Многие компоненты систем видеонаблюдения можно отнести к дополнительным. Некоторые из них понятны и просты в использовании, другие более сложны. Начнем с очень простого механизма — поворотного устройства.
Поворотные устройства
При заказе или проектировании системы видеонаблюдения сразу возникает вопрос: сколько телекамер будет входить в систему и какого типа — установленные фиксированно или на поворотном устройстве?
Фиксированные телекамеры устанавливаются на кронштейне, при этом используются объективы с фиксированным фокусным расстоянием, а телекамера «смотрит» только в одном направлении, не изменяя своего положения.
Альтернативой фиксированным телекамерам являются телекамеры, положение которых в пространстве можно изменять (с помощью поворотного устройства). Такая телекамера помещается на способную поворачиваться платформу, при этом обычно используются вариообъективы с сервоуправлением, так что весь комплекс может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, увеличивать изображение объектов и осуществлять фокусировку.
В терминологии видеонаблюдения телекамеры этого типа называются «PTZ-камерами». Возможно, более подходящим термином будет «PTZF-камера» (Pan/Tilt/Zoom/Focus), или еще более точно «PTZFI», так как в последние годы к существующим характеристикам добавилось еще управление диафрагмой.
Однако более распространен термин «PTZ-камера», и мы будем использовать именно этот термин для обозначения телекамеры, которая, кроме функций поворота, наклона и увеличения, обладает функциями фокусировки и дистанционного управления диафрагмой.
Типичное поворотное устройство, представленное на рис. 12.1, имеет боковую платформу, на которую устанавливается нагрузка (телекамера с вариообъективом в термокожухе). Существуют поворотные устройства с верхним расположением платформы, они отличаются по величине номинальной нагрузки, которая зависит от центра тяжести нагрузки. В случае поворотных устройств с боковыми платформами центр тяжести располагается ниже, это означает, что из двух типов устройств (при одинаковых электродвигателях и вращающем моменте) боковая платформа имеет большую номинальную нагрузку. Из этого не стоит делать выводов о том, что поворотные устройства с платформой сверху хуже, разница касается только номинальной нагрузки, которая в последние годы не является столь критичной, так как размеры телекамер, объективов и, соответственно, кожухов, становятся меньше. (Поворотные устройства с боковым размещением телекамеры обеспечивают угол поворота в обеих плоскостях около 360°, в то время как при верхнем размещении — в горизонтальной плоскости около 360°, а в вертикальной около 60°. Прим. ред .)
Рис. 12.1. Типичное поворотное устройство для уличных условий
С точки зрения применения выделяются два типа поворотных устройств:
— Наружные (используемые вне помещений);
— Внутренние (используемые внутри помещений).
Наружные поворотные устройства делятся на три категории:
— Большой нагрузки (нагрузка выше 35 кг)
— Средней нагрузки (нагрузка 10–35 кг)
— Малой нагрузки (нагрузка до 10 кг).
Сегодня, когда размеры и масса телекамер уменьшаются, происходит миниатюризация вариообъективов и кожухов, вряд ли вам понадобится сверхмощное поворотное устройство. Номинальная нагрузка устройств средней группы подойдет для большей части приложений.
Наружные поворотные устройства устойчивы к погодным воздействиям, они тяжелее и прочнее — ведь они несут более тяжелый кожух, а часто еще и дополнительные устройства, такие как блок омыватель/очиститель и/или инфракрасный осветитель.
Внутренние поворотные устройства используются только в условиях, защищенных от внешних факторов, особенно от дождя, ветра и снега. Внутренние поворотные устройства обычно меньше и легче, в большинстве случаев они попадают в третью категорию, то есть могут нести не более нескольких килограммов. Поэтому внутренние поворотные устройства часто изготавливают из литой пластмассы, и выглядят они более эстетично, чем уличные устройства.
В большинстве случаев типичным поворотным устройством управляют синхронные электродвигатели 24 В переменного тока. Бывают поворотные устройства с питанием от электросети (220/240 В АС или 110 В АС), но более популярны устройства 24 В АС — из-за фактора безопасности (напряжение меньше 50 вольт переменного тока для человека неопасно); к тому же они более универсальны, независимо от того, в какой системе видеонаблюдения они используются — европейской, американской или австралийской (В РОССИИ в помещениях с повышенной опасностью и особоопасных должно применяться переменное напряжение не выше 42 В. При наличии особо неблагоприятных условий должно применяться напряжение не выше 12 В. Преимущество использования напряжения 24 В — уменьшение влияния токовых петель на качество изображения за счет применения трансформаторов. Прим. ред .) . Большинство производителей выпускают приемники сигналов телеуправления с напряжением питания 24 В АС.
Рис. 12.2. Поворотное крепление с кронштейном, изготовленным по специальному заказу
Рис. 12.3. Внешняя телекамера на поворотном устройстве с приемником сигналов телеуправления, установленная на мачте
Скоростные поворотные камеры
Имеется и другое направление в области поворотных устройств, которые по их внешнему сходству с куполами называют как купольные поворотные устройства (Логичнее подобные функционально и конструктивно законченные приборы называть как скоростные поворотные камеры. Едва ли не главная черта этих устройств, в отличие от традиционных поворотных устройств, достаточно инерционных — это высокая скорость поворота, что обеспечивается за счет малой массы собственно телекамеры. Прим. ред .). Они работают так же, как и обычные поворотные устройства, но внутри куполов находятся и механизм поворотного устройства, и управляющая электроника. Заключенные в прозрачные или полупрозрачные сферы или полусферы, такие устройства выглядят вполне приемлемо даже в интерьерах, требующих эстетического подхода. В связи с миниатюризацией телекамер и объективов поворотные купола тоже становятся меньше в диаметре. Еще несколько лет назад можно было встретить скоростные поворотные камеры до 1 м в диаметре, а сегодня большинство устройств имеет всего 300–400 мм в диаметре.
