у объектива аберраций, значение которых на краях всегда больше, чем в центре. Аберрация (сферическая и хроматическая) – это недостаток объектива, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие через объектив, не собираются в одну точку (фокус), а создают крупный расплывшийся (нерезкий) кружок (рис. 6).

Рис. 6 Влияние аберраций на разрешающую способность

Причина, вызывающая такой эффект, заключается в том, что лучи света с разной длиной волны (разный цвет) преломляются в линзах объектива под разными углами. В результате, вместо того чтобы собраться в единственной точке (фокус), каждый из них проходит через свою точку фокуса, тем самым, создавая на ПЗС нерезкий, расплывчатый кружок. Но даже если убрать все виды аберрации, разрешающая способность все равно не сможет достичь своего максимального значения. Причиной этого будет дифракция. Дифракция в объективе происходит при малых отверстиях диафрагмы, начиная с относительного отверстия 1:8, 1:11. В этом случае лучи света проходят близко к ребрам диафрагмы, огибают их, создавая дифракционные кольца или полосы. Это вызывает уменьшение контрастности и разрешающей способности изображения. Дифракция на самом деле зависит не только от диаметра отверстия диафрагмы, но и от других факторов, на которых мы не будем заострять наше внимание.

Объектив, являясь первым элементом в системе охранного телевидения, будет определять разрешающую способность всего видеотракта. Поэтому, выбирая видеокамеру, целесообразно определить, какое разрешение должен иметь объектив и имеется ли возможность его приобретения.

Требуемое разрешение объектива можно ориентировочно определить по следующей формуле:

Q = N / (1,5 * L),

где: Q – разрешающая способность объектива (lp/mm),

N – разрешающая способность видеокамеры (твл),

L – ширина ПЗС-матрицы (мм).

На основании этой формулы построен график (рис. 7), который поможет определить минимально допустимое разрешение объектива для любого формата ПЗС-матрицы видеокамеры с известным разрешением в твл.

Рис. 7 График, определяющий допустимое разрешение объектива для любого формата ПЗС-матрицы видеокамеры с известным разрешением в твл

Контраст и функция передачи модуляции

Контраст (от французского contraste – противоположность) – отношение разности яркостей объекта и фона, нормированного к максимальному значению. Величина контраста изменяется в диапазоне от ноля до единицы.

Почему контраст является основным критерием при тестировании видеооборудования и объективов? Прежде всего, потому, что изображение на мониторе должно соответствовать оригиналу, то есть объекту наблюдения. Это значит, что все полутона объекта от белого цвета до черного должны передаваться на устройства отображения без искажений. Но в реальной действительности этого не происходит.

Каждый элемент в видеотракте искажает полутона, что приводит к снижению контраста. Степень вносимых искажений в полутона в большой степени зависит от пространственных размеров элементов изображения. Чем меньше пространственные размеры, тем сильней проявляются искажения полутонов. В конечном итоге контраст снижается до такой степени, что различить два рядом расположенных цвета становится невозможно. Отсюда следует, что чем больше оборудование сохраняет исходный контраст объекта, тем большим количеством полутонов «прорисовывается» изображение на мониторе.

При тестировании объектива на предмет того, как он ухудшает контраст, определяют коэффициент передачи модуляции. Для этой цели используют специальную миру (рис. 8), состоящую из чередующихся белых и черных полос. Количество линий на 1 мм может быть разным. Миры могут быть в виде тестовых таблиц на бумажных носителях или в виде светового изображения, создаваемого специальными приборами.

Рис. 8 Определение коэффициента передачи модуляции

Традиционно миры для испытания объективов имеют 10, 20 и 40 lp/mm при модуляции, равной единице. В объективах модуляцию оценивают в виде ее уменьшения от центра объектива к периферии.

Напомню, что в оптике одна линия состоит из двух линий (черной и белой) и обозначается lp/mm. Если приведено обозначение lpm, то в этом случае черная и белая линии считаются как две.

При тестировании миры могут размещаться перед испытуемым устройством по-разному (рис. 9). Если мира размещена вдоль радиуса-вектора (1), то такое расположение миры называется тангенциальным, или меридианным. Если мира размещена перпендикулярно (2), то расположение называется радиальным, или сагиттальным.

Рис. 9 Тестирование миры

На сегодняшний день наиболее информативно оценить и сравнить оптическое качество объективов можно при помощи MTF-характеристики (Modular Transfer Function). В России она называется функцией передачи модуляции (ФПМ). ФПМ для оценки изображения в нашей стране начала применяться более 40 лет назад. Этот термин часто используется и в настоящее время. Сам термин ФПМ был впервые принят в СССР и законодательно утвержден в ГОСТ 2653–80.

Пожалуй, лучше всего объяснить значение ФПМ на примере обыкновенного усилителя низкой частоты, предназначенного для усиления музыкальных произведений.

Любой усилитель низкой частоты имеет в качестве характеристики АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), которая на высоких частотах имеет естественных завал. Что это для меломанов значит? А значит следующее: если на вход усилителя пришла высокочастотная составляющая спектра, с каким то уровнем, то меломан хочет слышать эту частотную составляющую в таком же соотношении уровней к другим составляющим спектра, которые поданы на вход усилителя.

Но тракт усилителя этот уровень высокочастотной составляющей исказил в смысле того, что значительно уменьшил уровень сигнала на этой частоте.

Какой результат: меломан слушает не ту гармонию звуков, которая является первородной. Он слышит гармонию звуков с уровнями, которые создал усилитель в строгом соответствии со своей АЧХ.

В результате АЧХ это характеристика усилителя и она не имеет ни какого отношения, к тому, что происходит с сигналом до того момента, когда он попал на вход усилителя.

Функция передачи модуляции это то же самое, что и АЧХ. Она может быть для всего видеотракта или для любого элемента в нем.

Но, так же как и АЧХ ФПМ показывает, как ухудшает видеотракт исходный контраст сюжета, который попадает в поле зрения объектива (поскольку он первый элемент видеотракта).

На высоких разрешениях или когда элементы изображения в сюжете маленькие видеотракт в соответствии со своей ФПМ ухудшает их контраст. Точно также как и АЧХ.

То есть если в сюжете полоски на белой рубашке черные, то на мониторе они будут светло серые. А если рубашка не белая, то полосок на мониторе мы можем и не увидеть. (Если не видим полосок, то описывая объект мы даем не достоверную информацию об элементах его одежды.)

Отсюда следует очень неприятный для CCTV вывод: Поскольку объекты в сюжете перед видеокамерой имеют широкий диапазон полутонов или градаций яркости, то при завале ФПМ на высоких пространственных частотах мы на мониторах теряем очень много информации о деталях объектов и вообще о сюжете.

Примечание автора . К сожалению, до настоящего времени в CCTV модуляциею часто путают с контрастом. Поэтому в литературе по CCTV можно встретить самые разные варианты записи контраста: например, такие как 700 или 700:1. Другие авторы приводят контраст в виде 10%, утверждая, что это слабое различие между двумя градациями яркости. Можно встретить и запись в виде 0,01 и утверждение, что это очень высокий контраст. Во всем этом многообразии правильных и неправильных вариантов самым неприятным является то, что невозможно сравнить результаты разных авторов, которые рассматривают одно и то же устройство. Единственный путь исключения такой неоднозначности заключается в том, чтобы параметр «контраст» или «модуляция» были величиной не абсолютной, а относительной, нормируемой к максимальному уровню. В своих работах контраст и модуляцию мы определяем как:

Эти формулы контраста и модуляции приведены во всех классических изданиях по оптике и смежным с ней наукам.

В чем же отличие модуляции от контраста, а следовательно и ФПМ от ЧКХ? (ФПМ – функция передачи модуляции. ЧКХ – частотно-контрастная характеристика)

ФПМ и ЧКХ это абсолютно разные вещи с точки зрения физического смысла. ФПМ это модуляция, а это значит изменение параметра (контраста) относительно среднего значения. Для примера: стоит человек на фоне стены дома. Казалось бы, что нас интересует, как контрастирует человек на фоне стены, а ФПМ нам покажет, как контрастирует человек не на фоне стены, а на среднем значении яркостей между стеной и человеком. В системах видеонаблюдения нас интересует контраст объекта относительно фона. Поэтому в CCTV нужно использовать характеристику, показывающую зависимость контраста, а не модуляции. Такой характеристикой является ЧКХ.

Но между контрастом и модуляцией существует строгая взаимосвязь, которая позволяет находить один параметр через другой.

В дальнейшем, при изложении материала мы будем использовать ФПМ, как наиболее известный читателям параметр.

Смысл тестирования оптики при измерении ФПМ заключается в определении степени падения модуляции изображения, создаваемого объективом, в сравнении с оригиналом (тест таблицей). Если объектив очень хороший, то изображение мало чем отличается от оригинала и по четкости, и по контрасту, а значит, значение ФПМ такого объектива всегда будет близким к 1 (или к 100%, что одно и то же). При снижении модуляции изображение будет выглядеть более размытым, то есть потеряет резкость. На графиках ФПМ отображается зависимость уменьшение модуляции изображения на разном удалении от центра объектива при максимально открытой диафрагме. В оптике принято классифицировать объективы по их ФПМ следующим образом:

1) ФПМ укладывается в диапазон от 70% до 100% – хороший объектив;

2) ФПМ падает до 30% – удовлетворительный объектив;

3) ФПМ ниже 30% – плохой объектив.

Рассмотрим ФПМ (рис. 10) двух объективов . Первый объектив (кривая 1) имеет хорошее значение модуляции в центральной части объектива. Но к краям качество изображения (модуляция) довольно сильно падает.

Рис. 10 ФПМ двух объектов

Второй объектив (кривая 2) уступает первому в центре. Разница в модуляции составляет до 15%. Но зато изображение, формируемое этим объективом, одинаково по всей площади объектива. Кривая ФПМ в данном случае несколько неравномерна, однако неравномерность невелика.

Какой же объектив лучше? Однозначного ответа нет. Наверно, все зависит от поставленной этому объективу задачи, но одно ясно, что дальность обнаружения объекта для объектива с номером 2 на периферийной части кадра значительно выше, так как контраст объекта относительно фона больше.

Если основная задача камеры с этим объективом обеспечить наилучшие возможности оператору или цифровой системе видеонаблюдения по обнаружению объекта, то второй объектив предпочтительнее.

Такие графики сегодня рассчитываются для всех разрабатываемых объективов, но далеко не все производители считают нужным показать их потенциальному покупателю.

Рассмотрим ФПМ характеристики объектива, который фирма «Schneider» выставляет на своем сайте. Кому интересно более подробно ознакомиться, какая информация должна предоставляться пользователю, может зайти на сайт http://www.schneideroptics.com/photography/digital_photography/digitar/47/page5.php. Подборку ФПМ для фотографических объективов разных фирм можно найти на сайте http://www.riddle.ru/?page=articles/lens.

