2.2. Устройства обработки и коммутации видеосигналов

Устройства обработки и коммутации видеосигналов -это устройства, управляющие потоками информации в СОТ: сигналами изображения, сигналами тревоги и управляющими сигналами. Использование устройств управления и коммутации видеосигналов позволяют существенно облегчить работу оператора, уменьшить стоимость системы в целом, синхронизировать работу системы охранного телевидения с другими системами безопасности объекта (системами охранно-пожарной сигнализации, контроля и управления доступом и др.).

Устройства обработки и коммутации видеосигналов подразделяются на:

— видеомониторы;

— последовательные переключатели (Switcher);

— видеоквадраторы (Quad spliter);

— мультиплексоры (Multiplexer);

— матричные коммутаторы (Matrix switcher);

— СОТ на базе персональных и специализированных компьютерах.

На рисунке 4 представлено оборудование пульта видеонаблюдения.

Рис. 4 — Оборудование пульта видеонаблюдения

2.2.1. Видеомониторы

Видеомониторы — это устройства, преобразующие видеосигналы в двухмерное изображение.

В настоящее время применяются мониторы, как с электронно-лучевыми трубками (далее ЭЛТ, английское обозначение CRT), так и с жидкокристаллическими матрицами (далее ЖК-мониторы, английское обозначение LCD). Использование мониторов на основе плазменных панелей в настоящее время не нашло широкого применения, прежде всего из-за высокой стоимости таких изделий.

К параметрам, характеризующим монитор, можно отнести:

— диагональ экрана — определяет размер экрана по диагонали, который принято обозначать в дюймах. Мониторы в системах охранного телевидения имеют следующие размеры экрана по диагонали: 5″, 9″, 10″, 12″, 14″ ,15″, 17″, 19″, 22″ и выше;

— соотношение сторон экрана — 4:3 (типовое разрешение при этом составляет 1024×768 пикселей), 5:4 (типовое разрешение при этом составляет 1280×1024 пикселей), 16:9 (типовое разрешение при этом составляет 1920×1080 пикселей), 16:10 (типовое разрешение при этом составляет 1650×1050 пикселей);

— линейность — геометрическая правильность воспроизведения изображения на экране монитора (данный параметр в большей мере относится к ЭЛТ);

— контраст — является важным показателем качества телевизионного изображения. Чем больше контраст, тем больше градаций яркости оно может иметь. Величина контраста телевизионного изображения непосредственно определяет количество различимых глазом градаций яркости. Хорошее качество телевизионного изображения соответствует значениям градаций яркости, равным 30-40, а максимально высокое — 100-130. Различают контраст телевизионного изображения общий (максимальный), определяемый для крупных участков изображения (размер которых составляет примерно половину площади телевизионного изображения), и детальный, когда размеры различающихся по яркости участков невелики (до 10-15% от ширины телевизионного изображения). Максимальное количество градаций яркости телевизионного изображения достигает 150-200, при достаточно высокой яркости экрана;

— яркость — под яркостью понимают, усредненную за интервал времени нескольких телевизионных кадров, яркость экрана. Измеряется на крупных светлых участках изображения площадью не менее 1-2 кв. см. Максимальная яркость телевизионного изображения на экране кинескопа (как цветного, так и черно-белого изображения) лежит в пределах от 140-160 до 200-250 кд/кв. м, а средняя яркость — соответственно от 40-50 до 80 кд/кв. м. Примерно такую же яркость телевизионного изображения (около 100 кд/кв. м) обеспечивают на внешнем отражающем экране (площадью от 1-2 до 10-12 кв. м) кинескопные и лазерные (с оптико-механическим сканированием светового луча) видеопроекторы;

— строчная частота (horizontal refresh rate). Эта характеристика определяет частоту обновления строки;

— кадровая частота (vertical refresh rate). Эта характеристика определяет частоту обновления кадра;

— ширина полосы пропускания видеотракта (bandwidth). Данная характеристика определяет максимальное количество элементов изображения, которые могут быть выведены в строке. Чем шире полоса пропускания, тем больше элементов изображения и тем выше четкость и разрешающая способность;

— апертурные искажения — искажения, обусловленные конечным размером (сечением) электронного луча кинескопа. Для воспроизведения мелких деталей вдоль строки электронный луч должен соответствовать тонко заточенному карандашу. При большом диаметре апертуры мелкие детали, расположенные вдоль строк, будут смазываться (данный параметр относится к ЭЛТ).

Цветные мониторы отличаются от черно-белых наличием специальной теневой маски, которая определяет точное попадание электронов на красный, синий и зеленый люминофоры.

Самые распространенные типы масок это «Shadow Mask» (теневая маска), «Slot Mask» (щелевая маска) и апертурная решетка «aperture grill».

Наилучшее качество цветного изображения дают мониторы с щелевой маской «Slot Mask».

Критерием качества (четкости) изображения является так называемый шаг зерна, или точки (dot pitch), который характеризует расстояние в миллиметрах между двумя элементами (точками) люминофора одинакового цвета. Чем оно меньше, тем выше качество изображения. Шаг зерна для разных масок приведен ниже:

— «Shadow Mask» — 0,25 — 0,3,

— «Aperture grill» — 0,23 — 0,27,

— «Slot Mask»-0,21-0,27.