Одна из главных проблем скоростных поворотных камер — это оптическая точность. Очень трудно полностью избавиться от искажений, особенно если прозрачная полусфера изготавливается стеклодувным методом. Лучшая точность достигается при использовании литых куполов, но они дороже. Более толстые полусферы вызывают больше искажений, особенно когда объектив увеличивает изображение.
Так что наилучшее оптическое качество имеют тонкие и литые полусферы.
Многие производители вместо того, чтобы связываться с изготовлением оптически неискажающих полусфер, концентрируют оптическую точность на тонкой вертикальной полоске на сфере, через которую «смотрит» телекамера, свободно наклоняясь вверх и вниз. При поворотах камера поворачивается вместе с куполом. Хотя это и разумное решение, но механически оно может быть проблемным — ограничивается скорость поворота.
Отметим также, что сферы могут быть прозрачными или нейтрально серыми. В прозрачных куполах перед объективом расположена внутренняя маска с оптически прозрачной областью, а остальная часть маски сделана из непрозрачного черного пластика. Темные купола (черные корпуса вариообъективов и телекамер) позволяют вести скрытое наблюдение. Часто просто невозможно понять, куда направлена телекамера, и это является одной из самых важных особенностей скоростных поворотных камер.
Тонированные полусферы обычно не имеют маски — весь купол прозрачен, но тонирован. В таких случаях для компенсации потери света важно знать F-число с учетом ослабления тонированной поверхности. Типичное значение ослабления составляет около одного F-числа, что соответствует 50-процентному ослаблению света. В современных ПЗС-телекамерах это не приводит к ухудшению качества изображения. Цвет корпуса телекамеры и объектива более критичен для этого типа куполов, так что если снаружи они выглядят чересчур навязчивыми, то черное матированное покрытие может минимизировать этот эффект. При окраске следует позаботиться о защите объектива, ПЗС-матрицы и разъемов.
Рис. 12.4. Типовая скоростная поворотная камера, содержащая собственно телекамеру, объектив с автоматической фокусировкой, поворотный механизм и приемник сигналов телеуправления
Рис. 12.5. Уличная скоростная поворотная камера
Предустановка позиции поворотных устройств
И, наконец, еще одна подгруппа поворотных устройств, которая выглядит также, как и остальные, но снабжена установочными переменными резисторами. Такие устройства называются поворотными устройствами с предустановками.
Переменные резисторы встроены в поворотное устройство и механически соединены с каждым электродвигателем. Их сопротивление составляет обычно порядка 1 кОм или 5 кОм, и они подсоединены к электронике приемника сигналов телеуправления (что обсуждается в следующей главе). К каждому резистору подводится низкое напряжение (обычно 5 В постоянного тока), а с его движка снимается напряжение (зависящее от угла наклона или поворота), благодаря чему конкретная позиция поворотного устройства может быть запомнена, а затем производится отработка к этому значению либо по введенной вручную команде, либо автоматически по сигналу тревоги.
Одним словом, когда приемник сигналов телеуправления получает команду перейти в предустановленную позицию, он заставляет электродвигатели вращаться (то же касается увеличения и фокуса) до тех пор, пока на переменных резисторах не будет достигнуто предустановленное значение напряжения. Например, если дверь защищена датчиком открывания дверей, мы можем заставить телекамеру автоматически поворачиваться в этом направлении, увеличивать изображение и фокусироваться на ранее зафиксированной позиции.
Число сохраняемых предустановок в блоке управления поворотным устройством (приемнике сигналов телеуправления) зависит от самой конструкции, но обычно оно равно 8, 10, 16, 32 или 64.
Очень важный вопрос: «Насколько точно может быть воспроизведена предустановленная позиция?». Это определяется механикой, электроникой, программным и аппаратным обеспечением. Точность предустановки особенно важна для очень быстрых поворотных камер. Ошибка в пару градусов может быть незамечена, пока объектив установлен на «zoom out» (уменьшение), но если изображение полностью увеличено, то разница будет огромной.
Заказывая поворотное устройство, вы должны определить, нужна ли вам функция предустановки позиции. Поворотное устройство с предустановочными переменными резисторами выглядит так же, как обычное устройство, так как резисторы находятся внутри устройства.
Рис. 12.6. Скоростная поворотная камера в Сиднее
Рис. 12.7. Почти все современные скоростные поворотные камеры имеют функцию предустановки позиции (preset)
Блоки управления поворотным устройством
Самый простой способ управления поворотным устройством с питанием 24 В АС — это просто подвести 24 В к одному из электродвигателей. Это значит, что при заранее определенном соединении управление поворотным устройством может быть достигнуто приложением определенного напряжения (для каждого из четырех направлений перемещения) относительно общего провода. Итак, пять проводов дадут нам полное управление типичным поворотным устройством. Для управления фокусировкой и трансфокатором требуется еще три провода (один для увеличения, плюс и минус, один для фокуса и один общий). Всего для так называемого PTZ-контроллера потребуется восемь проводов. Это самый дешевый способ управления телекамерой на поворотном устройстве, но для дистанционного управления с расстояния в пару сотен метров это непрактично.