На рис. 11 представлена ФПМ характеристика объектива с диафрагмой 5,6 и пространственной частотой линий 10, 20 и 40 lp/mm. Какую информацию владелец такого объектива может вынести из этих графиков?

Рис. 11 ФПМ объектива

1. Модуляция изображения даже в центральной части объектива не доходит до 100%, а при увеличении пространственной частоты линий до 40 lp/mm опускается до 70%.

2. Модуляция изображения на периферийной части объектива значительно ухудшается, и в большей степени – при работе объектива с мелкими элементами объекта.

Чем ближе изображение к периферийной области объектива, тем искажения становятся все более значительными. А в случаях, когда речь идет о реальном изображении, контраст которого значительно меньше, чем на мире, то на периферии объектива они сольются в один тон, а это значит, что будет потеряна очень важная информация о деталях объекта.

К сожалению, все эти характеристики можно найти только для фотографических объективов. Для объективов, используемых в CCTV, найти такие характеристики, может быть, и можно, но мне не удалось. Я имею в виду характеристики объективов для CCTV от их производителей.

В фотографии у фотокамеры, кроме объектива и фотопленки, нет никаких элементов, снижающих качество изображения. И размерность разрешения в линиях на миллиметр, как объектива, так и фотопленки устраивает фотографов. В CCTV объектив не единственный элемент, который влияет на разрешающую способность всего видеотракта. Видеокамера, устройства обработки видеосигнала, монитор, да и радиочастотный кабель, так же как и объектив, имеют свою разрешающую способность. Но разрешающая способность видеооборудования в основном оценивается в телевизионных линиях (твл). Объектив в этом смысле выпадает из устоявшейся в телевидении размерности оценивать разрешающую способность оборудования в твл. Такое положение создает существенные трудности при проектировании видеотрактов. Поэтому мы в своей работе разрешение объектива определяем традиционно в телевизионных линиях. Придерживаясь такого подхода, графики ФПМ объективов, которые будем рассматривать ниже, построены как зависимость модуляции от количества телевизионных линий.

Для построения таких ФПМ используют миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос (рис. 12).

Рис. 12 Миры с переменной пространственной частотой следования белых и черных полос

На рис. 13 представлены ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм.

Рис. 13 ФПМ характеристики в центральной области объективов двух известных фирм

Исходя из классификации объективов, приведенных выше, ФПМ на уровне 30% является предельным значением, когда объектив целесообразно использовать. Для объективов, характеристики которых представлены на рис. 13, уровень 30% ФПМ соответствует предельному разрешению видеокамер 420–470 твл, то есть работа таких камер с этими объективами возможна.

Для камер с большим разрешением это плохие объективы, и использовать их нежелательно.

Но обратите внимание, что один объектив передает модуляцию на низких значениях твл чуть более 60%, в то время как у второго она близка к 100%. Поэтому объектив с ФПМ, близкой к 100%, значительно лучше будет прорисовывать изображение с максимальным количеством градаций яркости, полутонов.

Для того чтобы сравнить объективы, не прибегая к анализу их ФПМ, используют параметр «четкость» или реальная разрешающая способность. Четкость объектива соответствует количеству телевизионных линий на уровне ФПМ = 0,5 и записывается следующим образом:

ФПМ(0,5) = 180 твл – верхний график,

ФПМ(0,5) = 360 твл – нижний график.

Имея характеристику «четкость» объектива, не составит труда сравнить объективы и выбрать тот, характеристики которого лучше.

Чем выше значение «четкость», тем лучше объектив.

Снижение модуляции до уровней 0,07–0,1, соответствует предельной разрешающей способности объектива. Для верхнего графика предельное разрешение составляет 660 твл, а для нижнего – всего 480 твл. И, несмотря на то, что предельное разрешение у второго объектива меньше, чем у первого, для камер с разрешением 420–470 твл этот объектив значительно лучше. И его достоинство заключается только в том, что модуляция объектива близка к 1, в отличие от первого, где она чуть больше 0,6 и четкость на уровне ФПМ(0,5) = 360 твл. Этот момент очень важен, потому что высокая предельная разрешающая способность не всегда соответствует такому же высокому качеству формируемого изображения .

Теперь немного о том, как интерпретировать графики ФПМ.

1. Если значения ФПМ близки к 100%, то изображение будет исключительно резким и контрастным.

2. Качества объективов, имеющих ФПМ на уровне 70–80% и выше, вполне достаточно для профессионального уровня. Ну а объектив, чей график ФПМ опускается ниже 30%-ной отметки, лучше не приобретать.

3. Высокие значения ФПМ, полученные на участке миры с частым следованием полос (высокие значения твл), говорят о том, что даже при выводе изображения на мониторы с большей диагональю оно будет резким, с хорошей проработкой мелких деталей.

4. Близкие к 100% показатели ФПМ для миры с редким следованием полос (до 100 твл) свидетельствуют о высокой контрастности объектива, а следовательно, и получаемого с помощью его изображения.

5. Если при хороших показателях ФПМ с редким следованием полос график с частым следованием полос лежит в области низких значений твл, то исследуемый объектив при хорошем контрасте имеет проблемы с резкостью изображения, что будет особенно заметно при больших диагоналях мониторов.

6. Если высокие значения ФПМ объектив показывает не только в центре изображения, но и на периферии, то резкость такого объектива будет хороша на значительной площади кадра и при больших диагоналях мониторов.

7. Чем ближе друг от друга проходят графики ФПМ для сагиттальной и тангенциальной ориентаций миры, тем лучше у этого объектива исправлен астигматизм, а следовательно, более естественным и «мягким» будет размытие изображения в зоне нерезкости.

8. Ну и, наконец, сравнивая графики ФПМ объектива при максимальном относительном отверстии и задиафрагмированного до f/8 – f/11, можно сделать вывод о том, насколько уменьшение отверстия диафрагмы повышает разрешающую способность.

Падение контраста в объективе при его эксплуатации может быть и по причине боковой засветки передней линзы объектива.

Чтобы использовать возможности объектива на все 100 процентов, необходимо создать такие условия его работы, при которых он в состоянии реализовать свои лучшие характеристики. Для этого надо выбирать диапазон работы диафрагмы, где аберрация и дифракция проявляются не так явно. Следить за тем, чтобы лучи света, идущие с боков, не засвечивали поверхность передней линзы, а если видеокамера установлена в помещении с большим количеством осветительных приборов, применять козырек гермобокса или бленды. Ну и, конечно, использовать режим автоматического затвора с продуманной подсветкой сектора наблюдения в вечернее и ночное время.

В ходе изложения материала этого параграфа употреблялись термины: резкость, четкость и размытость. Для однозначного понимания того, что под этим подразумевается, приведу формулировки этих понятий.

Резкость – характеристика изображения, определяющая ширину переходной области, при яркостном перепаде от черного к белому. Чем эта область шире, тем резкость хуже. Резкость определяют по переходной характеристике или иногда ее называют пограничной кривой. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

Четкость:

Характеристика, используемая для сравнения оборудования по реальной разрешающей способности.

Размытость – характеристика изображения, определяющая яркостной переход как широкую расплывчатую зону с не оформленными границами. Подробно это будет рассмотрено в разделе «3.3. Переходная характеристика».

Фокусное расстояние

Объективы по фокусному расстоянию подразделяются на:

– объективы с постоянным фокусным расстоянием;

– объективы с фокусным расстоянием, изменяемым вручную, – «вариообъектив»;

– объективы с фокусным расстоянием, изменяемым дистанционно с помощью пульта управления, – «трансфокатор».

Фокусное расстояние в охранном телевидении является основным параметром, с помощью которого пользователь может выбирать необходимые участки сцены для вывода изображения на монитор. Фокусное расстояние имеет прямую связь с углом зрения объектива. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем уже угол его зрения, и наоборот, чем короче фокусное расстояние, тем больше угол зрения.

В практической деятельности объективы по углу зрения делят на следующие группы в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 Угол зрения объективов

Определить углы зрения камер и расстояния, на которых оператор может обнаружить, различить и идентифицировать человека, приведены в таблицах Приложения.

Обращаю внимание читателей на то, что расстояния, приведенные в этих таблицах, соответствуют контрасту объекта наблюдения относительно фона (7–8%). Чем выше контраст, тем с более дальних расстояний оператор способен обнаружить объект. При низком контрасте объект может быть непосредственно перед камерой, но в связи с тем, что он слился с фоном, обнаружить его очень трудно. Предельный контраст, при котором оператор уже не в состоянии отличить объект от фона, составляет величину около 2% . Контраст выше 15% для оператора не вызывает никаких проблем в обнаружении и идентификации объекта.

Понятия «обнаружить», «различить» и «идентифицировать» объект приведены в Р 78.36.008–99 и означают следующее:

обнаружить – выделение объекта контроля из фона либо раздельное восприятие двух объектов контроля, расположенных на расстоянии друг от друга, соизмеримом с их размерами;

различить – раздельное восприятие двух объектов контроля, расположенных рядом, либо выделение деталей объекта контроля;

идентифицировать – выделение и классификация существенных признаков объекта контроля либо установление соответствия изображения объекта контроля, хранящегося в базе данных.

Но в практической деятельности необходимо знать расстояния, на которых оператор или техническое устройство способно обнаружить, различить и идентифицировать объект.

Расстояние обнаружения – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор способен обнаружить появившийся объект среди других элементов изображения.

Расстояние различимости – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор может идентифицировать:

– элементы одежды объекта;

– комплекцию объекта;

– походку;

– наличие предметов в руках.

Расстояние идентификации – это такое расстояние от видеокамеры до объекта, при котором по изображению на мониторе оператор способен описать черты лица незнакомого человека, а распечатанная фотография позволит сотрудникам ОРД организовать его поиск.

F-число объектива

F-число объектива указано на корпусе любого объектива в виде F1.3. Этот параметр не что иное, как диафрагменное число. (Диафрагменные числа характеризуют величину отверстия диафрагмы.)

F-число – это значение диафрагменного числа, при котором диафрагма полностью открыта. Отметим, что чем больше диафрагменное число, тем меньше света попадает на ПЗС-матрицу. Часто объективы с низким F-числом называют светосильными объективами или быстрыми объективами (faster lens). Это связано с тем, что на заре фотографии сократить время экспозиции пленки пытались путем увеличения количества света (низкое F-число), проходящего через объектив.

Шкала диафрагменных чисел разработана таким образом, чтобы освещенность при переходе к соседним значениям изменялась в два раза. Эту разницу между соседними делениями шкалы диафрагмы называют ступенями или F-stop.

Какой же объектив лучше выбрать: с F1.3 или F1.4, – если остальные параметры одинаковы? Однозначного ответа, наверно, не существует.

Поскольку разница между объективами при таком сравнении проявляется при слабой освещенности, то посмотрим на поведение объективов в этих условиях.