В последнее время стали широко использоваться плоские жидкокристаллические мониторы.

Работа таких мониторов (LCD, Crystal Display) основана на изменении ориентации молекул жидких кристаллов (и как следствие, на изменении их оптических свойств) под воздействием внешнего электрического поля. Экран LCD-монитора представляет собой матрицу ячеек таких кристаллов, каждая из которых может светиться нужным цветом. К достоинствам таких мониторов следует отнести:

— малые габариты и вес;

— низкое энергопотребление;

— плоскую поверхность экрана;

— идеальную геометрию без каких-либо искажений, присущих мониторам с ЭЛТ;

— отсутствие проблем с плохой фокусировкой, не сведением лучей и мерцанием картинки;

— отсутствие паразитных излучений.

С другой стороны, жидкокристаллические мониторы обладают и рядом недостатков:

— меньший угол обзора по сравнению с ЭЛТ;

— меньшее быстродействие по сравнению с ЭЛТ;

— отсутствие возможности работы при минусовой температуре.

Поэтому требования, предъявляемые к ЖК-мониторам и к мониторам на ЭЛТ различны.

Основные требования для ЖК-монитора:

— контраст — не менее 1:300 (Максимальное количество градаций яркости телевизионного изображения). Контраст определяется для крупных участков изображения, перпендикулярно плоскости монитора в центре экрана;

— максимальная яркость — не менее 300 кд/м2 (измеряется на крупных светлых участках изображения площадью не менее 1-2 кв. см);

— время отклика (Т фронта, Т спада);

— Т фронта — не более 15 мс;

— Т спада — не более 15 мс;

Примечание. Т фронта — время переключения пикселя с черного на белый, при этом яркость пикселя должна измениться от 10% до 90% от максимального.

Т спада — время переключения пикселя с белого на черный.

При измерениях контрастность монитора должна быть максимальной.

— угол обзора по горизонтали и вертикали — не менее 120°;

Примечание. Угол обзора — максимальный угол обзора ЖК-монитора, при котором коэффициент контрастности снижается до 1:10 от стандартного значения, соответствующего перпендикулярному положению наблюдателя к плоскости экрана.

— срок службы ЖК-монитора — не менее 6-ти лет;

— кадровая частота при разрешении 1280×1024 пикселей — не ниже 60 Гц.

Основные требования для монитора с ЭЛТ:

— контраст — не менее 1:200;

— максимальная яркость — не менее 200 кд/м2;

— кадровая частота при разрешении 1024х768 пикселей — не ниже 100 Гц;

— срок службы монитора с ЭЛТ — не менее 3-х лет.

Монитор и все остальное оборудование СОТ должно обеспечивать непрерывный круглосуточный режим наблюдения.

Для наблюдения оператором полноэкранного изображения от одной телекамеры рекомендуется использовать монитор с размером по диагонали не менее 14″, а для наблюдения изображений от нескольких камер — не менее 17 дюймов (желательно использовать мониторы с размером по диагонали не менее 19″, 22″).

Разрешение монитора с размером по диагонали 19″ должно быть не ниже 1280×1024 точек (960 ТВЛ).

Выбирать монитор по разрешающей способности следует таким образом, чтобы она была выше, чем у применяемых телекамер — монитор не должен ухудшать общее разрешение системы. При использовании в системе камер с обычным разрешением целесообразно выбрать монитор с обычным разрешением (600-800 ТВЛ для черно-белых и 350-400 — для цветных). В системах высокого класса, как правило, используются мониторы с разрешением 900-1000 ТВЛ (черно-белые) и 450-500 ТВЛ (цветные). При наличии в системе нескольких мониторов они, как правило, размещаются в специальных стойках.

2.2.2. Видеокоммутаторы последовательного действия

Видеокоммутаторы — это устройства, обеспечивающие последовательное переключение видеосигналов от нескольких телекамер на один или несколько выходов (мониторов). Видеокоммутаторы последовательного действия — имеют автоматический и ручной режимы переключения камер, позволяющие просматривать сигналы от всех камер либо выборочно от некоторых из них. Число входных видеоканалов может быть от 4 до 16, а при использовании нескольких блоков коммутации — до 64. Однако, на практике обычно используются коммутаторы на 4 или 8 входов, так как на системах с большим числом камер целесообразно использовать более сложную аппаратуру, имеющую расширенные функции, возможность программирования и т. п. Кроме этого, при использовании большого числа коммутируемых камер значительно увеличивается период обновления изображения от каждой из записываемых камер, что может привести к пропуску тревожной ситуации. При выборе коммутатора, следует обратить внимание на то, чтобы он имел регулировку времени просмотра камер (желательно для каждой камеры раздельную), дополнительные — по количеству телекамер или более — входы тревоги для подключения приборов охранной сигнализации и один или несколько выходов тревоги. При срабатывании охранной сигнализации система из режима «листания» переходит в режим просмотра той камеры, в поле зрения которой произошло нарушение, что позволяет оператору получить исчерпывающую информацию о нарушении и принять соответствующие меры. Некоторые видеокоммутаторы имеют так называемый «залповый» режим работы, в котором изображения на мониторах формируются как связанные, синхронно переключающиеся между собой группы. Эта функция позволяет оператору увидеть охраняемый участок целиком перед тем, как перейти к следующему. Видеокоммутаторы последовательного действия являются сравнительно простыми устройствами и применяются, как правило, в небольших и недорогих системах.