В большинстве систем видеонаблюдения используется цифровое управление, для которого требуется лишь кабель витой пары, через который матричный видеокоммутатор обменивается информацией с несколькими PTZ-устройствами одновременно. Эти устройства часто называют PTZ-удаленными блоками управления, PTZ-декодерами и PTZ-приемниками управления (Представляется, что более удачное название — приемник сигналов телеуправления. Прим. ред .). Они представляют собой электронные устройства (рассмотренные в разделе о
матричных видеокоммутаторах), которые получают и декодируют команды, поступающие с пульта управления положением телекамеры: поворот, наклон, увеличение и фокус (иногда еще и диафрагма).
Как упоминалось ранее, производители, к сожалению, не выработали единого стандарта кодирования и интерфейсов, это означает, что приемник сигналов телеуправления одного производителя не может быть использован вместе с матричным видеокоммутатором другого.
В зависимости от конструкции приемника сигналов телеуправления могут контролироваться и другие функции: омыватель и очиститель стекла термокожуха, включение и выключение дополнительных устройств и пр. Эти устройства могут также подавать электропитание на телекамеру: либо 12 В постоянного тока, либо 24 В переменного тока.
Рис. 12.8. PTZ-контроллер для непосредственного управления объективом и электродвигателями поворотного устройства
Рис. 12.9. Типичный приемник сигналов телеуправления
Скорость перемещения поворотного устройства при использовании синхронных электродвигателей 24 В переменного тока (такие электродвигатели используются чаще всего) зависит от частоты сети электропитания, массы и передаточного отношения поворотного механизма. Типичная скорость поворота составляет 9°/с, наклона — 6°/с. Это связано с моментом вращения, необходимым для перемещения определенной нагрузки, которая обычно превышает 5 кг (телекамера + объектив + кожух). В некоторых конструкциях достигается большая скорость поворота, около 15°/с, благодаря уменьшению веса телекамеры и объектива и различным передаточным числам. Большинство поворотных устройств переменного тока, управляемых синхронными электродвигателями, имеют фиксированные скорости, так как они зависят от частоты сети.
Существуют усовершенствованные блоки управления поворотным устройством, в которых применяется искусственная частота, ниже или выше промышленной частоты. Для более тонкого управления используются малые скорости (при полном увеличении вариообъектива), а для быстрого реагирования в кризисных ситуациях — большие скорости. Пульт управления определяет нужную скорость, основываясь на времени, в течение которого нажат указывающий направление джойстик.
Еще большие скорости могут быть достигнуты, если используются шаговые двигатели постоянного тока и специально разработанные приемники сигналов телеуправления. В последние годы поворотные устройства стали еще более быстрыми, а скоростные поворотные камеры тем более — их скорость выше 100°/с.
Создание таких быстрых поворотных систем создает некоторые проблемы, требующие своего внимания: телекамера перемещается так быстро, что ею становится невозможно управлять вручную, или, по крайней мере, это становится неудобно; еще более критичными становятся механизм конструкции и его долговечность, так как возрастают силы инерции.
Если скорость поворота умножается на коэффициент трансфокации вариообъектива, то быстрое движение нам кажется еще более быстрым.
Итак, к управлению скоростными поворотными камерами требуется новый подход. Новые решения предлагаются в некоторых новых конструкциях, которые достигают скорости более 300°/с при точном позиционировании. Это достигается за счет увеличения электронной и механической точности. Существует большая разница между просто быстрой и быстрой и дружественной для пользователя системой. В дружественной системе при увеличении изображения происходит снижение скорости поворота/наклона, и увеличение скорости, когда изображение предметов мелкое, или при работе с предустановками скорость поворота большая (300°/с), а при ручном управлении скорость падает до 45°/с
Рис. 12.10. В скоростных поворотных камерах приемник сигналов телеуправления встроен в купол
Рис. 12.11. В больших купольных устройствах возможно использование комбинации различных систем телекамера/объектив
Работа с предустановками возможна только в тех случаях, когда используется приемник сигналов телеуправления с так называемой РР-электроникой. И понятно, поворотное устройство и объективы должны иметь встроенные предустановочные резисторы.
Перечислим провода между приемником сигналов телеуправления и поворотным устройством: 5 проводов для выполнения основных функций поворотов и наклона, как говорилось ранее (поворот влево, поворот вправо, наклон вверх, наклон вниз и общий), 4 провода для позиционирования в предустановленное положение (плюс питания переменного резистора, минус питания, обратная связь поворота и обратная связь наклона), три провода для функций трансфокатора и фокусировки (иногда потребуются 4, это зависит от типа вариообъектива) и 4 провода для предустановок трансфокатора и фокусировки. Всего требуется 16 проводов. Сечение проводов управления предустановками и проводов трансфокатора и фокусировки некритична, так как для этих функций нужен очень небольшой ток, но вот с проводами управления поворотом следует быть осторожнее — их выбор определяется характеристиками электродвигателей.
