Пристрої обробки відеосигналів

 

Способи подання візуальної інформації оператору

 

Найпростіша відеосистема складається з однієї відеокамери й одного відеомонітора. За наявності у відеосистемі декількох відеокамер виникає питання про варіант обробки потоку візуальної інформації й подання його оператору. Від того, наскільки оптимальним для конкретного завдання є дане рішення, залежить швидкість і ефективність роботи оператора, а виходить, і всієї відеосистеми.

Ідеальним є випадок, коли сигнали від необмеженої кількості відеокамер надходять до оператора без втрати інформації в тому вигляді, як вони знімаються з відеокамер. Однак у випадку неоцифрованих вихідних сигналів з відеокамер це неможливо, тому найпростішим рішенням є паралельний спосіб подання візуальної інформації (рис 5.9). У цьому випадку використовується кілька відеомоніторів, до кожного з яких підключена "своя" відеокамера – при цьому утворяться незалежні паралельні канали. По суті, це декілька найпростіших відеосистем, що працюють паралельно.

 

Рисунок 5.9 –Найпростіші відеосистеми, що працюють паралельно

 

Незважаючи на примітивність рішення, воно має ряд переваг, це:

– простота;

– вартість менша, ніж з використанням роздільника екрана або відеомультиплексора;

– інформація не губиться (немає оцифровування й перемикання відеокамер);

– висока живучість системи – при виході з ладу одного з каналів відеосистема в цілому не втрачає працездатності, спрощується діагностика її несправності (методом заміни).

Недоліки такі:

– кількість відеомоніторів (а виходить, і каналів) не повинна перевищувати 6...8 (для одного оператора);

– неможливо здійснювати відеозапис на всіх каналах одночасно за допомогою одного відеомагнітофона;

–за наявності тривоги увага оператора не привертається;

– при збільшенні числа каналів зростає займана відеомоніторами площа.

Отже, взагалі у відеосистемі має вирішуватися завдання подання інформації від декількох відеокамер на відеомонітори, кількість яких, як правило, істотно менше числа відеокамер (найчастіше, це один відеомонітор). Це завдання у відеосистемі вирішує пристрій обробки відеосигналів. В описаній ситуації до відеомонітора в певний момент часу може підключатися тільки одна з відеокамер, тому всі системи з центральним пристроєм обробки відеосигналів здійснюють комутацію відеокамер. Швидкість комутації каналів визначає принцип побудови й вихідні параметри відеосистеми; описані нижче пристрої використовують послідовний спосіб подання інформації оператору.

 

Відеокомутатори

Відеокомутатори (switchers) (рис 5.10) здійснюють комутацію відеокамер з досить низькою частотою (кілька секунд і навіть десятків секунд на канал). Вони найпростіші й найекономічніші пристрої обробки відеосигналів.

Рисунок 5.10 – Відеокомутатори

 

Характерною рисою відеокомутаторів є так званий неконтрольований час (рис 5.11): поки здійснюється відеоспостереження однією відеокамерою, сигнали з інших відеокамер на відеомонітор не надходять.

 

Рисунок 5.11 – Діаграма перемикання відеокамер

 

Цей неконтрольований час може бути досить істотним. Наприклад, якщо час спостереження кожної з відеокамер установлено 5 секунд (а за менший час оператору взагалі неможливо встигнути що-небудь розгледіти), то при циклічному автоматичному перемиканні, наприклад, 12 входів відеокомутатора, неконтрольований час становить 55 секунд. Тобто відеокомутатор знову вертатиметься до розгляду ситуації в контрольованій зоні через кожні 55 секунд – за цей час на об'єкті може відбутися багато подій.

Для полегшення роботи оператора деякі відеокомутатори містять входи тривоги (за кількістю відеовходів, а їх може бути від 2 до 20). При спрацьовуванні відповідного охоронного датчика на екрані відеомонітора з'являється зображення тривожної зони, звучить зумер, включається відповідний світлодіод. При одночасному спрацьовуванні декількох датчиків тривожні зони відображаються по черзі відповідно до обраного часу спостереження.