Современные последовательные видеокоммутаторы имеют также ряд дополнительных функций, например:

— наличие встроенного генератора символов, времени, даты;

— наличие входа синхронизации;

— автоматическое и ручное «замораживание» кадра на экране видеомонитора;

— контроль пропадания видеосигнала, т.е. пропадание входного видеосигнала последовательный переключатель воспринимает как тревожную ситуацию.

Примечание. Здесь и далее следует учитывать, что отечественные и многие зарубежные средства сигнализации выдают извещение «Проникновение» размыканием контактов исполнительных реле, тогда как некоторые предлагаемые на рынке телевизионных компонентов устройства обработки видеосигналов реагируют на замыкание контактов «тревожных» входов. Очевидно, что применять такие устройства в системах видеоохраны совместно с указанными средствами сигнализации нельзя.

2.2.3. Видеоквадраторы

Видеоквадратор — это устройство, позволяющее одновременно выводить на экран видеомонитора изображения от четырех источников видеосигнала, размещая их в соответствующих сегментах экрана (определение по ГОСТ 51558-2000). Отличие от последовательного переключателя, заключается в том, что с помощью квадратора оператор видит постоянно изображения всех четырех охраняемых зон объекта.

Видеоквадратор позволяет уменьшить количество мониторов в системе. Квадраторы высокого разрешения позволяют работать на одном мониторе с 8 камерами: они формируют две группы по 4 камеры и дают возможность по очереди выводить их на экран. Различают видеоквадраторы «реального времени», обеспечивающие одновременную смену изображений во всех 4-х квадрантах, и видеоквадратор последовательного типа, обеспечивающие скорость смены изображений в каждом квадранте с частотой в 4 раза ниже номинальной частоты полей. Большинство квадраторов могут работать как коммутатор последовательного действия, т. е. подключать любую из работающих камер к монитору. Квадраторы для СОТ должны иметь дополнительные (по количеству камер) тревожные входы для подключения средств сигнализации и обеспечивать вывод камеры на полный экран при срабатывании в ее зоне наблюдения средств сигнализации, режим «заморозки» кадра, т. е. возможность зафиксировать изображение в одном из сегментов, передачу сигнала тревоги прочим потребителям и, при необходимости осуществлять запись. Видеоквадраторы, как и видеокоммутаторы последовательного действия являются сравнительно простыми устройствами и применяются, как правило, в небольших и недорогих системах.

Существенным недостатком всех квадраторов является то, что качество изображения с одной камеры обычно на экране монитора не превышает 480 ТВЛ (при разрешении 1280×1024 пикселей монитора), что может привести к тому, что на мониторе не будут различаться мелкие детали изображения.

Данный недостаток квадраторов устраняется с помощью подключения к нему извещателей охранной сигнализации и связи их с телевизионными камерами. Тогда, при срабатывании охранного извещателя, изображение от связанной с ним «тревожной» телевизионной камеры выводится, как правило, на дополнительный «тревожный» видеомонитор в полноэкранном режиме без потери разрешения.

Современные квадраторы имеют также ряд дополнительных функций, помогающих оператору:

— автоматическое и ручное «замораживание» кадра на экране видеомонитора;

— контроль пропадания видеосигнала (пропадание входного видеосигнала квадратор воспринимает как тревожную ситуацию);

— цифровое увеличение изображения на экране видеомонитора;

— встроенный последовательный переключатель;

— балансировка яркости изображения от всех телевизионных камер (создание равнояркого квадрированного изображения).

В настоящее время видеоквадраторы и видеокоммутаторы последовательного действия находят все меньшее применение, поскольку большинство современных СОТ построены на базе плат видеозахвата персональных компьютеров или специализированных цифровых видеорегистраторов (в английской транскрипции DVR).

2.2.4. Видеодетекторы движения (Обнаружитель движения)

Обнаружитель движения (ОД) — это устройство, формирующее сигнал извещения о тревоге при обнаружении изменений, обусловленных движением (появлением) цели на сцене (определение по ГОСТ Р 51558-2000).

ОД представляет собой электронный блок, который хранит в памяти текущее изображение с телекамеры и подает сигнал тревоги при возникновении изменений в охраняемой зоне.

ОД бывают:

— аналоговые (действия, которых можно сравнить с действием охранных извещателей, подключаемых к тревожным входам коммутаторов, квадраторов и т.п.);

— цифровые — это многоканальные устройства, которые позволяют разбивать каждую охраняемую зону на отдельные блоки, для каждого из которых устанавливается свой порог срабатывания — чем выше порог, тем большие изменения должны произойти на «картинке». В настоящее время повсеместно используются цифровые видеодетекторы движения.

Работа обнаружителя движения происходит следующим образом. В начальный момент времени кадр изображения запоминается и становится эталонным кадром (запоминаются параметры кадра телевизионного изображения: средняя яркость по полю изображения, распределение яркости и т.д.). Следующие кадры изображения запоминаются в виде текущих кадров изображения.