И не забудем упомянуть о том, что приемники сигналов телеуправления поворотным устройством обычно устанавливаются рядом с телекамерой. Этому есть две причины: практичность (не требуется длинный 16-жильный кабель) и проверка работы при установке и эксплуатации (необходимо контролировать, что делает поворотное устройство, когда на приемник сигналов телеуправления посылаются конкретные команды).
Однако, если того требует ситуация, приемник сигналов телеуправления может быть удален на пару сотен метров от телекамеры.
Рис. 12.12. Потолочная купольная камера
Кожухи телекамер
Кожухи используются для защиты телекамер от воздействия внешней среды и/или для маскировки направления видеонаблюдения.
Кожухи могут быть простыми в конструкции, установке и использовании, но они в равной мере могут влиять на качество изображения и срок службы телекамеры, если не защищают ее должным образом от дождя, снега, пыли и ветра, или если они низкого качества.
Кожухи бывают самых разных размеров и форм, в зависимости от применения телекамеры и ее длины. Раньше телекамеры с передающими трубками и вариообъективами были намного больше, и для них требовались кожухи длиной в 1 метр и массой более 10 кг. Сегодня ПЗС-телекамеры становятся все меньше, то же справедливо и в отношении объективов, и поэтому кожухи тоже становятся меньше.
Рис. 12.13. Типичный уличный кожух для телекамеры
В последние годы много внимания уделялось эстетике и функциональности кожухов, в частности, простоте доступа для обслуживания, скрытию кабельной подводки и подобным вопросам.
В наши дни, с уменьшением размеров телекамер, вместо традиционных кожухов часто используются тонированные купольные системы, которые гораздо лучше вписываются в интерьер помещений и прекрасно сочетаются с архитектурой зданий. Часто считается, что стекло кожуха не имеет большого значения, но если стекло неподходящего качества, то оптические искажения и спектральные ослабления могут повлиять на качество изображения. Другой важный фактор — это прочность стекла, необходимая для защиты телекамеры в требующей этого обстановке. Оптическая точность и однородность еще более критичны для купольных камер, так как в этом случае более заметно влияние оптической точности и искажения стекла (пластика) на качество изображения. Тонированные купола часто используются для маскирования направления визирования телекамеры. В случае тонированных куполов следует учитывать ослабление света. Обычно оно составляет порядка одного F-числа, что соответствует ослаблению света в два раза.
Многие кожухи имеют встроенный подогрев и вентилятор. Подогрев может понадобиться в районах с большой влажностью, где ожидается много льда и снега. Обычно для стандартного кожуха достаточно мощности подогревателя 10 Вт. Подогреватели могут работать от источников электропитания 12 В постоянного тока, 24 В переменного тока или даже от сети. Прежде чем подключать подогрев, следует проверить соответствие питающего напряжения. Ничего страшного не случится, если подогреватель, рассчитанный на 240 В (или даже 110 В) подсоединить к источнику напряжения 24 В (хотя вы не получите достаточного нагрева), но вот наоборот поступать не рекомендуется. Также избегайте примитивных импровизаций, не проделав расчетов, например, не стоит использовать последовательное соединение двух подогревателей на 110 В вместо одного подогревателя 240 В (110 + 110 = 220). Небольшая разница (240 В вместо 220 В) достаточна для выделения избыточного тепла и может привести к быстрому перегоранию подогревателя или даже вызвать пожар.
Если требуется установить подогреватель в уже смонтированный кожух, то можно довольно просто сконструировать подогреватель при помощи резистора в 30–50 Ом и номинальной мощности 20 Вт (для 24 В переменного тока). Для автоматического управления подогревом можно использовать термореле с нормально замкнутыми контактами, срабатывающие при низкой температуре. Не забудьте при этом, что телекамера, имеющая мощность потребления в пару ватт, тоже работает как подогреватель, и если используется маленький и герметичный кожух, то этого тепла может хватить на то, чтобы исключить влажность внутри кожуха. Однако для снежных районов необходим хороший подогреватель, расположенный близко к стеклу кожуха.
Рис. 12.14. Угловой вандалозащищенный кожух
Рис. 12.15. Важная характеристика кожуха — удобный доступ к телекамере
В районах с высокими температурами следует использовать вентиляторы, иногда их можно комбинировать с подогревателями. Источник электропитания для вентилятора может быть либо переменного, либо постоянного тока; следует выбирать вентиляторы хорошего качества, так как вентиляторы постоянного тока рано или поздно приведут к возникновению искр от вращения щеток, наводящих помехи на видеосигнал.
Итак, подогреватели и вентиляторы — это дополнительные заботы, но если вам все же приходится их устанавливать, то убедитесь в том, что вы правильно подали на них необходимое напряжение. Обычно они включаются и выключаются автоматически, в зависимости от понижения или повышения температуры, и не нуждаются в ручном управлении.
Если в систему предполагается добавить блок омыватель/очиститель, то потребуется специальный кожух. Специальный — потому что потребуется согласование между механизмом очистителя и окном кожуха. Следует отметить, что в случае использования блока омыватель/очиститель, приемник сигналов телеуправления должен иметь выход для управления этими функциями. Это может быть 24 В, 220–240 В или 110 В переменного тока. Другая проблема при использовании омывателя — всегда нужно проверять, что в емкости омывателя имеется достаточное количество чистой воды.