1. Аберрация у F1.4 меньше; значит, при слабой освещенности разрешение будет больше.

2. Если освещенность совсем низкая, то и F1.3 не поможет – нужна искусственная подсветка.

3. При плохой освещенности контраст интересующих службу безопасности объектов относительно темного фона будет очень маленький, следовательно, нужен объектив с лучшим разрешением, а это F1.4.

Исходя из вышеизложенного, я бы выбрал объектив с F1.4.

Значение, обратное F-числу, называется относительным отверстием.

Относительное отверстие

Относительное отверстие это отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию.

Иногда вместо F-числа на объективах указывается величина относительного отверстия, которое записывается как 1: 1.3.

Относительное отверстие объектива уменьшают ирисовой диафрагмой, позволяющей плавно менять её величину. На оправу объективов (в основном, фотографических) нанесена шкала из знаменателей относительных отверстий (диафрагменные числа), соответствующих различному значению отверстия диафрагмы. Перевод ирисовой диафрагмы на одно деление изменяет относительное отверстие в 1,4 раза, что дает увеличение или уменьшение освещенности оптического изображения в два раза, за исключением первых двух чисел ирисовой диафрагмы, у которых такого изменения может и не быть .

По величине относительного отверстия объективы делятся на:

сверхсветосильные от 1: 0,7 до 1: 2;

светосильные от 1: 2,8 до 1: 4,5;

малосветосильные от 1: 5,6 до 1: 16.

Крепление объектива

Вид крепления объектива (Lens Mount) – «C» или «CS» – определяет конструктивную совместимость видеокамеры и объектива.

Дело в том, что существует два варианта исполнения видеокамер, которые отличаются расстоянием от места расположения ПЗС-матрицы до задней линзы объектива. Варианты «C» и «CS» отличаются по этому расстоянию на 5 мм. В соответствии с этим выпускаются и объективы с «C» и «CS» креплением. Чтобы изображение было четко сфокусировано на ПЗС-матрице, необходимо, чтобы с видеокамерой «C» эксплуатировался объектив «C», а с видеокамерой «CS» – объектив «CS». Возможен единственный вариант смешанного соединения, который приведен на рис. 14, когда с видеокамерой «CS» может использоваться объектив «C», но при условии, что между объективом и видеокамерой установлено специальное переходное кольцо С/CS (C/CS adapter) рис. 15.

Рис. 14 Вариант смешанного соединения (видеокамера «CS» используется с объективом «C»)

При установке объектива с «CS»-креплением на видеокамеру, рассчитанную на «C»-крепление, изображение оказывается сфокусированным перед плоскостью ПЗС-матрицы, а на самой ПЗС-матрице изображение будет расфокусировано (рис. 14), что, естественно, недопустимо, и исправить такую ситуацию невозможно.

При использовании объектива с «C»-креплением и видеокамеры с «CS»-креплением изображение оказывается сфокусированным за плоскостью ПЗС-матрицы, что также недопустимо. Однако при установке C/CS-кольца (рис. 15) между объективом и видеокамерой изображение оказывается сфокусированным как раз в плоскости ПЗС-матрицы.

Рис. 15 C/CS-кольцо между объективом и видеокамерой

Некоторые видеокамеры имеют встроенное резьбовое кольцо с большим ходом, что позволяет отказаться от использования CS-кольца и гарантирует хорошую фокусировку при настройке обратного фокуса.

Настройки и регулировки объектива

Настройки объектива можно разделить на две группы: первая относится к настройкам, обеспечивающим нормальную работу объектива в заданных условиях освещенности, а другая группа настроек определяет степень деталировки и глубину резкости передаваемого изображения.

К настройкам объектива первой группы можно отнести:

1) настройку обратного фокуса,

2) настройку «ALC» и «Level».

К настройкам объектива второй группы относятся:

1) выбор глубины резко изображаемого пространства,

2) выбор расстояния наводки на резкость.

Настройка обратного фокуса

Настройку обратного фокуса необходимо проводить в любом случае, производится ли замена объектива на видеокамере или устанавливается новый объектив. Причем алгоритмы настроек у объективов с постоянным фокусным расстоянием и объективов с переменным фокусным расстоянием (трансфокаторов) значительно отличаются.

На практике неправильная установка объектива выражается в том, что в дневное время суток изображение от камер не вызывает нареканий, а с наступлением темноты изображение может стать нерезким или пропасть совсем. Этот эффект называется неправильной установкой «обратного фокуса» и возникает в связи с тем, что глубина резкости объектива, которую мы обычно воспринимаем при рассматривании объекта перед камерой, распространяется и на область за объективом, в которой ПЗС-кристалл выпадает из области резкого изображения . Настройка этого параметра определяет положение задней линзы объектива относительно ПЗС-матрицы камеры.

Для настройки «обратного фокуса» объективов с постоянным фокусным расстоянием необходимо проделать следующее.

4. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере.

5. Используя график рис. 16, определить расстояние от камеры до объекта фокусировки. Например, если у нас объектив 4 мм, то это расстояние равно 12 м.

Рис. 16 График, для настройки «обратного фокуса».

6. На удалении 12 м от видеокамеры найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.

7. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта.

8. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.

Для трансфокаторов настройка обратного фокуса значительно сложнее. Вся сложность регулировки таких объективов заключается в том, что необходимо добиться резкого изображения во всем диапазоне изменения фокусного расстояния.

Для настройки «обратного фокуса» трансфокаторов необходимо проделать следующее.

1. Установить объектив в посадочное место видеокамеры.

2. Полностью открыть диафрагму объектива (установить нейтральный светофильтр нужной плотности).

3. Установить движок расстояний на объективе в положение «бесконечность».

4. Установить максимальное значение фокусного расстояния (допустим, 50 мм).

5. Ослабить фиксатор, удерживающий посадочное место объектива в видеокамере.

6. Используя график рис. 16, определить расстояние фокусировки объектива (170 м).

7. На удалении фокусировки объектива (170 м) найти объект, по которому будет производиться наводка на резкость.

8. Вращая объектив с посадочным местом, добиться резкого изображения найденного объекта.

9. Установить минимальное значение фокусного расстояния (5 мм).

10. Используя график рис. 16, определить расстояние фокусировки объектива (17 м).

11. На удалении фокусировки объектива (17 м) найти объект, по которому будет производиться оценка резкости объекта.

12. Если резкость объекта вас устраивает, то настройка закончена, если нет, то читайте дальше.

13. Установите снова максимальное значение фокусного расстояния.

14. Вернитесь к пункту 8. Поскольку положение объектива, когда объект резкий, это целый сектор, а не одно положение, то выберите положение «резко» рядом с предыдущим значением.

16. Зафиксировать посадочное место объектива. Настройка закончена.

Отдельно остановлюсь на способах настройки для объективов, которые работают с камерами, имеющими режим автоматического электронного затвора.

– У объективов с ручной диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор и полностью открыть диафрагму.

– У объективов с автоматической диафрагмой на видеокамере нужно включить автоматический электронный затвор, а диафрагму открыть подачей напряжения на соответствующие контакты автоириса.

Никакие нейтральные светофильтры в этих случаях не нужны.

Настройка ALC

Регуляторы «ALC» и «Level» предназначены для получения нормального изображения в высококонтрастных сюжетах, когда объект наблюдения находится на переднем плане, а задний план сильно освещен. Объект наблюдения в этом случае будет представлять собой темный силуэт (рис. 17).

Рис. 17 Высококонтрастные сюжеты при использовании регуляторов «ALC» и «Level»

Попробуем «объяснить» объективу, что в кадре рис. 17 является важной информацией (человек), а что второстепенной. Для этого выполним последовательность следующих действий.

1. Установим регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.

2. Регулятором «Level» увеличим яркость объекта на переднем плане.

3. Регулятор «ALC» будем вращать в направлении положения «А» (средних значений) до момента, когда яркость пересвеченного заднего плана уменьшится.

4. Повторяем пункты 2–3 до тех пор, пока изображение на переднем плане не будет передавать максимальное количество градаций яркости.

Существует еще одна ситуация, в которой регулировки «ALC» и «Level» могут нам помочь. Это защита объектива от мощных точечных источников света (фары автомобилей). Вот некоторые рекомендации по такой настройке, приведенные в .

1. Установите регулятор «ALC» в положение «P» (пиковые значения). При этом задний план изображения на экране должен стать пересвеченным, а объект на переднем плане еще темнее.

2. Введите в поле зрения ТВ-камеры светящийся объект (лампочку, фонарик, светодиод и пр.) и, перемещая его вдоль оси поля зрения камеры, добейтесь размеров объекта на мониторе (3–5)% от высоты растра (абсолютно не важно, если объект при этом окажется не в фокусе). Медленно поворачивая потенциометр «ALC» в направлении «A», остановитесь на моменте начала ограничения по «белому» видеосигнала от светящегося объекта. При такой регулировке преднамеренное направление света от точечного источника в ТВ-камеру не приведет ее к ослеплению, а на объектах больших по размерам будут просматриваться детали, что весьма важно в процессах обнаружения и различимости.

3. Уберите светящийся объект из поля зрения камеры и при выбранном положении потенциометра «ALC» окончательно выставьте уровень видеосигнала 1 вольт; не забудьте при этом, что выход видеосигнала ТВ-камеры должен иметь нагрузку 75 ом.

Примечание автора . К сожалению, некоторые недобросовестные поставщики предлагают объективы, у которых регулировки «Level» и «ALC» не работают при нормально функционирующей автоматической диафрагме, отрегулированной в заводских условиях.

Настройка «Level»

Настройка регулятора «Level» в основном не требуется, так как заводская установка, как правило, удовлетворяет пользователей. Но, несмотря на это, в практической деятельности иногда приходится проводить такую регулировку. Порядок настройки следующий.

1. Вращая регулятор «Level», проверьте, что яркость картинки на мониторе изменяется.

2. Установите регулятор в такое положение, при котором картинка станет пересвеченной.

3. Вращая регулятор в направлении уменьшения яркости экрана, найдите такое положение, при котором картинка из пересвеченной станет нормальной.

4. Относительно этого положения поверните регулятор в том же направлении на 1/4–1/5 оборота.

После такой настройки, какой бы ни была освещенность на объекте, диафрагма займет положение, при котором освещенность на ПЗС-матрице будет максимально допустимой.

Глубина резкости

Термин «глубина резкости» хорошо известен всем, кто хоть раз сталкивался с фотографией или посещал выставки профессиональных фотографов. Умело, используя глубину резкости, фотографы создают высокохудожественные снимки, выделяя главный сюжет и сглаживая все, что находится на втором плане. Такие возможности открылись перед фотографами с появлением на корпусе объектива шкалы с нанесенными на ней расстояниями глубины резкости. Для создания такой шкалы была создана методика расчета, использующая в качестве переменных расстояние наводки на резкость, диафрагменное число, фокусное расстояние объектива, а так же диаметр допустимого кружка рассеяния. Из перечисленных параметров только диаметр допустимого кружка рассеяния для нас является новым, но о нем немного позже.