При наличии существенных различий между эталонным и текущим кадром изображения, превышающих заданную величину (порог) на выходе порогового устройства формируется сигнал тревоги.

Через определенное время кадр эталонного изображения заменяется на текущий кадр.

Современные ОД должны позволять:

— задавать большое количество и различные формы зон детектирования в каждом канале;

— отличать один большой объект от нескольких маленьких;

— ограничить объект детектирования по минимуму и максимуму скорости;

— учитывать направление движения объекта;

— учитывать вибрацию камеры и перепады освещенности;

— автоматически изменять настройки, по времени, внешнему сигналу или по простой команде оператора;

— возможность задавать индивидуально чувствительность для разных зон (участков зоны) детектирования.

2.2.5. Видеомультиплексоры

Видеомультиплексоры представляют собой системы видеозаписи и управления, обладающие широкими функциональными возможностями, и предназначены для записи видеосигналов от нескольких (до 16) камер на одно записывающие устройство (кодирование), воспроизведение кодированной информации и обработку сигналов тревоги.

Мультиплексоры позволяют осуществлять переключение между различными методами записи, что дает возможность либо записывать то, что появляется на экране, либо просматривать на экране изображения от одних камер, записывая в это же время изображения от других камер. Благодаря наличию нескольких режимов вывода изображений на экран, записанные изображения могут просматриваться на одном мониторе в полноэкранном режиме, режимах квадрированного экрана и «картинка в картинке» либо в мультиэкранном режиме (8+2, 9, 4+3, 12+1 или 16 сегментов на одном экране). Для более подробного анализа полноэкранных изображений многие мультиплексоры имеют функцию 2-кратного цифрового увеличения изображения. «ZOOM» (увеличение) позволяет увеличивать участок изображения относительно выбранной точки. При этом надо помнить, что электронное масштабирование не увеличивает разрешающей способности (так как исходное изображение уже дискретное), поэтому особенно обольщаться данной возможностью не надо.

Широкий набор встроенных функций, развитая логика обработки сигналов тревоги, а также возможность программирования видеомультиплексоров с помощью функциональных клавиш или с персонального компьютера позволяют создавать на их базе средние и большие (с обслуживанием до 128 или 256 камер) телевизионные системы видеоконтроля, для чего ведущими фирмами разработан целый спектр дополнительной аппаратуры: адаптеры удаленной клавиатуры, многопортовые контроллеры, системы телеметрического управления камерами и т. п.

Управление мультиплексором, как правило, осуществляется с помощью стандартного последовательного интерфейса RS-232C или RS-485, данный интерфейс позволяет с помощью специального протокола (системы команд) управлять мультиплексором. К сожалению, стандартного протокола обмена не существует, поэтому у разных мультиплексоров системы команд отличаются друг от друга, что необходимо учитывать при сопряжении оборудования различных производителей.

Пульт дистанционного управления (ПДУ) мультиплексора.

ПДУ позволяет управлять мультиплексором на некотором расстоянии. В принципе, пульт дистанционного управления обычно полностью повторяет возможности кнопок на передней панели мультиплексора.

В последнее время появились модели мультиплексоров, совмещающие в себе еще и функции матричного коммутатора с возможностью вывода изображения от любой подключенной камеры на любой из подключенных (как правило, до 4-х) мониторов.

Некоторые производители добавляют «телеметрические» функции (управление внешними устройствами).

Использование интерфейса RS-485 позволяет объединять несколько мультиплексоров и управлять ими с одного пульта или (и) персонального компьютера.

Существуют два типа мультиплексоров: симплексные и дуплексные.

Симплексный мультиплексор позволяет в один момент времени выполнять только одну операцию: либо мультиплексировать изображения от телевизионных камер системы для записи, либо демультиплексировать изображение, для просмотра ранее записанных кадров.

Дуплексный мультиплексор содержит два канала мультиплексирования (как бы два симплексных мультиплексора). Поэтому в одно и то же время с помощью дуплексного мультиплексора возможно записывать мультиплексированные изображения от телевизионных камер и просматривать ранее записанные кадры. Также как последовательные переключатели и квадраторы, мультиплексоры имеют входы для подключения извещателей охранной сигнализации. В этом случае, если срабатывает извещатель, связанный с какой-либо телевизионной камерой, изображение от нее выводится на дополнительный видеомонитор в полноэкранном режиме. СОТ переводится в режим записи в реальном времени, а оператору выдается сигнал «Тревога».

Современные мультиплексоры имеют также ряд дополнительных функций:

— автоматическое и ручное «замораживание» кадра на экране дополнительного видеомонитора;

— контроль пропадания видеосигнала (пропадание входного видеосигнала квадратор воспринимает как «тревожную» ситуацию);

— цифровое увеличение изображения на экране дополнительного видеомонитора;

— балансировка яркости изображения от всех телевизионных камер (создание равнояркого квадрированного изображения);

— некоторые мультиплексоры имеют встроенные видеодетекторы движения;

— генераторы титров, даты и времени.

Образцы квадраторов и мультиплексоров представлены на рисунке 5.

Рис. 5 — Квадраторы и мультиплексоры

2.2.6. Матричные видеокоммутаторы.

Матричный коммутатор — это устройство, обеспечивающее соединение определенного числа камер с определенным числом абонентов (мониторов, видеорегистраторов).