Кожухи и боксы (в которых размещают приемники сигналов телеуправления), подверженные воздействию окружающей среды, классифицируются по индексу защиты — IP-рейтингу. Эти числа определяют степень устойчивости к механическим воздействиям и различным уровням агрессивного воздействия пыли и влаги.
Большинство кожухов хорошо защищены от воздействия окружающей среды, но для некоторых специализированных систем может потребоваться еще более сильная защита. Системы, которые могут подвергнуться нежелательному вмешательству человека или механизмов, нуждаются в вандалозащищенных кожухах; в этом случае необходимо использовать специальное, небьющееся стекло (обычно лексан), а также специальные крепежные винты. Для дополнительной безопасности в систему могут быть добавлены тамперные датчики. В таком случае сигнал тревоги при вскрытии кожуха поступает в центр управления, обычно от приемника сигналов телеуправления — если в нем заложена такая опция.
И наконец, бывают пуленепробиваемые, взрывостойкие и подводные кожухи, но это редкие, специально разрабатываемые и очень дорогие приспособления. Поэтому мы не будем рассматривать их в этой книге, но если вам захочется узнать о них побольше, свяжитесь с местным поставщиком. (Отметим еще взрывобезопасные кожухи, допускающие их установку в помещениях, где категорически недопустимо искрообразование. Прим. ред .)
Рис. 12.16. Специализированный кожух с водяным охлаждением для температур до 1300 °C
Освещение в системах видеонаблюдения
Большинство систем видеонаблюдения с наружными телекамерами используют как естественные, так и искусственные источники света для улучшения условий наблюдения. Очевидно, что в системах для видеонаблюдения в помещении используются искусственные источники света, хотя в некоторых случаях освещение является смешанным, например, когда солнечный свет проникает в помещение сквозь окна.
Солнце — источник дневного света и, как ранее упоминалось, интенсивность света может меняться от 100 лк на закате до 100000 лк в полдень. Может меняться и цветовая температура солнечного света, она зависит от высоты солнца и атмосферных условий — наличия облачности, дождя, тумана и пр. Для чернобелых телекамер это не критично, но на работе цветной видеосистемы вариации освещенности будут сказываться.
Рис. 12.17. Распределение спектральной энергии различных источников света
Источники искусственного света делятся на три основные группы, в соответствии с их спектральной характеристикой:
— В первую группу попадают источники света, излучающие в процессе накаливания — это свечи, электрические лампы накаливания, галогенные лампы и др.
— Во вторую группу входят источники, излучающие вследствие прохождения электрического разряда через газ или пар — это неоновые, натриевые и парортутные лампы.
— Третья группа состоит из люминесцентных трубок, в которых газовый разряд излучает видимую или ультрафиолетовую радиацию внутри трубки, что вызывает свечение (в своей области спектра) электролюминесцентного покрытия внутренней поверхности трубки.
Источники света первой группы дают гладкий и непрерывный световой спектр, согласно формуле Макса Планка и законам излучения черного тела. Такие источники света подходят для черно-белых телекамер — благодаря соответствию спектров, особенно в левой части спектральной характеристики ПЗС-матриц.
Вторая группа источников света дает почти дискретные компоненты на конкретных длинах волн в зависимости от газа.
Третья группа дает более непрерывный спектр, чем вторая, но все же имеет и компоненты с определенными уровнями (только на конкретных длинах волн), которые, опять же, зависят от газа и типа люминесцентного покрытия.
Последние две группы очень коварны для цветных телекамер. Следует обратить особое внимание на цветовую температуру и возможности настройки баланса белого у используемых в таких случаях телекамер.
Инфракрасные осветители
В ситуациях, когда требуется видеонаблюдение ночью, можно использовать черно-белые телекамеры в комплексе с инфракрасными осветителями. Инфракрасный свет используется потому, что черно-белые ПЗС-камеры обладают очень высокой чувствительностью в инфракрасной и ближней инфракрасной области спектра. Это соответствует длинам волн больше 700 нм. Как уже упоминалось в начале книги, человеческий глаз может различать длины волн до 780 нм, причем чувствительность на длинах волн выше 700 нм очень слаба, поэтому мы говорим, что в среднем человеческий глаз видит до 700 нм.
Черно-белые ПЗС-матрицы в инфракрасной области спектра «видят» лучше, чем человеческий глаз.
Причина этого кроется в самой природе фотоэффекта (фотоны с большей длиной волны проникают глубже в структуру ПЗС-матрицы). Чувствительность в инфракрасной области спектра особенно высока у черно-белых ПЗС-матриц без инфракрасного отсекающего фильтра.
В системах видеонаблюдения используется несколько длин волн для инфракрасного освещения. Когда и какую из них использовать — это зависит, во-первых, от спектральной характеристики телекамеры (спектральная характеристика матриц различных производителей различна), и во-вторых, от задач и целей видеосистемы.
В галогенных осветителях используются два типичных значения длины волны: одно — начиная от примерно 715 нм и другое — от примерно 830 нм.
Если вы хотите, чтобы инфракрасное освещение было видимым, то лучше выбрать длину волны 715 нм. Если же необходимо вести скрытое ночное наблюдение, то следует использовать длину волны 830 нм (что окажется невидимым для человеческого глаза). (Реально невидимым является источник инфракрасного излучения с длиной волны более 940 нм. С увеличением длины волны падает радиус действия системы телекамера — ИК-осветитель. Прим. ред .)
