Телевизионные камеры с докоммутационным усилением

Для получения изображения с высокими параметрами при очень низкой освещённости объекта представляется перспективным использовать предварительное усиление яркости изображения (или усиление сигнала).

В специальной технике для этого используются электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

Такие преобразователи широко используются в приборах ночного видения и насчитывают уже более 4 поколений.

Схема ЭОП 2-го поколения с микроканальной пластиной, его внешний вид и полученное с его помощью изображение. Усиление такого ЭОП по яркости достигает 4*10⁴, разрешение до 30 лин/мм, диаметр фотокатода 25мм, следовательно агрегатное разрешение пти сочетании с камерой до 1200 TVL

Конструкция EB CCD (с электронной бомбардировкой) позволяет установить вместо катодолюминесцентного экрана электронночувствительный ПЗС- или КМОП сенсор.

Таким образом прибор позволяет исключить дополнительные фотонные шумы преобразования на люминесцентном экране ЭОП, и потери чёткости при переносе светового изображения с экрана на сенсор телевизионной камеры.

Сенсоры, чувствительные в среднем ИК- диапазоне SWIR (Shortwave Infrared)

Новое поколение телевизионных камер для ночного видения, разработанных американской оборонной промышленностью, поступает в коммерческий оборот.

В их основе ПЗС-сенсор из InGaAs, с чувствительностью в диапазоне коротких инфракрасных волн SWIR (shortwave infrared) от 0,9 до 1,7 мкм. В этом диапазоне его чувствительность в разы выше чувствительности кремниевого сенсора.

Это пассивные приборы, хотя и могут работать с инфракрасной подсветкой. Их основное преимущество в повышении дальности наблюдения при низкой прозрачности атмосферы, вызванной дымкой, лёгким туманом. В SWIR-диапазоне рассеивается меньше энергии частицами, взвешенными в атмосфере.

В этом диапазоне стекло ещё прозрачно, поэтому можно использовать стеклянные объективы.

Выпускаются приборы с охлаждением термоэлементом Пельтье и без охлаждения.

 

14. Охлаждаемые и неохлаждаемые тепловизоры. Сравнение.

 

Современные тепловизоры построены на так называемых фокальных или «пристально смотрящих» матрицах. Это означает, что в них отсутствует система оптико-механического сканирования.

Однако, физический принцип преобразования теплового излучения в видеосигнал может быть различным, соответственно чему достигаются те или иные характеристики.

Основные типы приёмников:

Ø фотодиоды из различных материалов.

Ø плёночные кремниевые микроболометры,

Ø пироэлектрические приёмники излучения (ППИ)

ОХЛАЖДАЕМЫЕ ПРИЁМНИКИ

Современные фокально-плоскостные матрицы ИК-фотодиодов могут быть выполнены на основе различных материалов – халькогенидов свинца (PbS, PbSe), соединения кадмий-ртуть-теллур – HgCdTe (КРТ), антимонида индия (InSb), силицида платины (PtSi), примесных кремния (Si:x) и германия (Ge:x).

Охлаждение InSb, КРТ и QWIP матриц осуществляется встроенными микрокриогенными установками замкнутого типа по схеме Сплит-Стирлинга, причём, если технология охлаждения матриц КРТ до температуры жидкого азота (77К) освоена и не представляет технической сложности, то в случае приёмников QWIP охлаждение до более низких температур создаёт весьма ощутимую проблему.

Особенностью тепловизионных приборов на охлаждаемых приёмниках, как высокотехнологичных устройств, является небольшой ресурс работы. В лучшем случае он составляет лишь единицы тысяч часов непрерывной работы.

Ресурс и надёжность этих устройств определяется уровнем производства. При этом особенно важным является проведение всех процедур стандартизации, входного и выходного контроля комплектующих, периодические, серийные и другие испытания, проводимые по жёстким методикам.

НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ ПРИЁМНИКИ

Технология создания болометров микроболометров (VOx) за рубежом была разработана Honeywell в середине 1980-х годов по контракту с US Department of Defense.