Таким образом, главной задачей матричного коммутатора является переключение трансляции изображения (прямого или мультиплексированного) от любой камеры к любому абоненту системы по команде оператора или в автоматическом режиме.

Благодаря применению матричных коммутаторов появилась возможность организовать несколько независимых постов наблюдения с распределением видеоинформации между этими постами, а также создать многоуровневые системы с распределенными полномочиями по пользованию информацией.

Матричные коммутаторы по виду внутренней обработки видеоинформации делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговый матричный коммутатор коммутирует видеосигналы без каких-либо преобразований самой структуры видеосигнала. В поступивший на вход аналоговый видеосигнал (например, от телекамеры) в таком матричном коммутаторе может только добавляться служебная информация, необходимая для повышения информативности изображений, а также для реализации режимов видеорегистрации. Такой служебной информацией могут быть метки кадров, номер телекамеры или наименование зоны наблюдения для отображения ее на мониторе и т. п. Добавление служебной информации в видеосигнал не приводит к каким-либо ухудшениям параметров, определяющих разрешающую способность и динамический диапазон изображений, то есть сигнал поступает с входа матрицы на выход без потерь информации. Однако для осуществления переключения телекамер во время записи (мультиплексирования сигналов) или при просмотре на мониторах без сбоев и пропусков требуется синхронизация процесса переключения с сигналами телекамер.

Цифровой матричный коммутатор производит оцифровку поступающей на его входы видеоинформации. Аналоговый видеосигнал преобразуется в цифровой, коммутируется и кодируется, а затем преобразуется обратно в аналоговый вид. 
В результате такой сложной обработки качество изображения несколько ухудшается. Происходит это из-за ограниченных значений частоты дискретизации (часто менее 20 МГц) и количества уровней квантования при оцифровке аналогового сигнала. Потери в качестве, которые неизбежны при цифровой обработке, сказываются, прежде всего, на разрешающей способности матричного коммутатора.

Для цифрового тракта обработки сигнала в мультиплексорах обычно приводится параметр разрешения, не превышающий, как правило, 1024×512 пикселей для черно-белого изображения. При цифровой обработке, в отличие от аналоговой, не требуется синхронизации процесса переключения. Выходные видеосигналы матричного коммутатора синхронизируются при цифровой обработке вне зависимости от внешних сигналов синхронизации.

По способу организации матричные коммутаторы делятся на моноблочные (в том числе и удаленные) и модульные.

Модульные матричные коммутаторы выполнены в виде блока с модульно наращиваемой организацией и удобны для применения на объектах с очень большой концентрацией телекамер в достаточно компактном пространстве. Недостатком таких систем является чрезмерная централизация управления.

Модульная организация предполагает сведение всей видеоинформации в единый центр. Здесь следует иметь в виду, что прокладка линий связи — весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Потребители информации в системах телевизионного наблюдения на объектах часто разнесены территориально, и тогда становится нецелесообразным построение модульных систем. В распределенных системах предполагается размещение удаленных матричных коммутаторов в локальных зонах.

Удаленные матричные коммутаторы коммутируют группы удаленных телекамер и управляются по командам и программам с единого центра. В этом случае от групп удаленных телекамер в центр тянется небольшое число кабелей, по которым передается уже предварительно обработанная удаленной матрицей информация. По возможности интеграции существуют две большие группы матричных мультиплексоров: автономные (Stand Alone) и интегри-руемые (On Line).

Матричные коммутаторы предназначены для построения гибких и легко наращиваемых систем охранного телевидения.

При выборе того или иного устройства управления и коммутации проектировщику СОТ необходимо знать следующее:

— какое устройство управления и коммутации должно быть в системе? При необходимости записи изображений с телевизионных камер числом до 4 используются квадраторы (возможно, совместно с системой сигнализации), а числом от 4 до 16 — видеомультиплексоры.

— необходима ли связь СОТ с системой охранной сигнализации?

Если связь необходима, то в любом типе устройства управления и коммутации должны быть входы для подключения извещателей охранной сигнализации и выходы для управления видеомагнитофоном или оповещателем.

— возможно ли в дальнейшем расширение системы?

Если в дальнейшем предполагается расширение системы за счет подключения дополнительных телевизионных камер, необходимо предусмотреть устройства с большим количеством видеовходов и «тревожных» входов. Например, если проектируемую систему из 8 телевизионных камер в дальнейшем предполагается расширять до 16, то ре-комендуется сразу заложить в проект системы видеокоммутатор на 16 входов.

— необходимо ли формировать несколько независимых постов охраны?

При положительном ответе на данный вопрос рекомендуется в качестве устройства управления и коммутации применять матричный коммутатор.

Образы матричных коммутаторов и пультов управления представлены на рисунке 6.

Рис. 6 — Матричные коммутаторы и пульты управления

2.2.7. Цифровые СОТ на базе персонального компьютера

Применение компьютерной техники в СОТ выводит последние на совершенно новый качественный и технический уровень. В настоящее время наблюдается повсеместный переход к СОТ, построенным на базе персональных компьютеров (ПК) или специализированных персональных компьютеров. Такие системы получили название «цифровых СОТ».