В отличие от фотографических объективов, объективы, используемые в системах видеонаблюдения, не имеют шкалы глубины резкости. Объясняется это тем, что для объективов, имеющих автоматическую диафрагму, не существует постоянного значения глубины резкости. В таких объективах она меняется в зависимости от значения диафрагмы, которая определяется реальной освещенностью на объекте. Для объективов с ручной диафрагмой отсутствие шкалы глубины резкости можно объяснить, скорее всего, невостребованностью этого параметра потребителями систем охранного телевидения.

Глубиной резкости называется свойство объектива изображать в одной плоскости и практически с одинаковой резкостью предметы, удаленные от объектива на различные расстояния.

Рассмотрим, что такое глубина резкости при формирования изображения на ПЗС матрице видеокамеры. Назовем пространство перед объективом – «Предметное пространство», а пространство между объективом и видеокамерой – «Пространство изображений». Пусть у нас имеется три точечных источника изображения «B», «C» и «D» (рис. 18), находящихся на разном удалении от видеокамеры.

Рис. 18 Определение глубины резкости

Наведем резкость объектива на точку «В». Объектив сфокусирует ее в точке «В’» на ПЗС матрице. Монитор, подключенный к видеокамере, сформирует резкое изображение точечного источника. Точки «С» и «D», лежащие в других плоскостях так же сфокусируются в точках «С’» и «D’», а на ПЗС матрице создадут не точки, а кружки диаметром . Монитор тоже отобразит их на экране. В зависимости от того, на сколько точки «D» и «C» отстоят от точки наводки на резкость «B», кружки будут иметь разный диаметр. Из этих построений следует, что оптическая система, формируя изображение, не имеет ни какой глубины резкости. Резкими будут только те точки, которые лежат в плоскости наводки на резкость. Это подтверждает и основное уравнение линзы.

Но из практики мы хорошо знаем, что глубина резкости существует и более того ею можно управлять, выбирая нужный диапазон в зависимости от поставленных задач. Так чем же определяется глубина резкости и от чего она зависит? На самом деле глубина резкости это следствие ограниченных возможностей человеческого зрения. Если напечатать на листе бумаги кружки с разным диаметром но меньше 0,1мм и рассматривать их невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения (25см), то нам будет казаться, что все они одного размера. Другими словами человеческий глаз не в состоянии различить ни размеры кружка, ни тем более их содержание, если диаметр кружка равен или меньше 0,1мм.

Допустим, что отображаемый на мониторе кружок (рис.2.18), который передает изображение точек «C» или «D», имеет на мониторе такой размер, что глаз не в состоянии отличить его от точки «B». Тогда точки D’ и B’ сфокусированные рядом с ПЗС матрицей, на мониторе будут тоже резкими, потому, что мы видим их не как кружек, а как точку. Следовательно, и в предметном пространстве точки D, B и все предметы между ними будут резкими, а расстояние между плоскостями D и C будет называется глубиной резкости. Параметр «» в профессиональной терминологии называется кружком рассеяния. Наша задача состоит в том, чтобы связать размер кружка рассеяния с характеристиками человеческого зрения в зависимости от диагоналей мониторов и расстояний, с которых оператор анализирует изображение. В дальнейшем размер этого кружка будет использоваться для расчета глубины резкости и гиперфокального расстояния, а сам кружек будет называться допустимым кружком рассеяния.

Используя фотографическую методологию в обосновании диаметров допустимых кружков рассеяния, выберем размеры допустимых кружков рассеяния и для систем охранного телевидения.

Рис. 19 Определение минимального угла зрения

Из чего исходили классики в фотографии? Прежде всего, они выбрали критерий и, руководствуясь им, проводили все расчеты. Критерий самый банальный - это разрешающая способность человеческого глаза или свойство человеческого зрения видеть мелкие предметы на изображении. И действительно, человеческое зрение имеет конечные возможности, которые определяются минимальным углом α (рис. 19), под которым глаз способен различать мелкие детали на изображении. В зависимости от удаления предмета рассматривания, линейные размеры нечувствительности глаза увеличиваются. Для средне статистического человека глаз в состоянии различать мелкие детали с углом зрения не менее 0,017 градусов, что соответствует диаметру кружка рассеяния 0,074 мм на расстоянии рассматривания 25см. В то же время на расстоянии в один метр диаметр кружка будет уже 0,3 мм. Зная предельный угол зрения глаза и, задавшись расстоянием просмотра можно построить таблицу минимальных кружков рассеяния.

В фотографии размеры кружков рассеяния были определены как раз таким способом (Таблица 3).

Таблица 3 Размеры кружков рассеяния

Однако предельный угол зрения человек не всегда способен или хочет реализовать, тем более что у каждого человека зрение абсолютно индивидуально. Наверно поэтому, а может быть и из многолетнего опыта работы, размеры кружков рассеяния в фотографии приняли в 1,33 раза больше чем теоретически обоснованные. Такой размер кружков соответствует углу зрения глаза 0,023 градуса. В таблице 3 это столбец «Практический».

Нетрудно заметить, что самый маленький кружок рассеяния относится к негативу при минимальном расстоянии просмотра. И это вполне естественно, так как при увеличении негатива до размеров даже среднего формата фотографии, кружок рассеяния так же увеличится пропорционально выбранному масштабу и может превысить свое допустимое значение. В результате чего расчетная глубина резкости не будет соответствовать ее действительному значению. Хочется обратить внимание читателей, что в фотографии при обосновании параметра допустимого кружка рассеяния ни какие технические характеристики объективов, фотопленок или фотокамер не использовались.

Если подходить к выбору кружка рассеяния, для охранного телевидения используя опыт фотографии, то правильней было бы пересчитать размер кружка рассеяния на мониторе к его размеру на ПЗС матрице. Кружок рассеяния на мониторе можно выбрать, руководствуясь предельным разрешением человеческого зрения в зависимости от удаления оператора от монитора. Но однозначно определить с какого расстояния оператор будет смотреть на монитор, а тем более значение диагонали монитора предвидеть достаточно трудно. Тем не менее, удаление оператора от монитора, при проектировании рабочего места регламентируется медицинскими ограничениями (Таблица 4), которые составляют величину порядка 4-х диагоналей экрана.

Таблица 4 Медицинские ограничения удаления оператора от монитора при проектировании рабочего места.

Для детального изучения изображения оператор обычно смотреть на монитор с минимальных расстояний и использует для этих целей специальные просмотровые мониторы, имеющие увеличенную диагональ экрана. Но смотреть на монитор 21” с очень близкого расстояния не имеет смысла, так как оператор в этом случае видит не картинку, а структуру кинескопа. Поэтому для просмотровых мониторов существуют расстояния наилучшего просмотра картинки. Эти расстояния получены на основе свойства человеческого зрения, видеть изображение с высоким разрешением при минимальном зрительном напряжении. Это возможно только с расстояний, при которых угол зрения глаза находится в пределах 20 градусов. В таблице 4 эти расстояния сведены в столбец «Наилучший просмотр». На основании этих рассуждений получены значения кружков рассеяния (Таблица 4) для расстояний наилучшего просмотра (верхняя строка) и расстояний, нормируемых медицинскими ограничениями (нижняя строка). В расчетах использовался угол зрения глаза равный 0,017 градусов.

В качестве допустимых кружков рассеяния для различных форматов ПЗС матриц (Таблица 5) можно использовать усредненные значения по наилучшему просмотру.

Таблица 5 Кружки рассеяния для различных форматов ПЗС матриц

Диагональ монитора (дюйм)	Расстояние просматривания, (м)	Диаметр кружка рассеяния на ПЗС матрице, мкм
		Формат кристалла матрицы
Усредненные значения по: наилучшему просмотру
медицинским ограничениям

В связи с тем, что это расчетные значения, а практика, как правило, вносит свои коррективы, то вполне возможно, что кружки рассеяния могут быть большего размера, хотя бы как в фотографии в 1,33 раза.

Определив допустимые размеры кружков рассеяния можно попробовать рассчитать глубину резкости и гиперфокальные расстояния.

Найдем глубину резкости для видеокамеры с форматом матрицы 1/3”, диафрагменным числом 1,3 и фокусными расстояниями в диапазоне от 2,8 до 16мм. Сфокусируем объектив на условный предмет, расположенный на удалении от камеры 10 м.

Таблица 6 Зависимость фокусного расстояния объектива от глубины резкости

Резкость наводилась на объект, удаленный на 10м

Из результатов расчетов (таблица 6) видно как с увеличением фокусного расстояния объектива глубина резкости уменьшается, сходясь на расстоянии наводки на резкость 10м. Поскольку в нашем примере диафрагма полностью открыта, то эти данные справедливы для вечернего времени, когда освещенность мала или днем, но в том случае, когда используются видеокамеры с автоматическим затвором и бездиафрагменным объективом.

Таблица 7 Значения глубины резкости в зависимости от значения диафрагменного числа

В дневное время, когда диафрагма закрывается, глубина резкости значительно увеличивается. В таблице 7, для этих условий приведены значения глубины резкости при диафрагменном числе 8.

Объясним увеличение глубины резкости в зависимости от значения диафрагменного числа (Рис. 20).

Рис. 20 Зависимость глубины резкости от значения диафрагменного числа

Если диафрагма полностью открыта (Рис. 20а), то все лучи сходятся в фокусе на ПЗС матрице. Зная диаметр допустимого кружка рассеяния можно определить глубину резкости относительно плоскости ПЗС матрицы. Если мы закроем объектив диафрагмой (Рис. 20б), то лучи сойдутся в той же точке фокуса, но допустимый кружок рассеяния будет отстоять от плоскости ПЗС матрицы значительно дальше и как следствие глубина резкости будет больше.

Рис. 21 Зависимость глубины резкости в дневное и вечернее время от расстояния наводки на резкость объектива с автоматической диафрагмой

Рассмотрим пример, как изменится глубина резкости в дневное и вечернее время в зависимости от расстояния наводки на резкость объектива с автоматической диафрагмой. На рис. 21 изображена видеокамера, установленная на высоте 4м с форматом кристалла 1/3” и фокусным расстоянием объектива 8мм. Сектор, который способна видеть видеокамера простирается от 7,6м до 96м при угле ее наклона относительно горизонта 15 градусов. Предположим, что сектор наблюдения, интересующий службу безопасности, расположен от 8м до 50м. Наведем резкость объектива на расстояние 8 метров.

В вечернее время, когда диафрагма полностью открыта (диафрагменное число 1,3) резко изображаемое пространство на мониторе будет составлять величину от 4,8 до 24 метров.