Деякі відеокомутатори мають можливість одночасно з відеосигналами перемикати й аудіосигнали. Крім того, існують відеокомутатори з дистанційним керуванням (для організації багатопостової системи). Що стосується відеокомутаторів, які програмуються за екранним меню (вхідний опір, час спостереження, що відображаються по тривозі зони та ін.), то з’ясовується, що цей клас приладів навряд чи зможе бути популярним, оскількив цьому випадку зникає основна перевага відеокомутаторів – їх економічність.

Перевагами відеокомутаторів є:

– простота обслуговування;

– збереження якості зображення, викликаного оцифровуванням;

– можливість використання відеомоніторів невеликого розміру.

Недоліки відеокомутаторів:

– наявність неконтрольованого часу;

– при безперервному перемиканні каналів оператор стомлюється;

– неможливо здійснювати відеозапис усіх каналів одночасно за допомогою одного відеомагнітофона.

Для використання у великих відеосистемах застосовуються так звані матричні відеокомутатори – вони можуть складатися з нарощуваних модулів, утворюючи систему, наприклад, з 512 відеовходів і 64 виходів, що комутуються довільно від декількох клавіатур на різних постах. Основна перевага подібних пристроїв – виняткова гнучкість конфігурації (наприклад, інформація від відеокамер для поверхового перегляду обстановки в готелі або при спостереженні дорожньої обстановки на ділянках траси та інше може одночасно виводитися на екрани декількох відеомоніторів). Ще одне застосування матричного відеокомутатора – розміщення його на віддаленому об'єкті й дистанційне керування комутацією (при цьому відеосигнали з віддаленого відеокомутатора на основний відеокомутатор передаються по одному коаксіальному кабелю). Матричні відеокомутатори мають входи тривоги, вбудований генератор екранних написів, можливість роботи з комп'ютером.

 

Роздільники екрана

Роздільники екрана (рис 5.12)(іноді чомусь називаються квадраторами) призначені для одночасного (з погляду оператора) відображення на екрані відеомонітора зображень від чотирьох відеокамер (чорно-білих або кольорових). Перевага роздільників екрана полягає в тому, що при їх використанні практично немає втрати інформації на час перемикання відеокамер, що характерно відеокомутаторам.

 

 

Рисунок 5.12 – Роздільник екрана (квадратор)

Для відображення на екрані одного відеомонітора зображень від декількох відеокамер застосовується перетворення аналогових відеосигналів у цифрові коди з проміжним запам'ятовуванням їх у буферній пам'яті й подальшій вибірці цих кодів у заданій послідовності для цифро-аналогового перетворення. Таким чином у кожному полі сформованого в такий спосіб відеосигналу втримується інформація про чотири вхідні відеосигнали. Слід зазначити, що комутація відеокамер у цифрових пристроях обробки відеосигналів (роздільниках екрана, відеомультиплексорах) може здійснюватися не частіше, ніж з періодом частоти полів (20 мілісекунд).

Чотирьом сегментам на екрані відеомонітора відповідає чотири зони пам'яті роздільника екрана, відновлення яких може здійснюватися або послідовно (що простіше й дешевше), або паралельно.

У недорогих моделях роздільників екрана здійснюється циклічне опитування чотирьох відеовходів з частотою кадрового розгорнення (25 Гц для стандарту CCIR), подальшим оцифровуванням вхідних відеосигналів і запам'ятовуванням їх до наступного циклу відновлення інформації в пам'яті. Отже, на кожному вході частота відновлення дорівнює 6,25 Гц, що видно на зображенні у вигляді "строб–ефекту" об'єктів, що рухаються. У випадку використання несинхронізованих відеокамер період відновлення інформації збільшується на час очікування приходу кадрового імпульсу від наступної відеокамери. Помітна переривчастість у русі об'єктів на екрані створює дискомфорт оператору, приводить до втрати інформації.

У роздільниках екрана "реального часу" здійснюється паралельне оцифровування чотирьох вхідних відеосигналів, завдяки чому зображення виходить якіснішим, оператор менше стомлюється.

Роздільники екрана можуть бути кольоровими або чорно-білими.