Затем с 1990-х этой технологией располагают компании Raytheon, Flir, BAE Systems, L-3 Communications, DRS Technologies, Infrared-Vision Technologies Corp., NEC, Institut National d'Optique (INO), ULIS.

Каждый отдельный пиксель представляет собой термистор поднятый на высоту нескольких мкм над кремниевой подложкой, с которой он соединяется двумя тонкими электропроводящими «ногами» – контактами с низкой теплопроводностью.

Чтобы уменьшить конвекцию откачивают воздух (определяет ресурс работы прибора).

При нагревании элемента сопротивление моста изменяется, что и обнаруживается чувствительными измерительными схемами в реальном времени.

 

15. Преимущества тепловизоров в охранных системах.

 

ТЕПЛОВИЗОР И АНАЛИТИКА

Свойства тепловизионного изображения существенно облегчают анализ видеоконтента. Интеграция тепловизора с системой видеоаналитики даёт мощный синергетический эффект.

В результате объединения преимуществ такого сигнала и такой его обработки становится возможным решение двух нетривиальных задач.

Первая из них - создание виртульного периметра с функцией раннего обнаружения подготовки к вторжению на охраняемую территорию распределённых объектов с высокими параметрами вероятности обнаружения и времени наработки на ложные тревоги близкими к аналогичным параметрам традиционных средств охраны периметра.

Тепловизоры позволяют создать виртуальный периметр с функцией раннего обнаружения подготовки к вторжению на охраняемую территорию распределённых объектов с высокими параметрами вероятности обнаружения и времени наработки на ложные тревоги близкими к аналогичным параметрам традиционных средств охраны периметра.

Видеоаналитика успешно справляется с задачей обнаружения, при этом интеграция такого виртуального рубежа с СФЗ проста и экономична.

Преимущества

• Простота интеграции с существующей сетью безопасности СФЗ

• Экономичность. Тепловое ограждение обойдется дешевле, чем установка физического заграждения. Меньше тепловизоров, чем телекамер

• Защита труднодоступных зон. Обычно с помощью теплового ограждения можно легко обеспечить защиту зон, которые невозможно оградить по экономическим, экологическим или логистическим причинам.

• Низкая совокупная стоимость владения.

• Снижение количества ложных тревог из-за высокой контрастности теплового видеоизображения и специальных алгоритмов анализа видеоизображений,

• Легкость модификации и расширения

Вторая нетривиальная задача – выделение аномального поведения субъектов в зоне контроля. Поскольку субъекты, обнаруживаемые тепловизором чаще всего живые люди, то селекция на фоне помех происходит в таком случае автоматически на раннем этапе анализа видеоконтента.

Задачей испытания был анализ на предмет формирования тревоги по тепловизионному изображению ситуации перехода людей через железнодорожное полотно в поле зрения камеры. Остановка субъекта на путях более 3 секунд считалось тревожной ситуацией и маркировалась рамкой. Причём рамка оставалась в кадре и после выхода объекта из поля зрения до снятия тревоги. Такая маркировка позволяла выделить как тревожное событие движение объекта по аномальным скоростным параметрам.

Сочетание тепловизора с видеоаналитикой открывает широкие возможности для автоматизации наблюдения и оценки обстановки на охраняемом объекте, даёт оперативный выигрыш во времени для реализации ответных мер

 

16. Виды искусственного освещения на охраняемом объекте.

 

Если основываться на реальных значениях чувствительности камер охранного телевидения (от десятых долей Лк до десятков Лк), то ясно, что далеко не всегда имеется достаточная освещённость сцены для получения полного, максимально информативного сигнала.

А значит в тёмное время суток на местности на удалении от крупных городов или в населённых пунктах, где нет светового загрязнения, на участках затенённых зданиями, деревьями, а тем более в помещениях требуется дополнительное освещение.

По терминологии СНиП 23-05-95 искусственное освещение подразделяется на рабочее, дежурное, аварийное и охранное

Если на объекте производится работа, требуется рабочее освещение и его частный случай - местное освещение рабочих мест. Параметры рабочего освещения нормируются по разряду производимой зрительной работы.