Рис. 22 Зависимость глубины резкости в дневное и вечернее время от расстояния наводки на резкость с 8 метров на 20 метров

Это значит, что территория с 24 метров и до 50 в вечернее время суток будет выводиться на монитор нерезкой. С увеличением освещенности на объекте глубина резкости значительно увеличивается и, будет иметь значения от 2,0м и до бесконечности. Попробуем изменить расстояние наводки на резкость с 8 метров на 20 метров (Рис. 22). Глубина резкости в вечернее время существенно изменилась. Если разместить видеокамеру на удалении от объектов, которые должны быть под постоянным контролем, не ближе 7,5 метров мы получим результат, при котором и днем и вечером все охраняемое пространство будет резким.

Этот пример хорошо показывает насколько важно правильно выбрать расстояние наводки на резкость.

Оперативно проводить такую оценку можно, имея под рукой специализированный программный продукт или калькулятор с аналогичными возможностями. В настоящее время такие задачи может решать «Проектировщик CCTV», который доступен для приобретения на сайте http://www.lonacomputerservices.com/CCTV/CCTVrus.html

Хочу обратить внимание читателей, что все расстояния, о которых шла речь в этой статье, будут соответствовать действительности только при условии правильной настройке «обратного фокуса» объектива.

Знать значения допустимых кружков рассеяния необходимо для того, чтобы самому рассчитать глубину резкости или гиперфокальное расстояние объектива.

Значения диаметров допустимых кружков рассеяния в микронах приведены в таблице 8.

Таблица 8 Значения диаметров допустимых кружков рассеяния в микронах

Глубину резкости можно изменять, варьируя следующими параметрами:

– значение диафрагмы – чем больше диафрагменное число, тем больше глубина резкости;

– фокусное расстояние – чем больше фокусное расстояние вашего объектива, тем меньше глубина резкости при фиксированном расстоянии до объекта и значении диафрагмы. При увеличении фокусного расстояния область резкости уменьшается из-за увеличения масштаба изображения, что становится особенно заметно в случае с мощными телеобъективами;

– расстояние от камеры до точки фокусировки – чем ближе вы находитесь к объекту, тем меньше глубина резкости при одной и той же диафрагме и неизменном фокусном расстоянии объектива.

Выбор расстояний наводки на резкость

К настоящему времени существует всего три способа наводки на резкость, это фокусировка непосредственно на объект, фокусировка на «бесконечность» (режим гиперфокального расстояния) и фокусировка на гиперфокальное расстояние. Отличаются они не только диапазоном глубины резкости, но и тем, на каких расстояниях деталировка изображения будет максимальной или размытость – минимальной. Рассмотрим каждый способ отдельно.

Режим гиперфокального расстояния объектива

Для работы объектива в режиме гиперфокального расстояния регулятор расстояний нужно установить в положение «бесконечность».

Глубина резкости, которая получается при наводке объектива на «бесконечность», начинается от значения гиперфокального расстояния и простирается до бесконечности.

Гиперфокальные расстояния для разных фокусных расстояний объективов и формата ПЗС-матрицы 1/3" приведены в таблице 9. Чтобы понять, как планировать глубину резкости при использовании объективов с автоматической и ручной диафрагмой, приведем два примера.

Таблица 9 Гиперфокальные расстояния для разных фокусных расстояний объективов

1. Камера оснащена объективом с ручной диафрагмой и фокусным расстоянием 6 мм установлена в помещении с постоянным освещением. При установке движка расстояний на бесконечность, а диафрагмы на такое значение, при котором изображение на мониторе будет передавать все градации яркости рассматриваемых объектов (допустим, диафрагменное число 5,6), глубина резкости будет составлять величину от 1 метра и до бесконечности (рис. 23).

Рис. 23 Определение глубины резкости при режиме гиперфокального расстояния объектива

2. Камера установлена на улице, объектив с автоматической диафрагмой, F-число 1,3, фокусное расстояние 6 мм. При установке движка расстояний на бесконечность в вечернее время, когда значение диафрагменного числа равно 1,3, глубина резкости будет от 4 м до бесконечности, а в дневное время при диафрагменных числах 8–16 – менее 1 м и до бесконечности.

С точки зрения глубины резкости при настройке объектива на «бесконечность» мы разобрались.

Теперь оценим, на сколько хорошо проработаны мелкие детали изображении или другими словами, на сколько хорошо объектив передает деталировку изображения. Резкие изображения зачастую не передают структуру мелких деталей. Переходы между ними как будто размыты, что говорит о слабой деталировке изображения. Недостаточная деталировка приводит к неприятному ощущению дефокусировки, размытости изображения. Отображаемые на мониторе мелким и средним планом лица становятся неузнаваемыми, неразборчивыми.

Вот устранением этой размытости мы сейчас и займемся.

Деталировка изображения определяется диаметром кружка нерезкости (не путать с кружком рассеяния), которым объектив, как «световым пером», «рисует» изображение на ПЗС-матрице. Чем тоньше диаметр «светового пера», тем лучше мелкие детали изображения будут проработаны и тем выше деталировка изображения. Приведем график (рис. 24), на котором показано, как изменяется диаметр кружка нерезкости от расстояния при фокусировке объектива с фокусным расстоянием 6 мм на «бесконечность».

Рис. 24 График зависимости диаметра кружка нерезкости от расстояния при фокусировке объектива с фокусным расстоянием 6 мм на «бесконечность»

На графике видно, что чем дальше от камеры находится объект, тем более тонким лучом объектив прорисовывает изображение. В нашем случае, когда объектив настроен в режиме гиперфокального расстояния, ближняя граница зоны резкости совпадает с гиперфокальным расстоянием и составляет величину 4,33 метра. Чем дальше от видеокамеры расположен объект, тем меньше диаметр кружка нерезкости (лучше проработка мелких деталей). В системах охранного видеонаблюдения наиболее массово используются объективы с фокусными расстояниями до 6 мм. Для таких объективов гиперфокальные расстояния еще меньше, и ближняя граница зоны резкости еще сильнее приближается к видеокамере. Поэтому для таких объективов настройка их на режим гиперфокального расстояния очень удобна и вот почему:

1) отпадает необходимость проводить фокусировку объектива на объекте;

2) сокращается время на монтаж и настройку видеокамеры, а значит, сокращаются и сроки сдачи объекта заказчику.

В каких же случаях необходимо использовать настройку объектива на «бесконечность»?

1. Для объективов с фокусным расстоянием меньше 6 мм.

Фокусировка объектива на гиперфокальное расстояние. Для фокусировки объектива на гиперфокальное расстояние, прежде всего надо знать, чему оно равно. В таблице 8 приведены гиперфокальные расстояния для видеокамер с форматом ПЗС-матрицы 1/3". В нашем примере, рассмотренном выше, гиперфокальное расстояние для 6 мм объектива с F-числом 1,3 равно 4,33 м, при диаметре кружка рассеяния 6,4 микрона.

Если мы наведем резкость на гиперфокальное расстояние 4,33 м, то глубина резкости будет простираться от половины гиперфокального расстояния 2,17 м и до бесконечности (рис. 25).

Рис. 25 График фокусировки объектива на гиперфокальное расстояние

При такой фокусировке максимальная деталировка будет на гиперфокальном расстоянии. Очень быстро деталировка будет падать при приближении к передней границе глубины резкости, а при удалении от гиперфокального расстояния деталировка немного ухудшается, но, тем не менее, остается на достаточно хорошем уровне. Причем минимальное расстояние, на котором изображение будет еще резкое, равно половине гиперфокального расстояния.

Использовать такую настройку объектива нужно при необходимости:

– получить максимальную деталировку изображения, если объект наблюдения находится в пределах гиперфокального расстояния;

– получить максимальную глубину резкости для объективов с любым значением фокусных расстояний;

– при нахождении объекта наблюдения на удалении меньшем двух гиперфокальных расстояний.

Настройка непосредственно на объект наблюдения (рис. 26)

Такая ситуация в системах видеонаблюдения возникает достаточно редко. Связано это с тем, что объекты наблюдения в CCTV – это люди, машины и другие элементы изображения, которые находятся в постоянном движении. Или территории, которые должна контролировать видеокамера. Во всех этих случаях глубина резкости должна быть максимальной.

Рис. 26 график настройки непосредственно на объект наблюдения

Тем не менее нам известны случаи, когда объект наблюдения статичен. Это может быть слепок с печатями, которые контролирует видеокамера, пульт управления технологическим процессом, с которого камера считывает данные и т. д. и т. п. Фокусировка непосредственно на таких статических объектах наблюдения дает хорошие результаты. Кроме того, хочу обратить ваше внимание на три момента.

– Фокусировка объектива на объект наблюдения при ярком освещении практически невозможна. Резкость будет присутствовать во всем диапазоне расстояний.

– Использование нейтральных светофильтров не всегда возможно по самым разным причинам.

– Фокусировка объектива, уже смонтированного на объекте, отнимает достаточно много времени и требует определенных навыков от монтажников.

Примечание: Графики на рис. 2.24 – 2.26 построены для идеальных объективов, в которых отсутствуют искажения. В реальной действительности минимльный диаметр кружка нерезкости будет ограничиваться значениями аберационных и дифракционных искажений.

Термины и определения

Таблица 10Термины и определения

Термины	Размерность	Определения
Аберрация		Аберрация (сферическая и хроматическая) – недостаток оптической системы, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие через оптическую систему, не собираются в одну точку (фокус), а создают крупный расплывшийся (нерезкий) кружок.
Асферический объектив		Объектив, у которого значительно снижены аберрационные искажения. Разрешающая способность таких объективов выше.
Вариообъектив	кратность	Объектив, позволяющий изменять значение фокусного расстояния вручную.
Гиперфокальное расстояние		Минимальное расстояние от объектива, начиная с которого и до бесконечности все предметы резкие.
Глубина резкости		Диапазон расстояний, в пределах которого изображение будет резким.
Диафрагма		Непрозрачная преграда с отверстием, расположенная на пути светового потока.
Просветленная оптика		Объектив, у которого на линзы, соприкасающиеся с воздухом, нанесено специальное покрытие, уменьшающее отражение падающего света. Чем меньше отражение, тем больше света проходит через объектив.
Объектив		Оптическая система, предназначенная для формирования изображения на ПЗС-матрице.
Диафрагменное число		Определяет размер отверстия диафрагмы. Каждый объектив имеет целый ряд диафрагменных чисел.
Дифракция		Отклонение световых волн от прямолинейного распространения. В результате получается интерференционная картина – чередование светлых и темных полос. Этот эффект не позволяет различать близко расположенные элементы изображения.
Кружок рассеяния		Основополагающий критерий для определения глубины резкости.
Обратный фокус		Положение объектива относительно ПЗС-матрицы, при котором в самых худших условиях освещенности изображение резкое.
Относительное отверстие		Отношение диаметра зрачка к фокусному расстоянию.
Освещенность		Величина светового потока, приходящего на единицу площади
Разрешающая способность		Способность объектива давать раздельное изображение мелких деталей, приходящихся на 1 мм изображения.
Световой поток		Мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз.
Сервоуправление		Изменение значения диафрагмы дистанционно (с пульта управления).
Сила света		Световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадиану.
Телеобъектив		Объектив с углом зрения меньше 30 градусов.
Трансфокатор	кратность	Объектив, позволяющий изменять значение фокусного расстояния дистанционно с пульта управления
Фокусировка объектива		Получение требуемой резкости оптического рисунка на ПЗС-матрице.
Широкоугольный объектив		Объектив с углом зрения больше 60 градусов.
Цветовая температура		Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет.
		Единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно. Она не зависит от расстояния рассматривания.
		Автоматическое управление диафрагмой сигналами постоянного тока, поступающими из видеокамеры.
		Автоматическое управление диафрагмой по видеосигналу, поступающему из видеокамеры.