Типовая СОТ на базе ПК включает в свой состав одну или несколько плат видеозахвата и программное обеспечение (см. Рис. 7).

Рис. 7 — Один из вариантов комплектации СОТ на базе ПК

При построении цифровых СОТ рекомендуется применять программное обеспечение, функционирующее под управлением операционной системы на базе «Linux». Среди СОТ на базе «Linux» предпочтение следует отдавать тем системам, которые специализированы для решения охранных задач, т.е. из них исключены лишние программные компоненты, а оставшиеся компоненты оптимизированы по производительности для обработки потоковой видеоинформации. Данное техническое решение позволяет защитить программное обеспечение СОТ от вредоносных программ и «вирусов».

Также предпочтение следует отдавать системам, которые поставляются в предустановленном виде на флеш-накопителе. Это исключает необходимость выполнения трудоемких процедур установки операционной системы, первичной ее настройки и инсталляции программного обеспечения СОТ. Кроме того, такие системы, как правило, лучше защищены от некорректных действий оператора, а в случае любого сбоя достаточно выполнить перезагрузку ПК.

Применение цифровых технологий значительно расширило возможности разработчиков СОТ, как в части обработки видеосигнала, так и в части реализации логики работы системы в целом. Рассмотрим функции цифровой СОТ в следующем порядке:

-обязательные функции;

-рекомендуемые функции;

-перспективные функции.

2.2.7.1. Обязательные функции цифровых СОТ

Цифровая СОТ должна обеспечивать:

— функцию многоэкранного режима наблюдения на одном мониторе, выдачу информации о номере (названии) зоны наблюдения и/или видеокамеры;

— автоматическое включение видеокамеры по срабатыванию детектора движения или по сигналу охранного извещателя;

— возможность подключения более одного монитора к одному ПК;

— возможность «предтревожной» записи видеоинформации (начало записи до получения сигнала тревоги);

— возможность записи изображения с выбранной видеокамеры;

— возможность воспроизведения записанной информации по времени или по записи журнала событий;

— возможность одновременно производить запись и воспроизведения видеоданных в соответствии с правами доступа к информации;

— возможность записи «по кольцу» с автоматической перезаписью наиболее старой информации новой;

— возможность сохранения произвольных фрагментов архива на стороннем носителе;

— наличие встроенного детектора движения с возможностью задания не менее 10 зон для одной видеокамеры с индивидуальными настройками параметров чувствительности;

— иметь русское меню настройки/управления;

— иметь русские обозначения на органах управления при их наличии (например, пульт управления поворотными камерами);

— иметь возможность выдавать особые «тревожные» титры или сигнал тревоги при нарушении охраняемой зоны или неисправности СОТ;

— предоставлять доступ операторов к управлению по индивидуальному паролю;

Кроме того, для объектов средней и большой емкости (более 16 камер) необходимо иметь возможность объединить систему, состоящую из нескольких подсистем, с распределенным управлением, под единое управление, с сохранением возможности локального распределенного контроля и управления.

2.2.7.2. Рекомендуемые функции цифровых СОТ

Рекомендуется наличие следующих функций в цифровых СОТ:

— регистрация и воспроизведение звуковой информации синхронно с видеоданными;

— возможность синхронного по времени воспроизведения видеоархива от нескольких видеокамер, подключенным к различным ПК, объединенным локальной вычислительной сетью;

— возможность взаимодействия с удаленными IP-серверами по локальной вычислительной сети;

— наличие детектора оставленных предметов. Детектор оставленных предметов — выдает сигнал тревоги при выявлении предметов с указанными параметрами, которые были помещены в охраняемую зону и находятся в ней без движения;

— возможность циклического просмотра камер и программирования циклов просмотра (последовательности включения камер и времени наблюдения для каждой камеры);

— автоматический разворот платформы камеры или непосредственно поворотной камеры на тревожный участок или движущийся объект (при использовании детектора движения);

— задание и выбор нескольких предустановок для поворотных камер;

— возможность защиты от перезаписи фрагментов видеоархива, на которых присутствует важная информация;

— возможность автоматического улучшения качества записываемого по тревоге изображения путем увеличения частоты записи кадров и разрешения записываемого изображения;

— возможность создания графического плана объекта охраны;

— автоматический вывод видеоинформации и/или плана объекта на монитор в случае возникновения сигнала тревоги.

Пример IP-видеосервера представлен на рисунке 8.

Рис. 8 — Удаленный IP-видеосервер в термокожухе с возможностью взаимодействия через WiFi канал.

2.2.7.3. Перспективные функции цифровых СОТ

В перспективных разработках цифровые СОТ должны обеспечивать цифровые водяные знаки (цифровые отпечатки пальцев — digital fingerprinting), или/и контрольную сумму (когда контрольная сумма образуется из изображения по алгоритму, основанном на уникальном цифровом ключе). В каждый кадр должна быть введена информация о месте съемки, дате, времени, виде оборудования на котором производится запись.

Кроме того, цифровые СОТ могут реализовывать сложные алгоритмы обработки видеопотока, например, детектирование и трассирование движущихся объектов (см. рис. 9).

Перечислить все возможные функции цифровой СОТ практически невозможно, поэтому в качестве примера приведем лишь функции цифровой СОТ в режиме «охрана».