Инфракрасные галогенные лампы бывают двух типов: 300 Вт и 500 Вт. Принцип их работы очень прост: галогенная лампа излучает свет (соответствующий по спектру характеристике абсолютно черного тела), который затем проходит через оптический пропускающий фильтр, блокирующий длины волн короче 725 нм (или 830 нм).
Именно поэтому мы говорим «начиная с 715 нм» или «начиная с 830 нм». Инфракрасное излучение не сконцентрировано на одной частоте, это участок непрерывного спектра, начинающийся с номинальной длины волны.
Энергия тех длин волн, которые не прошли фильтр, отражается обратно и аккумулируется внутри инфракрасного осветителя. На инфракрасном осветителе есть теплоприемник, обеспечивающий охлаждение прибора, тем не менее, основная причина короткого времени безотказной работы (1000–2000 часов) галогенной лампы — это избыточный нагрев внутри осветителя.
Рис. 12.18. Поперечное сечение инфракрасного осветителя
Рис. 12.19. Спектральная характеристика инфракрасного пропускающего фильтра
Рис. 12.20. Инфракрасные осветители обычно устанавливаются парами
Так же работают и 830 нм осветители, только в этом случае используются инфракрасные частоты, невидимые для человеческого глаза (как отмечалось ранее, излучение с длиной волны 715 нм видимо для человеческого глаза).
Инфракрасные осветители несут в себе определенную опасность, особенно для инсталляторов и обслуживающего персонала. Дело в том, что зрачок человеческого глаза в темноте остается раскрытым, что может привести к слепоте. Но это может случиться только ночью — когда зрачок раскрыт полностью и человек находится очень близко от осветителя.
ИК-осветители включаются ночью с помощью фотоэлементов.
Лучший способ проверить, работает ли ИК-осветитель, это поднести к нему руку — человеческая кожа очень чувствительна к теплу. Помните, тепло — это и есть инфракрасное излучение.
Инфракрасные осветители подключаются к сети, а фотоэлементы, когда уровень дневного света падает ниже определенного уровня, включают их.
Оба типа рассмотренных нами инфракрасных галогенных осветителей поставляются с различными типами дисперсионных линз, и желательно знать наилучший для заданных условий угол освещаемого сектора. Если инфракрасный пучок сконцентрирован в узком угле, телекамера сможет «видеть» дальше, если используются соответствующие объективы с узким углом обзора (или если вариообъектив установлен на «zoom in»).
Инфракрасный свет галогенных ламп дает наилучшее возможное освещение для черно-белых ПЗС-матриц, но короткий срок службы таких ламп способствовал развитию новых технологий, одна из которых — это твердотельные инфракрасные светодиоды, объединенные в матричную структуру. В этом случае инфракрасное излучение создается специальными инфракрасными светодиодами, которые обладают гораздо большей эффективностью, чем стандартные диоды, и излучают значительное количество света.
Такие инфракрасные осветители могут иметь различную мощность: 7 Вт, 15 Вт, 50 Вт. Они не такие мощные, как галогенные лампы, но их средняя наработка на отказ составляет более 100 000 часов (20–30 лет непрерывной работы в ночной период).
Насколько далеко можно видеть с такими ИК-осветителями, опять же зависит от используемой телекамеры и ее спектральной характеристики. Чтобы лучше представить себе расстояния, рекомендуется провести испытания на месте в ночное время.
Угол освещаемого сектора ограничен углом излучения светодиодов, который обычно составляет 30–40°, если только перед светодиодной матрицей не установлено дополнительной оптики.
Рис. 12.21. Твердотельный инфракрасный излучатель
Инфракрасный лазерный диод — это еще один тип инфракрасного излучателя. Возможно, не такой мощный, как светодиодный, но зато при использовании лазерного источника получается когерентное излучение с точной длиной волны. Типичный лазерный диод излучает свет в очень узком угле, поэтому для рассеяния луча (обычно до 30°) используются небольшие линзы. Лазерные диоды потребляют очень мало энергии. Они концентрируют когерентное излучение в один луч, но срок безотказной работы у них ниже, чем у светодиодных приборов, и обычно составляет порядка 10000 часов (примерно 2–3 года непрерывной работы в ночной период). Главные преимущества лазерного инфракрасного прибора — малое энергопотребление и небольшие размеры.
Нет необходимости упоминать о том, что цветные телекамеры не могут воспринимать инфракрасный свет из-за наличия в них инфракрасного отсекающего фильтра. Однако, некоторые производители телекамер предложили новые идеи: установка ПЗС-матрицы для дневного видеонаблюдения и преобразование этой же матрицы в черно-белую путем удаления инфракрасного отсекающего фильтра для ночного видеонаблюдения.
Другие используют более простые методы, например: можно поместить две матрицы (цветную и черно-белую) в одну телекамеру и разделить свет полупрозрачным зеркалом.
Корректоры «земляной петли»
Довольно часто, даже если при инсталляции системы были предприняты все меры предосторожности, могут возникнуть проблемы особой природы: «земляные петли» (паразитное заземление).