В нерабочее время в производственных помещениях, требующих периодического осмотра пожарной или военизированной охраной, устраивается дежурное освещение, область применения, величины освещенностии требования к качеству для которого не нормируются.

Аварийное освещение – подразделяется на:

освещение безопасности, для завершения рабочих процессов в размере 5 % освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 Лк внутри зданий и не менее 1 Лк для территорий;

эвакуационное освещение 0,5 на лестницах, 0,2 Лк на открытом пространстве, допустимая неравномерность 1:40.

При необходимости часть светильников рабочего или аварийного освещения может использоваться для дежурного освещения.

Охранное освещение подразделяется на:

• основное охранное освещение -

• входы в помещения, хранилища, КПП, причём уровень освещения выбирается точно так же как для рабочего освещения, по разряду производимой работы (например, вскрытие помещений, досмотр автотранспорта);

• визуальный контроль всей охраняемой территории и периметра (не менее 0,5 Лк), причём должны освещаться объекты наблюдения, расположение же часового или маршрут его движения должен быть затемнён;

• резервное охранное освещение, уровень 50% от уровня основного охранного устраивается в КПП, серверной, комнате охраны;

• дополнительное охранное освещение (не нормируется) при плохой видимости или при нарушении периметра.

По сути, дополнительное охранное освещение является тревожным, которое предназначено для следующих операций:

– дополнительного освещения участка территории охраны, на котором произошло тревожное событие, с целью повышения вероятности верификации тревоги как с помощью СОТ, так и визуально силами охраны;

– светомаскировки маршрута передвижения сил охраны, выдвигаемых на задержание нарушителя;

– создания дополнительной психологической нагрузки на нарушителя и его ослепление за счет повышения прямой блескости и формирования теневых зон, при этом направление прожекторов должно совпадать с направлением выдвижения сил охраны.

 

17. Проблема выбора источника света и светильника в охранных системах.

 

Требования к уровню освещённости.

Вероятность решения зрительной задачи оператором зависит от качества телевизионного изображения. В свою очередь качество изображения зависит от уровня видеосигнала и отношения сигнал/шум, что определяется освещённостью наблюдаемой сцены, коэффициентом отражения фона и/или объекта, светосилой применяемого объектива и значением чувствительности камеры.

В то же время, нельзя необоснованно увеличивать значения освещённости объекта и особенно периметра, поскольку затраты на освещение становятся непомерно велики, и такая система теряет экономическую эффективность.

Для того, чтобы получить необходимые уровни освещённости в конкретных условиях нужно пересчитать значения, указанные в каталогах в соответствие реальным коэффициентам отражения фона и/или объекта и светосилы применяемого объектива.

Для аналоговых камер формата ½” и ⅓” эти значения находится в интервале:

• от 0,5 Люкс (отношение сигнал/шум 40 дБ, светлый фон),

• до 6 Люкс (отношение сигнал/шум 50 дБ, тёмный фон), самые жёсткие условия.

Таким образом, для получения нормированного видеосигнала при высоком отношении с/ш потребуется освещенность от единиц люкс и выше.

Требования к неравномерности освещения.

Качество телевизионного изображения при неравномерном освещении определяется размахом световой характеристики сенсора камеры, зависящим от максимальной зарядовой вместимости потенциальной ямы и количества шумовых электронов.

Для аналоговых монохромных камер формата ½” и ⅓”, которые линейно передают градации яркости в диапазоне освещённостей не менее 40 дБ, можно считать допустимую неравномерность освещённости не более 1 порядка.

Требования к ракурсу освещения.

При соосном расположение осветителя и видеокамеры фон и проектирующийся на него объект освещены приблизительно одинаково, объект не имеет теней, контраст минимален.

Такое освещение называют «плоским»

Расположение источников света под углом от 30º до 60º к визирной оси видеокамер позволяет наблюдать объект во-первых на фоне, освещенном иначе, а во-вторых наблюдать с объемным градиентом яркости. Контраст максимален. «Моделирующее» освещение.