Якість зображення, одержана за допомогою роздільника екрана, тим вище, чим більший обсяг пам'яті приладу, призначеного для зберігання необхідної кількість елементів зображення (піксель) і кількості градацій яскравості. Наприклад, прилад з пам'яттю 1024 х 512 піксель краще, ніж прилад з пам'яттю 625 х 512 пікселів, 256 градацій яскравості дозволяють передати природніше зображення, ніж 64 градації яскравості.

Важливим параметром роздільників екрана є наявність входів тривоги – при спрацьовуванні відповідного датчика на весь екран виводиться зона з тривогою, звучить зумер.

Роздільники екрана, які мають роздільне регулювання рівня відеосигналу на кожному вході, дозволяють під час монтажу й настроювання охоронної відеосистеми домогтися однакової контрастності світіння кожного з сегментів на екрані відеомонітора, що комфортніше для оператора (сигнали від різних відеокамер, пройшовши по кабелях різні відстані, істотно відрізняються своїми амплітудами).

Крім одночасного відображення чотирьох зображень, роздільники екрана дозволяють послідовно відображати на відеомоніторі повноекранні зображення (вручну або автоматично послідовно) – варіант використання приладу в режимі відеокомутатора.

У разі необхідності спостерігати за допомогою одного приладу зображення більш ніж від 4-х відеокамер, може використовуватися так званий двосторінковий роздільник екрана (рис 5.13) (8 відеовходів, що комутуються групами по 4). Однак у цьому випадку з'являється так званий неконтрольований час для відеокамер, які в цей момент не включені для спостереження.

 

Рисунок 5.13 – Двосторінковий роздільник екрана

 

Кращі результати може дати використання двох паралельних відео систем (рис 5.14) (у кожної свій роздільник екрана й свій відеомонітор).

Роздільники екрана можуть мати такі функції:

– можливість повноекранного відображення;

– електронне збільшення;

– запам'ятовування останнього (перед зниканням) зображення;

– можливість послідовного автоматичного перемикання;

– наявність входів датчиків тривоги;

– тривога при зниканні відеосигналу;

– наявність вбудованого детектора руху;

– вихід контактів реле тривоги;

– можливість регулювання рівнів вхідних відеосигналів;

– можливість дистанційного керування;

– вбудований текстовий генератор;

– блокування доступу.

 

 

Рисунок 5.14 – Використання двох паралельних відеосистем

 

Головним недоліком роздільників екрана є те, що вони не дозволяють одержати відеозапис прийнятної якості (вихідний сигнал піддається цифровій обробці, що знижує роздільну здатність) і, крім того, на кожне з 4-х зображень доводиться у два рази менше елементів розкладання й по горизонталі, і по вертикалі, ніж при повноекранному відображенні. Слід зазначити, що для чіткого спостереження одночасно чотирьох зображень на екрані відеомонітора, розмір його має бути середнім й навіть великим.

 

 

Відеомультиплексори

Основне призначення відеомультиплексорів (рис 5.15)– організація відеозапису з мінімальними втратами сигналів від декількох відеокамер на один охоронний відеомагнітофон. Досягається це тим, що відеомультиплексор формує на своєму виході мультиплексований відеосигнал, що одержується перемиканням відеокамер з частотою полів (якщо підключити відеомонітор до цього виходу відеомультиплексора, на екрані побачимо миготливі зображення від підключених відеокамер).

 

Рисунок 5.15 – Відеомультиплексор

 

Отже, на відеомагнітофон з відеомультиплексора надходять з частотою полів відеосигнали (рис 5.16), що відповідають повноекранному відображенню – у цьому полягає основна перевага відеомультиплексорів перед роздільниками екрана (у яких відеосигнал відповідає квадровому відображенню, тобто в 4 рази меншому числу пікселів на канал). Зрозуміло, що чим більше входів у відеомультиплексора, тим більше часу між звертаннями до кожної відеокамери, а виходить, тим сильніше виявляється "строб-ефект". Наприклад, якщо підключено 16 відеокамер, то час між звертаннями до кожного каналу дорівнює 0,3 сек, що близько до того, коли рухоме зображення сприймається як суцільне.