Рис. 9 — Последовательность операций, выполняемых модулем детектирования и трассирования объектов для СОТ.

В режиме «охрана» при срабатывании охранного извещателя на экран монитора выводится план контролируемой зоны и сработавший извещатель, изображение от установленной в этой зоне камеры. Система может выполнять функции цифрового видеодетектора движения, управлять режимами записи, воспроизведения и вывода изображения на экран, программировать алгоритмы наблюдения, охраны и видеорегистрации в ежедневном и еженедельном циклах, автоматически фиксировать повреждения камер, коммуникаций и другого периферийного оборудования, реализовать смешанный режим охраны/наблюдения и т.п. Функциональные возможности и эффективность компьютерных СОТ наилучшим образом проявляются при организации с их помощью интегрированных систем охраны.

2.2.8. IP-камеры

Под IP-камерой понимают цифровую видеокамеру, особенностью которой является передача видеопотока в цифровом формате по сети «LAN», «WAN», «Internet». Являясь сетевым устройством, каждая сетевая видеокамера имеет свой собственный IP-адрес, вычислительные функции, и встроенное программное обеспечение, что позволяет ей функционировать как IP-сервер, FTP-сервер, FTP-клиент и клиент e-mail. Пользователи могут обращаться к камере посредством стандартного WEB-браузера.

В отличие от аналоговых камер, при использовании IP-камер, после получения видеокадра с матрицы камеры, изображение остается цифровым вплоть до отображения на мониторе.

Как правило, перед передачей, полученное с матрицы изображение сжимается с помощью покадровых или потоковых методов видеосжатия. Существуют специализированные IP-камеры, осуществляющие передачу видео в несжатом виде. Такие камеры обычно используются для проведения научных исследований или в случаях, когда качество изображения является приоритетной задачей по отношению к другим параметрам.

Благодаря тому, что IP-камерам не требуется передавать аналоговый сигнал в формате PAL или NTSC, в IP-камерах могут использоваться большие разрешения, включая мегапиксельные. Существуют камеры с мегапиксельными разрешениями: 1280×1024, 1600×1200 и более высокими разрешениями. Однако, типовым разрешением для сетевых камер является разрешение 640×480 точек.

Особенностью IP-камер является возможность передавать видеокадры с большой частотой. Существуют IP-камеры с частотой передачи больше 60 кадров в секунду.

Наиболее современные сетевые видеокамеры включают и много других привлекательных функций, таких как детектор движения, вход/выход тревоги, работа с модемом и т.д.

Устройство и принцип работы IP-камеры (см. рис. 10). Обычно в состав IP-камеры входят следующие компоненты:

— матрица;

— объектив;

— оптический фильтр;

— плата видеозахвата;

— блок компрессии (сжатия) видеоизображения;

— центральный процессор и встроенный IP-сервер;

— ОЗУ;

— флэш-память;

— сетевой интерфейс;

— последовательные порты;

— тревожные входы/выходы.

Рис. 10 — Устройство IP-камеры

В качестве фотоприемника в большинстве IP-камер в настоящее время применяется CMOS-матрица. В технических параметрах IP-камеры обычно указывают формат матрицы (длина диагонали матрицы в дюймах), число эффективных пикселей, тип развертки, чувствительность.

Объектив — предназначен для проецирования изображения объекта наблюдения на светочувствительный элемент IP-камеры. От правильности выбора объектива зависит качество видеоизображения, получаемого IP-камерой. Часто объектив входит в комплект поставки IP-камеры.

Оптические инфракрасные отсекающие фильтры, которые устанавливают в IP-камеры, представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху матрицы. Они работают как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза около 700 нм, вблизи красного цвета. Они отсекают инфракрасную составляющую световых волн, обеспечивая тем самым правильную цветопередачу IP-камеры. Однако во многих черно-белых IP-камерах такие фильтры не используются, благодаря чему достигается более высокая чувствительность IP-камеры.

Плата видеозахвата (блок оцифровки) осуществляет преобразование аналогового электрического сигнала, сформированного матрицей, в цифровой формат.

При оцифровке имеет значение разрядность применяемого АЦП, от этого зависит точность представления сигнала в цифровой форме (предпочтительным является 10-12 разрядное АЦП).

Блок компрессии выполняет сжатие оцифрованного видеосигнала в один из форматов сжатия. Благодаря сжатию сокращается размер видеокадра. Это необходимо для хранения и передачи видеоизображения по сети. Часто во избежание переполнения сетевого трафика сокращают объем передаваемой информации, снижает частоту передачи кадров по сети, либо разрешение кадров. Поэтому пропускная способность сети, используемой для передачи данных, во многом определяет качество видеоизображения при использовании IP-камер.

Сетевой Интерфейс служит для подключения IP-камеры к сети.

Флэш-память позволяет обновлять управляющие программы для IP-камер.

ОЗУ служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении управляющих программ, и пользовательских скриптов. Многие IP-камеры имеют так называемый видеобуфер. Это часть ОЗУ, зарезервированная для записи и временного хранения снятых IP-камерой видеокадров. Информация в видеобуфере обновляется циклически, т.е. новый кадр записывается вместо самого старого. Эта функция необходима, если IP-камера выполняет охранное видеонаблюдение, поскольку позволяет восстанавливать события, предшествующие и следующие за сигналом тревоги с подключенных к IP-камере охранных датчиков.