Требования к взаимному расположению видеокамер и источников света.

Следует учитывать также помехи, которые могут создавать для видеокамеры насекомые, привлечённые светом.

Нежелательно близкое расположение видеокамер и светильников.

Аппаратная реализация

Необходимо выбрать источники света, светильники и способы управления охранным освещением

Источники света для светильников системы охранного освещения выбирают по следующим требованиям:

· Высокая световая отдача.

· Длительный срок службы.

· Спектральный состав излучаемого света, соответствующий спектральной чувствительности камеры.

· Приемлемое время разгорания.

· Освоение отечественной промышленностью и включение в состав широкой номенклатуры световых приборов.

 

18. Управление направлением визирования и масштабом наблюдения.

 

Помимо стационарных камер в СОТ применяются дистанционно управляемые камеры (PTZ-cameras).

Они позволяют оператору поворачивать (Pan) и наклонять (Tilt) камеру, а также изменять масштаб (ZOOM).

Поворотные устройства.

Поворотные камеры занимают особое место в системах охранного телевидения. Использование поворотных камер позволяет решать задачу оперативного наблюдения на больших протяжённых участках снаружи и внутри помещений путем управления направлением визирования и масштабом.

Конструктивно поворотные устройства представляют собой основание, устанавливаемое на неподвижные опоры или кронштейны и подвижные платформы, способные поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных горизонтальной и вертикальной плоскостях (курс – тангаж или курс - дифферент) и приводимые в движение электродвигателями.

Профессиональные поворотные устройства, иначе называемые турелями или PTZ – устройствами, имеют высокие характеристики по нагрузке, скорости поворота, пределам панорамирования до 360º и наклона до ± 90º. Они могут направлять камеру выше линии горизонта.

Многие турели снабжаются датчиками обратной связи, что позволяет программировать препозиции (заранее выбранные направления визирования) и вызывать их по команде оператора или автоматически по тревожным сообщениям.

ZOOM- объективы

ZOOM – это дистанционно управляемый объектив-трансфокатор. Увеличение фокусного расстояния увеличивает масштаб, но сокращает угол поля зрения.

Оптические компоненты объектива-трансфокатора, приводятся в движение электродвигателями, как правило низковольтными. Некоторые трансфокаторы имеют функцию препозиции, т.е. заранее выбранные значения фокусного расстояния и положения фокустровки

 

Управляют такими телекамерами при помощи специальных контроллеров – аналоговых или цифровых.

Аналоговый контроллер непосредственно создаёт рабочие напряжения для поворотного устройства и объектива

Аналоговые контроллеры проще и дешевле, но во-первых имеют ограничение по дальности трассы управления за счёт омических потерь, а кроме того не могут быть интегрированы с другими средствами управления СОТ.

Цифровое управление предоставляет гораздо более широкие возможности. Управление на дальностях до 1,5 км возможно с помощью цифрового кода, который формируется контроллером как автономным, так и входящим в состав центрального оборудования, а также возможно виртуальное управление.

Многофункциональные клавиатуры цифрового управления обычно имеют пропорциональный джойстик, поворот которого управляет трансфокатором. Они позволяют задавать препозиции и реализовывать целый ряд дополнительных команд

 

19. Скоростные поворотные камеры. Из функции, преимущества и тактика использования.

 

Интегрированные камеры

Существует отдельный класс камер, называемый различными фирмами производителями по-разному:

· Скоростные поворотные камеры

· Купольные камеры

· Роботизированные камеры

· Интегрированные камеры

· Dom-камеры

· SpeedDome

 

Интегрированные скоростные камеры сочетают в себе:

· собственно высококлассную камеру,

· объектив-трансфокатор с автофокусировкой,

· приемник цифровых сигналов управления,

· высокоточное поворотное устройство,

· встроенный источник питания,

· климатический кожух с блендой.

 

Применение скоростных поворотных камер позволяют решить целый ряд оперативных задач, недоступных для устройств позиционирования, и при оптимальной установке заменяют до 7-10 стационарных камер.