 

 

Рисунок 5.16 – Частота проходження полів

 

Варто врахувати, що реально у відеомультиплексорах час комутації істотно більший зазначеного. Причиною цього є те, що відеосигнали можуть приходити несинхронізованими, і для того щоб уникнути перекручувань у більшості відеомультиплексорів, додається пауза у два–три поля (на гарантоване завершення попереднього поля) – звідси помітна переривчастість зображень, що рухаються, на екрані (так званий "строб-ефект" (рис 5.17)).

 

 

Рисунок 5.17 – Виникнення строб-ефекту

 

Дана проблема вирішена у відеомультиплексорах, що використовують функцію PVP (Parallel Video Processing) – паралельне використання двох відео- процесорів (рис 5.18), що по черзі підключаються до парних і непарних входів приладу. Завдяки цьому звертання до кожного каналу відбувається дійсно на частоті полів, а виходить, і запис здійснюється з меншою втратою інформації.

 

 

Рисунок 5.17 – Паралельне використання двох відеопроцесорів

 

При заданому числі відеовходів, що комутуються, підвищення інформативності окремих каналів може досягатися тільки за рахунок зменшення інформативності каналів, що залишилися, інакше кажучи, перерозподілом потоків відеоінформації. Тобто, для прискорення відновлення інформації порядок комутації каналів може змінюватися (при спрацьовуванні зовнішнього датчика тривоги або вбудованого детектора руху); у цьому випадку можливі режими:

– пріоритетний (рис 5.19)(перемикання каналів відбувається не по черзі – до каналу з тривогою звернення іде частіше, щораз після звертання до чергового каналу);

 

 

Рисунок 5.19 – Пріоритетний режим

 

– ексклюзивний (рис 5.20) (відображаються тільки канали з тривогою).

 

Рисунок 5.20 – Ексклюзивний режим

 

Більше того, деякі відеомультиплексори заздалегідь вказують порядок перемикання каналів, причому може бути кілька звертань до пріоритетних відеокамер протягом циклу незалежно від наявності режиму тривоги. Крім відеозапису відеомультиплексори використовуються для одночасного відображення сигналів від декількох відеокамер, але істотно перевершують щодо цього роздільників екрана як за кількістю одночасно відображуваних відеокамер, так і за формою їх подання. За функціональними можливостями відеомультиплексори поділяються на три типи:

– симплексні – дозволяють відображати мультисценове зображення в певний момент тільки в одному режимі, наприклад, при спостереженні (запис у цей час не здійснюється);

– дуплексні (забезпечують відеозапис на одному відеомагнітофоні з одночасним відеоспостереженням у мультисценовому режимі або переглядом записаного з іншого відеомагнітофона на додатковому відеомоніторі);

– триплексні (на екрані відеомонітора одночасно можуть відображатися мультисценові зображення, які спостерігаються й відтворюються з відеомагнітофона).

Відеомультиплексори випускаються на 4, 8, 9, 10 і 16 входів; крім того, деякі виробники випускають відеомультиплексори, що поєднують у собі функції матричного відеокомутатора, що наростили до 32 входів (5 виходів). Відеомультиплексори можуть мати два виходи на відеомонітор: аналоговий і цифровий. За наявності у відеосистемі декількох відеомультиплексорів вони можуть керуватися від однієї клавіатури через інтерфейс RS–485.

Відеомультиплексори можуть бути кольоровими або чорно-білими. Вони характеризуються такими параметрами:

– формат мультисценового відображення (наприклад, 2 х 2, 3 х 3, 4 х 4, кадр у кадрі та ін.);

– кількість пікселів (720 х 576 краще, ніж 512 х 512);

– кількість градацій яскравості (наприклад, 256 – чим більше, тим природніше зображення);

– частота відновлення (50 Гц краще, ніж 25 Гц – менший строб-ефект);

– частота вибірок (16 Мгц краще, ніж 13,5 Мгц – при цифровій обробці зберігаються дрібні деталі);

– електронне збільшення;

– запам'ятовування останнього (перед зниканням) зображення;

– стоп-кадр;

– можливість послідовного автоматичного перемикання;

– тривога при зниканні відеосигналу;

– вихід контактів реле (спрацьовування від вбудованого детектора руху);

– вбудований текстовий генератор;

– блокування доступу;

–дистанційне керування від клавіатур декількома відеомультиплексорами, а також поворотними пристроями;

– дистанційне програмування (у тому числі й за модемом);

– заборона на виведення сигналу від однієї з відеокамер на екран (наприклад, для конфіденційного запису дій охорони).