1) Необходимо выбрать внутренние и внешние камеры видеонаблюдения . Для начала надо понять какие камеры мы хотим использовать цветные или чернобелые? Черно-белые обладают большей чувствительностью и дешевле цветных, с другой стороны у цветных камер можно больше снять информации с объекта слежения. При установке цветных камер на лестничной клетке при плохой освещенности, может получится что они не будут переключаться в цветной режим, т.е. им не будет хватать света для преодоления порога переключения, в этом случае нет необходимости в покупке цветных видеокамер.

• Выбор матрицы видеокамеры (CCD или CMOS). В настоящий момент камеры видеонаблюдения используют 2 типа матриц: ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) . Для преобразования света в электрические заряды и ПЗС-, и КМОП- матрицы используют фотоэлементы. Различие же между этими матрицамизаключается в том, как потом полученные электрические заряды считываются.

Преимущества ПЗС – Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент матрицы КМОП. Каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов, которые забирают довольно большую площадь. Другими словами, ПЗС-матрица воспринимает больше света, чем КМОП-матрица, у которой большая площадь матрицы просто не чувствительна к свету. Следует сказать, однако, что технологии КМОП-матриц активно развиваются и на рынке появляются все более и более чувствительные матрицы, постепенно догоняя матрицы ПЗС. В настоящий момент существуют две основные технологии КМОП-матриц – это Active Pixel Sensor (APS) и Active Column Sensor (ACS). Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица имеет минимальное количество активных электронных элементов, которые в результате нагрева могли бы вызвать тепловой шум в кадре. Преимущества КМОП – Разрешение. В настоящее время доступны относительно недорогие КМОП-матрицы разрешением 10 Мпикселей и более. При этом максимальное разрешение ПЗС матриц, используемыхв CCTV, составляет всего 1 мегапиксель. Низкая стоимость КМОП матриц. Камеры, использующие КМОП существенно дешевле аналогов на ПЗС. Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшать габариты камер. Физический размер матрицы определяется длиной диагонали в дюймах. Современные матрицы могут иметь следующие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. Чем больше физический размер матрицы, тем больше света приходится на каждый пиксель, что положительно влияет на чувствительность камеры.

• Процессор обработки видеосигнала присутствует во всех аналоговых CCTV камерах. Это важнейший модуль, который производит первичную обработку видеосигнала: корректирует яркость, цветность, контрастность изображения, а также выполняет более сложные операции. Вот некоторые популярные функции, выполняемые процессором обработки видеосигнала:

AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемую картинку при низкой освещенности. Обычно диапазон регулировки ограничивается 10-кратным усилением, так как большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала. AWB (Automatic White Balance), или AWC (Automatic White Compensation) , автоматическая регулировка баланса белого цвета для нормализации цветопередачи. BLC (Back Light Compensation) / SBLC (SuperBLC) – компенсация фоновой засветки, которая позволяет выровнять освещенность объекта в условиях яркого заднего фона. DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) – цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон для получения качественной картинки в условиях, когда одна часть кадра темная, а вторая – очень яркая.

• Светочувствительность (Лк) на сегодняшний день является одним из самых важных параметров при выборе камеры. При выборе камеры, прежде всего, нужно, конечно, обращать внимание на чувствительность,
  заявленную в спецификации. Уровень минимально необходимой освещенности измеряется в люксах. 1 люкс означает, что камера будет что-то показывать в сумерках, однако ночью без хорошей искусственной подсветки она ничего не “увидит”. Приемлемые показатели для камеры, которая будет устанавливаться на улицу – это 0.01 лк и ниже. В таблице приведены некоторые ориентиры для сравнения:

Однако количество «люксов» довольно непросто измерить, поэтому не всегда указанная в спецификации чувствительность, отражает реальные возможности камеры. Для того чтобы составить впечатление о чувствительности камеры нужно обратить внимание на размер матрицы, а также – на ее тип. Чем больше размер, тем лучше; CCD лучше, чем CMOS; ACS КМОП лучше, чем APS КМОП. Но самый надежный и рекомендуемый способ – это, конечно, провести тестирование, записав несколько тестовых роликов движущихся объектов в условиях недостаточной освещенности.

Важно понимать, что в условиях недостаточной освещенности разрешающая способность камеры существенно ухудшается. Помимо этого появляется эффект «смазывания» движущихся объектов из-за увеличенной выдержки. Обычно, когда уровень освещенности снижается до заявленной чувствительности камеры, качество картинки падает до неприемлемого уровня.

• Фокусное расстояние или «угол обзора» (F=) – это расстояние от главной точки объектива до точки фокусировки лучей. Для нас важно понимать, что фокусное расстояние определяет угол захвата сцены. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол и больше видимое приближение. Вариофокальный объектив , или объектив с переменным фокусным расстоянием, имеет возможность менять фокусное расстояние и, соответственно, углы. Существует ряд платных и бесплатных программ, которые помогут перевести миллиметры фокусного расстояния в углы.

• Разрешающая способность телекамеры (ТВЛ). Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разре­шающей способности системы видеонаблюдения (телекамера-линия связи-устройство записи-мони- тор), 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.

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 погоризонтали). 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 верти­кали, 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 (TBЛ) , а не просто линиями. Максимальная разрешающая способность в аналоговых камерах составляет 600ТВЛ.

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 (S/N). Отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). 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.

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 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.

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.

Основные задачи камеры - 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.

Невозможно судить о телекамере на основе только одной или двух характеристик, взятыхиз 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 камерой.

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 разрешающейспособности 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:

1. Чувствительность;
2. Минимальная освещенность;
3. Разрешающая способность;
4. Отношение сигнал/шум;
5. Динамический диапазон.

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.
Одна из стандартных тестовых таблиц для этих целей - это градационная испытательная таблица. Она должна иметь шкалу градаций яркости от черного до белого и общий коэффициент отражения 90% для белой части этой шкалы.

Пример универсальной таблицы предназначеной для оцен­ки работы телекамер, в том числе и цветных.

Проведением таких тестирований занимаются специалисты с применением профессионального оборудования.

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.

Одна из самых больших «уловок» в видеонаблюдении -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 камеры (освещенность объекта), должно также указываться соответствующее F-число. Вторым важным фактором после освещенности, который тоже необходимо знать, является коэффициент отражения объекта в процентах.

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.

Например: С объективом F/1.4 минимальная освещенность ПЗС-матрицы обычно в 10 раз выше (меньше люкс), чем чувствительность на объекте. Например, освещенность объекта в 1лк 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. А также известный факт - черно-белые ПЗС-телекамеры всегда имеют более низкую минимальную освещенность, чем цветные ПЗС-телекамеры.

Разрешающая способность телекамеры.
Вопрос о разрешении телекамеры прост, но часто его неправильно понимают. Когда речь идет о разрешающей способности системы видеонаблюдения, то основной частью системы будет устройство ввода (то есть в большинстве случаев разрешающая способность системы будет во многом определяться разрешающей способностью камеры). 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 и стандартом EIA/NTSC.

Отношение сигнал/шум
Отношение сигнал/шум показывает, насколько хорош может быть видеосигнал камеры, 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 камеры 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). 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.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы
Динамический диапазон нечасто упоминается в технических характеристиках камер 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 камеры, 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.

Автодиафрагма оптически блокирует избыточный свет и снижает его до верхнего уровня ПЗС-матрицы. 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.

2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОТ

2.1. Телевизионные камеры СОТ и устройства для их оснащения

2.1.1. Телевизионные камеры.

Камера является важнейшим элементом системы, так как именно она создает видеосигнал, который в дальнейшем используется видеосистемой для анализа, детекции и хранения видеоинформации. От выбора камеры зависит, что и как будет видеть на экране видеомонитора оператор в постоянно меняющихся условиях наблюдения. Если необходимо не только следить за общей обстановкой в охраняемой зоне, но и идентифицировать людей, определять номер автомобиля и т.д., проектировщик должен выбрать камеру с действительно необходимыми функциями и техническими характеристиками. Причем главным условием, при выборе камеры (да и всего остального оборудования СОТ) должно выдвигаться требование обеспечения необходимой безопасности объекта.

Современная камера представляет собой сложную электронную систему состоящую из фоточувствительного элемента - матрицы, выполненной на приборах с зарядовой связью (ПЗС - матрица, в английской транскрипции - CCD) или на базе КМОП - структуры (КМОП - комплиментарный металло-оксидный полупроводник, в английской транскрипции CMOS) и программно-аппаратных средств обработки сигнала в формат предназначенный для вывода на устройства отображения.

Камеры делятся на (см. Рис.1, Рис. 2):

Аналоговые и цифровые;

Корпусные и бескорпусные;

Для внутреннего и уличного применения;
- стационарные;

Поворотные;

Купольные;

Для применения в особых условиях;

Черно-белого и цветного изображения;

Повышенной чувствительности;

Высокого разрешения;

Для скрытого наблюдения.

Рис. 1 Камеры различного конструктивного исполнения

Рис. 2 - Камеры в вандалостойком исполнении

Разница между аналоговой и цифровой камерой в потребительском смысле заключается в том, что на выходе аналоговой камеры присутствует стандартный видеосигнал, а цифровая камера производит оцифровку аналогового видеосигнала с матрицы и передачу его по линии связи в виде цифрового кода. Как правило, при этом внутри цифровой камеры производится компрессии видеосигнала, путем устранения «избыточности» видеоинформации. Если стандартный видеосигнал от аналоговой камеры подать на монитор, то на экране мы увидим изображение. Выходной сигнал от цифровой камеры, прежде чем попасть на экран монитора должен пройти специальную обработку программным обеспечением компьютера (сервера).

В отдельных случаях цифровые камеры не производят компрессию видеосигнала, ограничиваясь при этом одной оцифровкой сигнала. В этом случае объем передаваемой цифровой информации резко возрастает. Данное техническое решение применяется в специальных приложениях теленаблюдения, где первостепенной задачей ставится получения высококачественного изображения. Дело в том, что практически любой вид компрессии приводит к снижению качества первоначального изображения. При этом допустимый уровень потерь качества изображения определяет степень компрессии.