Основой камеры является модуль камеры с ZOOM-объективом, который снабжён системой автофокусировки. Кратность оптического увеличения достигает 32* и более.

Возможности оператора

Установка препозиции: запись в памяти камеры координат (положения камеры) и состояния трансфокатора.

Вызов препозиции: установка камеры в предопределенную заранее позицию.

Обход по препозициям: циклический обход телекамеры по заранее заданным позициям. Список препозиций может корректироваться

Авто панорама: вращение камеры в горизонтальной плоскости в пределах заданной области. Область сканирования задаётся электронными упорами

Запись тура А: произвольная запись последовательности поворотов и работы трансфокатора. Программируется в ручную.

Воспроизведение А: воспроизведение записанного тура А

 

20. Критерии решения задач охранного телевидения.

 

Фокусное расстояние объектива совместно с форматом сенсора камеры определяет масштаб изображения и угол поля зрения камеры.

Чем крупнее мы видим, тем меньше угол поля зрения, чем больше угол поля зрения, тем мельче масштаб.

• короткий фокус – мелкий масштаб и широкий угол поля зрения

• длинный фокус – крупный масштаб и узкий угол поля зрения

В балансировке этих противоречивых требований и заключается искусство выбора формата камеры и объектива.

Исследования Джонсона и Бейли помогли связать вероятность решения зрительной задачи с нормированной пространственной частотой (в TVL) для изображения «критического размера объекта».

Для объектов бронетанковой техники определение критического размера не представляет сложности. Для фигуры человека в качестве критического пытались использовать её фронтальную проекцию (ширина 0,6м)

Однако, критический размер изображения ростовой фигуры человека в различных положениях и ракурсах будет весьма неопределенным, поэтому вводится понятие «эффективного размера объекта».

Эффективный размер ростовой фигуры человека получен статистически, он характеризует как размер фигуры, так и сложность её формы и равен 0,2 метра. Этими размерами характеризуются информационные признаки объекта, по которым оператор и принимает решение об обнаружении, опознавании или идентификации.

Приведённые цифры, конечно, зависят от контраста, прозрачности атмосферы, наличия помех.

Также следует принимать во внимание отвлекающие факторы – насыщенность другими похожими объектами поля зрения и др.

Поскольку эффективный размер в три раза меньше критического, то значение критерия решения зрительных задач с вероятностью 95% принимается следующее количество TVL, приходящихся на размер изображения эффективного размера объекта (0,2 м).

обнаружение 1-2 TVL,

опознавание 3-4 TVL,

идентификация 6-10 TVL.

 

21. Способы преодоления основного противоречия телевизионного наблюдения.

 

В первую очередь СОТ должна обеспечивать решение зрительной задачи, чем определяется необходимый масштаб наблюдения, и соответственно фокусное расстояние объектива.

Угол поля зрения при этом находится по соотношению:

Если угол поля зрения окажется больше, чем нужно (а всегда нужно стремиться к минимально необходимому углу поля зрения, чтобы уменьшить опасность паразитных засветок), то значит мы имеем запас по масштабу.

Если же угол поля зрения мал, то в запасе у проектировщика остаются следующие приёмы:

1. Оптимизация точки установки. Ведь практически важен не сам угол поля зрения, а линейное поле зрения на ближнем и дальнем конце сектора наблюдения. Поэтому удаление камеры от объекта (с соответственным увеличением фокусного расстояния для сохранения масштаба) иногда помогает поместить в один кадр достаточно удалённые друг от друга объекты наблюдения.

2. Приём панорамного изображения.

В ограниченном пространстве вместо одной камеры можно установить две или более. При этом поля зрения таких камер должны быть согласованы для отображения на соседних мониторах.

 

22. Выбор ракурса наблюдения.

 

Вероятность решения оператором системы телевизионного наблюдения зрительной задачи, зависит не только от качества изображения, определяемого детализацией, отношением сигнал/шум и контрастом изображения объекта, но и от того, где локализованы и как видны информационные признаки этого объекта.