«Земляная петля» — это нежелательное явление, вызванное разностью потенциалов между двумя удаленными точками системы. Обычно между телекамерой и видеомонитором, но может быть между телекамерой и видеокоммутатором или между двумя телекамерами, особенно если они подключены последовательно (с целью синхронизации) (Представляется, что причина образования «земляной петли» не столько в наличии внешнего электромагнитного излучения, сколько в том, что при питании телекамеры и видеомонитора от различных источников сетевого напряжения образуются выравнивающие токи от нулевых фаз. Эти токи протекают по экранирующей оплетке коаксиального кабеля, что наиболее заметно проявляется при питании приборов от разных фаз. Прим. ред .). На изображении появляются волнообразные искажения. Небольшие «земляные петли» могут быть вообще незаметными, но более существенные оказывают очень раздражающее воздействие на зрителя.
Если такое все же происходит, то единственный выход — это изолировать гальваническим образом оба конца. Обычно для этого используется изолирующий трансформатор, иногда называемый корректором «земляной петли» или устройством подавления шума.
Паразитные контуры можно исключить (или по крайней мере минимизировать), используя видеомониторы или оборудование обработки видеосигнала с восстановлением постоянной составляющей. При этом волнообразно искаженный видеосигнал привязывается к уровню синхроимпульсов с тем, чтобы затем регенерировать видеосигнал с неискаженным уровнем постоянной составляющей. Это на деле исключает низкочастотные наводки, которые являются наиболее распространенным искажением в случае образования «земляной петли». Еще лучшее решение, правда, более дорогое, — использование оптоволоконного кабеля вместо коаксиального, хотя бы между удаленно расположенной телекамерой и видеомонитором.
Рис. 12.22. Корректор «земляной петли»
Рис. 12.23. «Земляная петля»
Молниезащита
Молния — это природное явление, с которым ничего не поделаешь. Приемники сигналов телеуправления поворотными устройствами особенно уязвимы, так как именно в этой зоне сконцентрированы кабели передачи видеосигнала, питания и управления. Настоятельно рекомендуется хорошее и надежное заземление в районах с интенсивными грозами и, конечно же, разрядники для защиты от атмосферных перенапряжений (так называемые искровые или грозоразрядники) должны быть встроены во все каналы системы (управления, видео и др.). Большинство приемников сигналов телеуправления поворотным устройством снабжены искроразрядниками, встроенными в разъемы входа данных, и/или имеется гальваническая изоляция с помощью изолирующих трансформаторов.
Искровые разрядники — это специальные устройства, состоящие из двух электродов, включенных в разрыв кабеля, которые помещены в специальные газонаполненные трубки. Это обеспечивает разряд избыточного напряжения, наведенного молнией. Они помогают, но не дают 100-процентной защиты.
Относительно молний важно знать одну вещь: она опасна не только тогда, когда попадает прямо в телекамеру или кабель, но даже если ударяет поблизости. Вероятность прямого попадания молнии близка к нулю. Более вероятно, что молния ударит где-то рядом (в паре сотен метров от телекамеры). Индукция от такого разряда достаточна, чтобы вызвать необратимые разрушения. Сила молнии может превышать 10 000 000 В и 1 000 000 А — представьте себе, какова будет индукция. И опять, как и с «земляной петлей», лучшая защита от молний — это использование оптоволоконного кабеля, без металлических соединений не будет и наведенного напряжения.
Рис. 12.24. Устройства молниезащиты
Магистральные видеоусилители-эквалайзеры
Если используется коаксиальный кабель для передачи видеосигнала на расстояния, большие, чем это рекомендовано для данного типа кабеля, то используются магистральные усилители (иногда называемые видеоэквалайзерами или кабельными компенсаторами).
Роль усилителя-эквалайзера проста: он усиливает и корректирует видеосигнал так, чтобы поступающий на видеомонитор сигнал уже был (более или менее) восстановлен до такого уровня, который сигнал имел бы при непосредственном соединении телекамеры с видеомонитором.
Если при дистанционном соединении не используется усилитель, то общее сопротивление и емкостное сопротивление кабеля существенно влияет на качество видеосигнала как по уровню, так и по полосе частот. Если в системе используется пара сотен метров коаксиального кабеля (RG-59), то уровень видеосигнала может упасть от нормального с размахом 1 В до 0.2 В или 0.3 В.
Такие уровни уже нераспознаваемы с помощью видеомонитора (или видеомагнитофона). В результате получаем очень низкую контрастность, неустойчивую синхронизацию, на изображении появляются изломы, оно перемещается по вертикали. Кроме того, высокие частоты ослабляются больше, чем низкие, что отражается на потере мелких деталей в видеосигнале. Из фундаментальной электроники известно, что более высокие частоты всегда ослабляются больше из-за различных эффектов: поверхностного эффекта или изменения полного сопротивления от частоты, и это еще не все.
Поэтому необходимо не только усиливать видеосигнал, но и корректировать его спектр. Понятно, что в каждом усилительном каскаде шум тоже усиливается. Поэтому при работе с каждым усилителем-эквалайзером в линии следует придерживаться определенных правил. Теоретически лучше всего устанавливать усилитель-эквалайзер на середине длинного кабеля, там, где уровень сигнала относительно уровня шума еще довольно высок. Однако, середина кабеля — это не самое удобное место, главным образом потому, что понадобится подводить питание и монтировать устройство где-то посреди поля или под землей.