Відзначимо, що відеомультиплексори, як правило, мають так званий наскрізний відеопрохід (або відеопетлю), тобто пристрій узгодження коаксіального кабелю з кінцевим резистором 75 Ом, що відключається:

– механічно вручну;

– механічно автоматично (при підключенні байонетного роз’єму);

– програмно.

Це гарантує відсутність перекручувань, викликаних непогодженістю кабелів.

Пристрої відеозапису

 

Охоронні відеомагнітофони

Охоронні відеомагнітофони призначені для реєстрації подій, що контролюються відеосистемою. Їх основна відмінність від побутових відеомагнітофонів:

– тривалий час відеозапису на стандартну 3-годинну відеокасету (від 3-х годин до 24-х годин, і навіть до 960 годин),

– наявність входу для підключення датчика тривоги (часто, для роботи на замикання, що варто мати на увазі).

Слід відзначити, що, мабуть, найзручнішими є відеомагнітофони на 24 години (доба – період роботи однієї зміни охорони). Однак, як правило, технічні характеристики й функціональні можливості у відеомагнітофонів, що розраховані на 960 годин, вищі. При цьому час оновлення зображення в 24- годинному режимі становить 0,32 с, у той час як у режимі 960 годин – 12,8 с (при записі сигналів від декількох відеокамер з використанням відеомультиплексора ці цифри необхідно помножити на кількість підключених відеокамер).

Час запису звуку у відеомагнітофонах звичайно не перевищує 24-х годин, хоча у відеомагнітофонів "real time" воно може досягати 40 годин. Відзначимо, що тривалий запис в охоронних відеомагнітофонах досягається двома технічними прийомами:

– переривчастий режим просування стрічки (time–lapse) – строб-ефект помітний;

– уповільнений режим руху стрічки (real time) – 17 кадрів у секунду замість 25, що в деяких режимах малопомітно.

Як вказувалося, однією з особливостей охоронних відеомагнітофонів є наявність входу сигналу тривоги, що дозволяє при спрацьовуванні зовнішнього датчика тривоги перейти на якісніший відеозапис (наприклад, в 3-годинному режимі). Роздільна здатність – одна з основних характеристик відеомагнітофонів (у чорно-білому режимі вона становить 320...400 ТВЛ, у кольоровому – 210...400 ТВЛ, цифровий відеомагнітофон забезпечує 520 ТВЛ).

Сучасні охоронні відеомагнітофони мають такі функціональні можливості:

– ручка "Jog&Shuttle" забезпечує зручність і оперативність керування відеомагнітофоном;

– швидкісне перемотування, а також швидкий старт зменшують імовірність пропуску важливих подій;

– генератор час/дата дозволяє відновити хронологію подій, що відбулися;

– запис на таймері забезпечує автоматичне керування відеомагнітофоном протягом тривалого часу;

– екранне меню полегшує програмування приладу, дозволяє одержати важливу службову інформацію;

– автоматичний перезапис – режим, коли стрічка, пройшовши до кінця, зупиняється, потім автоматично перемотується в початок, а потім автоматично починається новий цикл відеозапису (у цьому випадку старий запис губиться);

– однократний запис – запис на спрацьовування зовнішнього датчика (і якщо він не спрацьовує протягом певного часу, однаково відбувається запис одного кадру та ін.) – у такому режимі на одну відеокасету можна записувати протягом року, наприклад, відвідувачів офісу;

– контроль запису – функція, при ініціалізації якої стрічка автоматично перемотується небагато назад, здійснюється перегляд записаного, після чого запис відновлюється;

– контроль якості запису (безперервний моніторинг записаного, щоб вчасно сигналізувати про несправність відеомагнітофона, необхідність очистити відеоголовки та інше і тим самим виключити зникнення цінної інформації);

– автоматичне очищення відеоголовок – здійснюється при кожному циклі завантаження відеокасети;