Телевизионная камера характеризуется целым набором параметров, однако в большинстве случаев при выборе камеры достаточно иметь информацию о следующих ее характеристиках.

1. Формат матрицы - размер фоточувствительной области матрицы выражается в дюймах. Основными форматами являются: 1/4", 1/3", 1/2", 2/3" и 1".

Чем больше оптический формат, тем меньше (при прочих равных условиях) геометрические искажения изображения. В особенности это сказывается при больших углах зрения. В СОТ высокого качества изображения обычно используются камеры формата 1/2", 2/3" и 1". В настоящее время чаще всего используются камеры с матрицей 1/3". В последнее время на рынке появились миниатюрные камеры с матрицей формата 1/4". Как правило, при уменьшении формата матрицы шумовые характеристики камеры ухудшаются.

2. Разрешающая способность (разрешение в центральной области изображения или объектива) - максимальное количество телевизионных линий (ТВЛ), различаемых в выходном сигнале камеры при глубине модуляции (10 ± 3) %, (определение глубины модуляции см. Приложение А).

На краях объектива телекамеры допускается некоторое ухудшение качества изображения. Чем выше разрешение камеры, тем более мелкие детали можно различить на изображении. Обычным разрешением считается 380 - 420 линий для черно-белых и 300 - 320 линий для цветных камер. В системах высокого класса используются, как правило, камеры с повышенным разрешением (500 - 600 линий для черно-белых и 375 - 450 линий для цветных камер).

Различают разрешающую способность по вертикали и по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали - максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование. Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре и определяется видом телевизионного стандарта (PAL или NTSC).

Это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей, так как разрешающая способность по вертикали у стандартных камер одинакова. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.

Разрешающая способность по горизонтали - зависит от глубины модуляции сигнала. При модуляции 100% разрешающая способность называется аппаратная резкость, при модуляции 50% - реальная разрешающая способность, а при модуляции 10% - предельная разрешающая способность.
Говоря о разрешении СОТ нужно не забывать и о сквозном разрешении всей цепочки используемого оборудования (видеотракта). Так, например, если мы имеем разрешение ТВ-камеры в 560 ТВЛ, а разрешение платы видеозахвата не превышает 380 ТВЛ, общее разрешение СОТ не может быть выше 380 ТВЛ.

Разрешающая способность СОТ не может быть больше разрешающей способности матрицы телекамеры, которая обычно выражается числом элементов матрицы (пикселей) по горизонту и по вертикали или в ТВЛ.

Примечание - с появлением дискретных структур (ПЗС), элементы изображения стали называться пикселами.

Пиксел (в разговорной речи пиксель, англ. Pixel - сокращение от picture element или picture cell - элемент изображения) Пиксел представляет собой неделимый объект прямоугольной, обычно квадратной, или круглой формы.

Для определения реального числа ТВЛ в СОТ используют проверочные таблицы (миры) (см. Приложение Б).

Проверка разрешающей способности по горизонтали с помощью тестовых таблиц осуществляется визуально с помощью анализа изображения на экране монитора и наиболее проста, однако этот метод зависит от субъективной различимости человеком ТВЛ. Поэтому, при наличии осциллографа с возможностью выбора строки видеосигнала и возможностью синхронизации по ним (например, осциллограф «Tektronix TDS 2024»), необходимо произвести измерения переходных характеристик с черного изображения на белое и наоборот, используя методику, приведенную в Приложении Г.

В эфирном телевидении наличие разрешающих способностей - как по горизонтали, так и по вертикали - создавали определенные неудобства в описании характеристик оборудования. Поэтому возникла необходимость выработать единый параметр для оценки разрешающей способности. Эта задача была решена путем пересчета разрешающей способности по горизонтали к разрешающей способности по вертикали, используя соотношение сторон экрана 4:3. В результате чего и появился коэффициент 0,75 (3:4=0,75), а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «ТВЛ».

Пересчет дискретной структуры матрицы (пиксели) в ТВЛ происходит через поправочный коэффициент 0,75. Таким образом, если матрица камеры имеет размерность 500 пикселей по горизонту, то разрешение будет по горизонту 500х0,75=375 ТВЛ.

Но количество пикселов и связанное с этим разрешение это только сравнение видеокамер или любого оборудования по «внешним» признакам, т.е. по количеству дискретных элементов в структуре матрицы.

3. Чувствительность.

Различают: пороговую чувствительность и чувствительность, необходимую для нормальной работы СОТ.

Пороговая чувствительность - минимальная освещенность на матрице, при которой соотношение сигнал/шум в отдельных изделиях СОТ или в СОТ в целом равно 8.

Чувствительность, необходимая для нормальной работы СОТ - освещенность на матрице, при которой СОТ реализует свои паспортные значения (прежде всего по разрешению).

Если не оговорено специально, то под чувствительностью необходимо понимать уровень освещенности необходимый для нормальной работы СОТ.

Чувствительность традиционно выражается в люксах (лк) (см. Приложение А).

Выражение чувствительности в люксах не совсем корректно. Поэтому необходимо привязывать понятие чувствительности к соотношению сигнал/шум и учитывать спектральные характеристики источника освещения и телекамеры.

Нормальным считается отношение сигнал/шум 48 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ. Более подробно об отношении сигнал/шум см. в Приложении Д.

Обычной чувствительностью считается 0.1-0.5 лк для черно-белых и 1-3 лк для цветных камер.

В системах, предназначенных для наблюдения слабо освещенных объектов, имеющих малую отражательную способность, используются камеры высокой чувствительности (порядка 0,01 лк).

Матрицы (ПЗС, КМОП) обладают очень важным свойством - они позволяют получать четкое изображение в условиях полной темноты при подсветке инфракрасными лучами. С этой целью некоторые камеры оснащаются встроенной ИК-подсветкой.

Синхронизация - привязка видеосигнала к фазе сетевого напряжения или внешнего источника синхроимпульсов или другого видеосигнала. Камеры, питающиеся от сети переменного тока (220 В/50 Гц или 24 В/50 Гц), синхронизируются от питающей сети. Камеры, питающиеся от источника постоянного тока (12 В) должны иметь вход внешней синхронизации, сигнал на который подается от специального устройства - синхронизатора. Отсутствие внешней синхронизации телевизионных камер от единого источника синхросигнала в значительной степени повышает утомляемость оператора СОТ, а при использовании в системе более 8 камер приводит к постоянным срывам изображения, потерям многих кадров, что делает наблюдение и видеозапись практически невозможными.

Примечание - при работе системы с платами видеозахвата, нужно стремиться использовать ввод сигнала без использования процесса мультиплексирования канала.

Теоретически возможно добиться надежной работы синхронизации в СОТ, но режим мультиплексирования всегда будет требовать больше времени для ввода видеоизображения, чем прямой ввод сигнала. Использование мультиплексора в плате видеозахвата не повышает технические характеристики устройства, поскольку число каналов в этом случае может быть очень большим, а суммарное количество вводимых кадров или полукадров при этом не изменяется.

Электронный затвор - элемент конструкции матрицы, обеспечивающий возможность изменения времени накопления электрического заряда (выдержки). Электронный затвор позволяет получить приемлемое качество изображения быстродвижущихся объектов и обеспечивает работоспособность камеры в условиях высокой освещенности. Обычные электронные затворы обеспечивают регулировку выдержки в диапазоне от 1/50 до 1/10000 - 1/15000. Лучшие электронные затворы позволяют получить выдержки порядка 1/100000.

АРД - автоматическая регулировка диафрагмы - способность камеры управлять объективами с электрически регулируемой диафрагмой и встроенным усилителем (при управлении объективом без встроенного усилителя используется термин "прямое управление"). Наличие АРД является существенным достоинством камеры, так как регулировка глубины резкости без изменения диафрагмы принципиально невозможна. Это означает, что при электронном управлении затвором на матрице (без управления диафрагмой объектива) изображение объекта, находящегося на расстоянии, отличном от фокусного, будет недостаточно резким. Кроме этого, отсутствие регулировки диафрагмы приводит к резкому уменьшению диапазона управления световым потоком. Не следует использовать АРД совместно с электронной диафрагмой, особенно если камера не синхронизирована частотой сети переменного тока, так как в этом случае возможно появление эффекта "плавания" яркости или баланса белого на экране видеомонитора, что в значительной степени затрудняет работу оператора. Для подключения объектива с электрически управляемой диафрагмой в камере должны быть предусмотрены разъемы AI (автоирис) и/или DD/DC (прямое управление) и потенциометр регулировки уровня сигнала прямого управления.

Современные объективы, в связи с уменьшением их габаритов, имеют, как правило, прямоприводное управление (direct drive), поэтому камера должна иметь встроенную электронику для управления объективом.

Примечание - камеры, предназначенные для установки вне помещения, должны иметь АРД, что должно обеспечить работу в широком диапазоне освещенностей (как минимум от 1 люкса ночью до 100000 люкс в яркий солнечный день).

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) - свойство камеры изменять коэффициент усиления видеотракта в зависимости от уровня видеосигнала. АРУ сглаживает изменения уровня сигнала и позволяет получить приемлемую картинку на мониторе при недостаточной освещенности объекта. Обычно диапазон регулировки усиления ограничивается 12-20 дБ (4-10 раз), большее увеличение усиления приводит к значительному зашумлению видеосигнала и, как следствие, ухудшению изображения.

Гамма - коррекция видеосигнала (у-коррекция) - нелинейное искажение видеосигнала для лучшего воспроизведения. Гамма - коррекция заключается в предварительном искажении видеосигнала с целью увеличения контрастности изображения на мониторе. Камеры с гамма - коррекцией сигнала имеют либо постоянный коэффициент

у - 0,45 (иногда 0,25),

Либо изменяемый вручную (например, у - 0,25/0,45/1).

Компенсация "засветки сзади" (компенсация засветки телекамеры при наблюдении за предметом, освещенным сзади ярким светом) - способность камеры автоматически устанавливать выдержку и параметры усиления по выбранному фрагменту изображения. Достаточно часто применяется система "Back Light Compensation", обеспечивающая автоматическое управление диафрагмой, выдержкой, усилением и т. д., и ориентирующаяся на центральную часть экрана. В более сложных моделях в разных частях кадра адаптация к световым условиям происходит независимо друг от друга, что повышает качество изображения.

Канал звука - обеспечивает акустический контроль охраняемого (контролируемого) помещения с помощью микрофона. Для организации двунаправленного аудиоканала (например, в домофонных системах) кроме микрофона устанавливается динамик.