Тревожные входы/выходы служат для подключения датчиков тревоги. При срабатывании одного из датчиков генерируется сигнал тревоги, в результате чего процессор компонует набор кадров, записанных в видеобуфер до, после и в момент поступления сигнала тревоги. Этот набор кадров может отсылаться на заданный e-mail адрес или по FTP.

Способы подключения

В настоящее время — камера может подключаться к сети несколькими способами, которые базируются на различных стандартах передачи данных.

10/100 Mbit Ethernet

Это наиболее популярный способ передачи данных. Существует два стандарта сетей 10 Mbit Ethernet: 10Base2 (с использованием коаксиального кабеля) и lOBaseT (с использованием витой пары). Стандарт 10Base2 применяется крайне редко. Стандарт 100BaseTX использует витую пару и обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с.

1000 Mbit Ethernet, Gigabit Ethernet

Использующийся здесь стандарт 1000BaseTX — это усовершенствованная версия 100BaseTX. Этот стандарт применяется в основном для построения магистралей локальных сетей.

Стандартные телефонные модемы

Это дешевый и довольно распространенный способ подключения IP-камеры к глобальной сети. Основной недостаток такого способа подключения — низкая скорость передачи данных (максимальная скорость загрузки данных порядка — 56 кбит/с). Подключение IP-камеры к модему осуществляется через последовательный порт.

ISDN модемы

Стандарт ISDN (Integrated services Digital Network) используется для передачи оцифрованной графики, аудио и видеоинформации и других цифровых данных по частным или общим цифровым телефонным сетям. Стандарт ISDN обеспечивает передачу данных на скорости до 128 кбит/с по двум каналам.

xDSL модемы

DSL (Digital Subscriber Line) — технология, обеспечивающая широкую полосу пропускания по простым медным телефонным проводам. Скорость передачи данных может изменяться в зависимости от компании, предоставляющей данную услугу. В среднем она составляет 1 Мбит/с.

Первыми из семейства xDSL модемов были ADSL-модемы (ADSL, ADSL 2, ADSL 2+).

ADSL-модем подключается через частотный разделитель — сплиттер (splitter), к телефонной сети. При этом телефонный аппарат для передачи информации использует частоты до 4 кГц, а модем — 2,2 МГц и выше. Теоретически считается, что длина телефонной линии до АТС не должна превышать 5,5 километра. На практике дальность действия ADSL-модема зависит от качества телефонных линий и скорости передачи информации. Поэтому для определения скоростей передачи и помехоустойчивости канала передачи рекомендуется проводить тестовые испытания надежности работы ADSL-модема.

Следует отметить, что существуют различные типы модемов: ADSL, SDSL, SHDSL, VDSL и т.д. Модемы семейства ADSL, SDSL, SHDSL характеризуются большой дальностью устойчивой работы по сравнению с VDSL-модемами, но меньшей скоростью передачи.

Поэтому можно констатировать, что, несмотря на прогресс в способах передачи информации более поздних модификаций модемов (избыточное кодирование и современные виды модуляции), в своей основе видна четкая зависимость дальности передачи информации от битовой скорости в канале, что необходимо учитывать при реальном развертывании СОТ.

В последнее время широко стали применяются VDSL-модемы, поскольку они обладают лучшим сочетанием дальности действия и скорости передачи по сравнению с другими xDSL-модемам.

Сотовые модемы

С помощью сотового модема можно подключить IP-камеру к Internet, используя сотовые линии связи. Скорость передачи данных обычно составляет от 5 до 20 кбит/с, что не позволяет передавать видео в реальном времени.

Внутренние хранилище данных

В некоторых моделях IP-камер устанавливаются запоминающие устройства (карта памяти или малогабаритный жесткий диск) что позволяет записывать видео непосредственно в IP-камеру.

Типовые решения с использованием IP-камер приведены на рис. 11, рис. 12.

Рис. 11 — Схема работы IP-камер в локальной сети

Рис.12 — Схема работы IP-камер в глобальной сети

К преимуществам IP-камер следует отнести:

— построение масштабируемых распределенных систем видеонаблюдения;

— отсутствие привязки к телевизионным стандартам, и, как итог, использование более высоких разрешений;

— возможность использования прогрессивной развертки;

— возможность передачи аудиопотока по сети параллельно с видеопотоком.

К недостаткам IP-камер следует отнести:

— высокая цена (цена на IP-камеры, как правило, выше чем у аналоговых камер);

— необходимость декомпрессии видеопотока на компьютерной платформе (клиенте);

— подверженность к внешнему воздействию по сети (взлому);

— аппаратное зависание (при отсутствии функции Watchdog).

Производители IP-камер.

Производством IP-камер занимаются такие зарубежные компании, как Mobotix, Sony, D-Link, Trendnet, Genius, Panasonic, Axis и другие. В России производителями IP-камер являются компании Stream Labs и Vocord и др.

IP-камеры можно отнести к категории веб-камер. Понятие веб-камера является более широким. Например, к веб-камерам кроме IP-камер относятся и камеры с интерфейсом USB (см. Приложение К).

Далее >>>