– запис через сигнал тривоги – перехід у запрограмований часовий режим при спрацьовуванні датчика тривоги;

– пошук сигналів тривоги – при виконанні цієї функції стрічка рухається в заданому напрямку й зупиняється в місці виявлення першого зустрінутого запису з сигналом тривоги;

– сканування сигналів тривог – при виконанні цієї функції стрічка рухається в заданому напрямку до виявлення першого запису з сигналом тривоги, здійснюється відтворення цього місця протягом 5 с, потім стрічка знову рухається, відшукується наступний запис з сигналом тривоги та ін.;

– пошук за часом і датою – функція, корисна при аналізі подій, що відбулися;

– каскадний запис – кілька відеомагнітофонів включаються так, що при закінченні стрічки на першому відеомагнітофоні відбувається автоматичне включення на запис другого відеомагнітофона та інше – функція може використовуватися на віддалених об'єктах, що не охороняються;

– покадровий перегляд забезпечує покадрове просування стрічки вперед або назад для докладнішого перегляду запису;

– відтворення у зворотному напрямку допомагає відшукати подробиці, що відбулися;

– блокування доступу (виключають випадкове або свідоме припинення запису або його стирання);

– контроль зникнення відеосигналу;

– таймер відпрацьованого часу дозволяє робити висновок як про час експлуатації відеомагнітофона, необхідність проведення регламентних робіт, так і фактичне використання відеомагнітофона, наприклад, за останню добу (за часом обертання відеоголовок);

– збереження настроювань після вимикання напруги живлення протягом тривалого часу (до року);

– повернення до режиму запису після того, як напруга живлення зникла, а потім відновилася;

– установка переходу на літній час (ручна або автоматична), щоб виключити помилки при роботі з таймером;

– наявність наскрізного відеопроходу навіть при вимиканні напруги живлення;

– сигнал закінчення стрічки у вигляді зумера й перепаду напруги на клемах – як джерело нагадування оператору про необхідність замінити відеокасету;

– можливість підключення дротового пульта дистанційного керування;

– роз’єм дистанційного керування шини RS–232 або RS–485 для керування від комп'ютера;

– можливість запису аудіосигналу або звуку з мікрофона.

Отже, охоронний відеомагнітофон може переходити в режим запису в таких випадках:

– при натисканні відповідної кнопки на передній панелі;

– при натисканні кнопки на пульті дистанційного керування;

– при надходженні сигналу запису на роз’єм дистанційного керування;

– за сигналом вбудованого таймера;

– за сигналом зовнішнього таймера;

– за сигналом датчика тривоги;

– по закінченню стрічки в режимі автоматичного перезапису;

– при відновленні напруги живлення;

– за сигналом однократного запису.

Крім звичайного режиму відтворення й стоп-кадру в охоронних відеомагнітофонах є такі режими:

– прискорене відтворення в прямому й зворотному напрямку;

– покадрове відтворення в прямому й зворотному напрямку;

– пошук і відтворення місця, записаного через сигнал тривоги.

Для надійної експлуатації відеомагнітофонів використовуються спеціальні аксесуари. Зокрема, в охоронних відеомагнітофонах рекомендується використовувати спеціальні відеокасети, розраховані на тривалий строк зберігання, на більшу кількість циклів перезапису без втрати якості, стійкі до механічних впливів, до розтягування й стирання (що особливо важливо у відеомагнітофонах time-lapse). Відзначимо, що побутові відеокасети витримують не більше 10 циклів запису/відтворення з прийнятною якістю.

Щоб виключити несанкціоноване керування відеомагнітофоном, у ньому є блокування доступу; крім того, існують спеціальні сейфи для відеомагнітофонів. Для підтримки на посту охорони чіткого порядку виконання відеозаписів, може використовуватися спеціальна розподільна шафа для відеокасет. Для одержання хорошої якості відеозаписів варто використовувати пристрій розмагнічування відеострічки (перед черговим записом). Використання спеціальних пристроїв для зворотного перемотування стрічки зменшує зношування відеомагнітофона.

Один з простих способів оцінки якості відеомагнітофона – переведення його в режим стоп-кадру й на екрані відеомонітора оцінити якість нерухомого зображення.