Именно поэтому многие производители предлагают одну из двух альтернатив.
Рис. 12.25. Видеоэквалайзер-усилитель
Первый и наиболее распространенный вариант — это установка усилителя на том конце линии, где находится телекамера, нередко в самом кожухе. В этом случае фактически происходит предусиление и предкоррекция, то есть видеосигнал усиливается и корректируется с предыскажениями, так что ко времени попадания на приемник (расстояние должно быть известно), он достигнет уровня размахом 1 В.
Второй вариант — установка на том конце линии, где находится видеомонитор, при этом больше шума будет аккумулировано «по пути», но усиление лучше контролируется и должно быть поднято от пары сотен милливольт до стандартного уровня в 1 В. Это может оказаться более практично при таких инсталляциях, когда нет доступа к самой телекамере.
На передней панели устройства имеется регулятор с калиброванными положениями для компенсируемой длины кабеля, это касается обоих вариантов установки. В любом случае важно знать длину компенсируемого кабеля.
Несколько усилителей могут быть соединены каскадно, то есть если максимальная рекомендуемая длина кабеля RG-59/U для черно-белого сигнала составляет 300 м, то при помощи двух усилителей (а иногда и трех) можно увеличить протяженность линии до 1 км (некоторые производители могут предложить один усилитель для расстояний более километра). При этом следует помнить, что невозможно избежать наличия шума, который при этом всегда накапливается.
Кроме того, при наличии в линии нескольких усилителей (двух или трех) еще более усиливается риск образования «земляных петель», влияния молний и других наводок.
Рис. 12.26. Усиление и коррекция видеосигнала
И опять же, если вы заранее знаете, что установка системы предполагает расстояния более полукилометра, то лучшее решение — использовать оптоволоконный кабель. Вместо этого может быть предложен коаксиальный кабель RG-11/U, в этом случае длина кабеля без усилителя может составлять 600–700 метров, однако стоимость оптоволоконного кабеля в наши дни сопоставима со стоимостью кабеля RG-11/U (если не меньше). Мы уже перечисляли многочисленные преимущества оптоволоконного кабеля.
Видеоусилители-распределители
Довольно часто видеосигнал должен быть передан на различные устройства: на видеокоммутатор, видеомонитор и другой коммутатор или видеоквадратор (разделитель экрана), например. Это может оказаться невозможным, если не все устройства имеют сквозной видеопроход. Наиболее распространены BNC-разъемы со сквозным видеопроходом на видеомониторах. Обычно рядом с BNC-разъемом имеется переключатель с положениями «75 Ом» и «High». Это так называемое пассивное согласование входного сопротивления. Если вы хотите передать сигнал на другое устройство, например, на видеомонитор, то следует переключить первый видеомонитор на «High» и подключить коаксиальный кабель ко второму видеомонитору, на котором переключатель входного сопротивления должен быть установлен на 75 Ом.
Как говорилось ранее, это очень важно, так как телекамера представляет собой источник сигнала с сопротивлением 75 Ом и должна «видеть» на конце линии 75 Ом, чтобы происходила корректная, со 100-процентным переносом энергии передача видеосигнала, то есть без отражений.
Рис. 12.27. Видеоусилитель-распределитель
А теперь представьте себе такую картину (обычный случай для видеонаблюдения): пользователь хочет, чтобы два видеокоммутатора, расположенные в разных местах, независимо друг от друга переключали одни и те же телекамеры. Эту проблему легко решить при помощи двух видеокоммутаторов, одного сквозного и одного оконечного, и в этом случае мы можем использовать ту же логику, что и с видеомониторами.
Однако на практике простые и дешевые видеокоммутаторы имеют только один BNC-разъем на видеовход, это означает, что они представляют собой согласованный вход, то есть вход с сопротивлением 75 Ом.
Было бы неправильно использовать адаптер ВNС-Т (Так называемый «тройник». Прим. ред .) для подсоединения второго видеокоммутатора, как делают многие установщики систем. Это некорректно, потому что в этом случае мы получим два 75-омных оконечных устройства на один канал, и телекамера будет «видеть» несоответствующую нагрузку, что приведет к частичному отражению сигнала, а в этом случае при воспроизведении на изображении проявятся повторы и уменьшится контрастность.
Решить проблему можно при помощи видеоусилителя-распределителя. Эти устройства делают именно то, о чем говорит их название — перераспределяют один видеовход на несколько выходов, сохраняя необходимое согласование полных сопротивлений. Это достигается за счет использования транзисторов или операционных усилителей. Поскольку используется активная электроника (к цепи должно быть подключено питание), то этот процесс называется активным согласованием сопротивления.
Типичный усилитель-распределитель обычно имеет один вход и четыре выхода, но бывают и модели с шестью, восемью или более выходами. На каждый видеосигнал нужен один усилитель-распределитель, даже если не все его четыре выхода будут задействованы.
Матричные видеокоммутаторы при распределении одного видеосигнала на несколько выходных каналов опираются на ту же концепцию, что и усилители-распределители. В этом случае существует ограничение на число каскадов усилителей-распределителей, которые могут использоваться в больших матричных системах. Это объясняется тем фактом, что каждый новый каскад привносит определенное количество шума, чего в аналоговой системе избежать невозможно.
12.28. ВNC-тройник