Напряжение питания. Большинство телекамер питаются либо от сети переменного тока 220 В/50 Гц, либо от источников постоянного тока напряжением 12 В. В последнее время все чаще используется переменное напряжение 24 В. Реже используется постоянное напряжение 9 В. Для питания нескольких камер в системе могут использоваться индивидуальные для каждой камеры источники, либо общий источник. В последнем случае необходимо учитывать общее потребление камер. Необходимо иметь в виду, что цветные камеры очень чувствительны к перепадам напряжения в сети. Поэтому для их питания следует использовать специальные стабилизированные источники.

Общий подход при выборе блока питания заключается в необходимости иметь 30% запас по току питания от максимальных возможностей блока питания. Дело в том, что при максимальных нагрузках резко возрастает напряжение пульсаций на выходах блока и основные узлы начинают работать в перенапряженном режиме, что сказывается на качестве питающего напряжения и долговечности блока питания.

Второй аспект этого вопроса заключается в том, что многие телекамеры не допускают перенапряжение по цепям питания выше 13-14 В, а большинство блоков питания имеют разброс по уровню питающего напряжения от 12 до 14-15 В, что приводит к выходу из строя телекамер. Большинство охранных систем рассчитаны на большие диапазоны питающего напряжения, и разработчики блоков питания стремятся максимально использовать данный момент, т.е. при номинальном питающем напряжении в 12 В выдавать с блока питания 13-15 В. Таким образом, при большой длине провода возможно падение 2-3 В за счет омического сопротивления. В телевидении такой подход недопустим, если нет возможности плавно изменять питающее напряжение. Данную особенность необходимо учитывать при выборе марки блока питания. Желательно, чтобы блок питания имел возможность дискретного изменения питающего напряжения с шагом 0,1-0,4 В, что позволяет создать оптимальные напряжения питания на входе телекамеры.

Сечение проводов должно выбираться из расчета падения напряжения по длине кабеля. В Приложении Е приведены требуемые сечения кабеля в зависимости от длины кабеля и тока нагрузки при падении напряжения по длине не более 5%.

Для камер цветного изображения важны такие характеристики, как автоматический баланс белого, т. е. способность камеры обеспечивать правильную цветопередачу при изменении условий освещения наблюдаемых объектов и стандарт кодирования цветового сигнала.

В настоящее время в СОТ, в основном, применяются цветные камеры. Однако, камеры черно-белого изображения, имеют лучшее разрешение, больший динамический диапазон, чувствительность. Цветные камеры необходимо устанавливать, главным образом, там, где требуется знать цвет объекта (например, автомобиля), т. е. на автостоянках, автозаправочных станциях и т. п.

В зависимости от требований, предъявляемых к системе, камеры могут оснащаться различными устройствами: объективами, защитными или декоративными кожухами, термостатами, кронштейнами, поворотными устройствами и т. п.

2.1.2. Объективы

Объектив - это устройство, формирующее изображение объекта в плоскости матрицы. Очевидно, что без объектива телевизионная камера работать не может. Объектив, может быть встроенным в камеру или сменным.

Если камера не имеет встроенного объектива, в ее конструкции предусмотрен узел присоединения для установки сменных объективов. При выборе объектива для камеры следует учитывать, что применяются два типа стандартных конструкций узлов присоединения:

Тип "С" ("C-mount") - стандарт резьбового крепления объективов. Резьба 1" (2,54 мм), 32 шага на дюйм, расстояние от заднего фланца до матрицы 0,69" (17,526 мм). Для совмещения С-объективов и CS-камер требуется переходное кольцо;

Тип "CS" ("CS-mount") - стандарт резьбового крепления объективов, резьба идентична C-mount, но расстояние от заднего фланца до матрицы уменьшено до 12,5 мм. Объективы CS могут использоваться только с CS камерами. Этот тип крепления находит большее распространение в связи с тенденцией камер к миниатюризации.

Для камер с присоединительным узлом "С" подходят только объективы типа "С". Если камера имеет узел "CS", то к ней подходят объективы "CS" и "С" со специальным переходным кольцом. Подбирая объективы к камере, надо иметь в виду, что обычно они рассчитываются на матрицу определенного формата.

Миниатюрные камеры для скрытого наблюдения имеют специальную насадку с оптоволоконным кабелем, на конце которого крепится специальный объектив "pinhole" с диаметром зрачка от 0,9 до 2 мм.

Относительное отверстие F - отношение диаметра отверстия диафрагмы к его фокусному расстоянию, определяет освещенность на матрице. Чем меньше значение F, тем больше световой энергии проецируется на матрицу телекамеры.

По величине относительного отверстия объективы делятся на:

Сверхсветосильные от 0,7 до 2;

Светосильные от 2,8 до 4,5;

Малосветосильные от 5,6 до 16.

Объективы бывают сферические и асферические (см. Рис. 3). Каждый из этих объективов может иметь просветленную или обыкновенную оптику.

Просветленная оптика уменьшает светорассеяние на пути прохождения светового потока до матрицы. Для уменьшения светорассеяния в объективе на линзы, имеющие контакт с воздухом, наносят специальное покрытие, и такие объективы носят название «просветленный объектив».

У просветленных объективов световой поток ослабляется в среднем на 10%, в то время как у непросветленного объектива ослабление доходит до 33%.

Сферические объективы получили большее распространение в связи с тем, что они изготавливаются из сферических линз, которые дешевы в изготовлении и технологичны.

Однако им присущи недостатки - так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения (разрешающую способность) и ограничивают максимально возможное отверстие диафрагмы (F-число таких объективов обычно имеет величину F1.2 - F1.4).

Асферический объектив внешне отличается от сферических объективов видом передней линзы. У таких объективов аберрационные искажения имеют незначительную величину, что позволяет им иметь F-число F0.75 - F0.8. Такое маленькое значение F-числа позволяет в среднем в три раза увеличить световой поток, проходящий на видеокамеру.

Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда недостаток освещенности зоны наблюдения не может быть восполнен никаким другим способом.

Примечание - разрешение объектива должно соответствовать разрешению матрицы телевизионной камеры (определение разрешения объектива см. Приложение Ф).

Рис 3- Объективы различного конструктивного исполнения

Фокусное расстояние f (мм) - характеризует величину угла зрения при определенном оптическом формате камеры. Чем меньше фокусное расстояние, тем больший угол зрения наблюдаемого пространства, можно получить и наоборот. Однако при очень больших углах зрения (порядка 90-120° и более) довольно сложно, а порой и невозможно рассмотреть детали картины. Наиболее приемлемым для оператора является угол зрения 60-70°, так как получаемое при этом изображение хорошо согласуется с характеристиками человеческого зрения. Объективы с большим фокусным расстоянием используются, когда требуется получить четкое изображение мелких деталей.

В практической деятельности объективы по углу зрения делят на следующие группы в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Угол зрения объективов

Примечание - угол зрения камеры зависит от формата матрицы, так для формата кристалла 1/2 дюйма фокусное расстояние объектива ф от 4,8 до 12 мм дает угол зрения по горизонту приблизительно в 30-67 градусов, а для формата кристалла 1/3 дюйма для обеспечения аналогичных углов зрения, необходимо использовать объективы с фокусным расстоянием от 3,6 до 8 мм. В большинстве случаев использование объективов с фокусным расстоянием в 3,6 - 16 мм обеспечивает решение задач теленаблюдения в полной мере.

Рекомендуется при выборе фокусного расстояния объективов использовать специализированный программный продукт (программу) или калькулятор с возможностями произвести автоматический расчет угла поля зрения телекамеры в зависимости от высоты подвеса, угла наклона, фокусного расстояния объектива и т.д.

Трансфокатор - устройство, позволяющее изменять фокусное расстояние в широких пределах (ZOOM - функция). Объективы, снабженные трансфокаторами, называются вариообъективами . Фокусное расстояние может изменяться вручную либо путем сервоуправления. Вариообъективы, ввиду их большой стоимости применяются только в тех случаях, когда необходимо быстро увеличить изображение мелкой детали (например, идентификации личности).

Как правило, трансфокаторами с сервоуправлением оборудуются поворотные телекамеры. Однако, использование поворотных или купольных телекамер часто неоправданно, поскольку ручное управление такими камерами неэффективно. Гораздо эффективней использовать несколько стационарных камер для получения максимально - широкого поля обзора.

Наиболее рационально использовать поворотные или купольные телекамеры, оборудованные объективом с трансфокатором для целей периметральной охраны. Тогда целеуказание им будет выдавать стационарные камеры или охранные извещатели.

2.1.3. Кожухи для внутренних и внешних применений

По конструктивному признаку телевизионные камеры можно подразделить на корпусные и бескорпусные. Бескорпусные камеры имеют значительно меньшие габариты и стоимость по сравнению с камерами в корпусе, и часто используются в системах скрытого наблюдения. Камеры для открытого внутреннего наблюдения размещаются в защитных корпусах (кожухах), которые имеют разную форму, габариты, конструкцию крепления (потолочная, настенная, угловая) и позволяют выбрать оформление, наиболее подходящее к конкретному интерьеру. Камеры для использования на открытом воздухе помещаются в защитные кожухи, оборудованные подогревом - гермокожухи. Гермокожухи предназначены для работы в широком диапазоне климатических условий и позволяют использовать различные комбинации телевизионных камер и объективов. Кожух снабжен солнцезащитным козырьком (либо фильтром), посадочным местом для установки камеры, термостатом и коммутационной панелью. Некоторые гермокожухи имеют дополнительноe оборудование - вентиляторы, дворники, омыватели стекла. Следует отметить, что импортные нагреватели не всегда отвечают нашим климатическим условиям и не рассчитаны на сильные морозы.

2.1.4. Поворотные устройства

Поворотные устройства предназначены для телекамер с дистанционным управлением. Они обеспечивают поворот в горизонтальной (до + 365°) и в вертикальной (до ±183°) плоскостях либо только в горизонтальной. Различают поворотные устройства с постоянной и с регулируемой угловой скоростью перемещения. Сигналы управления камерами преобразуются в заданные механические перемещения с помощью приемников телеметрических сигналов управления.

Как правило, вместе с поворотными устройствами поставляются пульты управления, с которых можно манипулировать также трансфокаторами объективов, если требуется получить укрупненное изображение.

К сожалению, единого стандартного протокола обмена между поворотным устройством и пультом управления (или видеосервером) не существует. Поэтому нужно учитывать совместимость между собой этих устройств. Как правило, в описаниях на эти устройства приводятся возможные формата обмена, поэтому при комплектации СОТ оборудованием необходимо это учитывать.

2.1.5. Кронштейны

Кронштейны служат для крепления камер к стенам, панелям и другим несущим конструкциям и позволяют точно ориентировать поле зрения камеры в нужном направлении. Различают кронштейны для горизонтальной поверхности, для вертикальной поверхности, телескопические и т. п. Исполнение кронштейнов определяется, главным образом, эстетическими требованиями и нагрузкой: на кронштейнах для внутреннего применения крепятся камеры весом в несколько сот граммов, на кронштейнах для уличного применения - в несколько килограммов.