Kamery

• przetwornika, który przetwarza obraz obiektu na sygnał elektryczny,
• obiektywu
• zestawu urządzeń elektronicznych, które dokonują obróbki sygnału elektrycznego.

Podstawą do osiągnięcia dobrej jakości obrazu jest dokładność wykonania przetwornika oraz jakość i prawidłowy dobór obiektywu. Automatyka kamery może skorygować sygnał tylko w pewnych granicach, dlatego należy traktować ją jako pożyteczne uzupełnienie.

• CCD (Charged Coupled Device),
• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

CCD - jest to przetwornik oparty na zasadzie gromadzenia ładunku na sensorze pod wpływem światła. Technologia wykonywania takich przetworników, choć opracowana jako pierwsza, jest droga i dostępna tylko nielicznym firmom.

CMOS - przetwornik produkowany w oparciu o technologię produkcji układów scalonych, gdzie światło steruje bramką tranzystora, będacego pojedynczym sensorem. Technologia tania, dostępna wielu firmom, pozwalająca na rewolucję cenową, ponieważ do tej pory przetwornik zawierał w sobie ok. 40 % kosztów układu elektronicznego kamery. Rozwój przetworników CMOS następuje poprzez: - zmniejszanie elementów mikrotranzystorowych, - wyposażanie ich w mikrosoczewki, własne wzmacniacze sygnału APS (Active Pixel Sensor) i własne przetworniki analogowo cyfrowe. W bliskiej przyszłości należy się spodziewać takiego dopracowania tej technologii, że stanie się ona podstawową w budowie kamer i aparatów cyfrowych - mimo, że obecnie kojarzona jest ze sprzętem niższej jakości.
W tradycyjnej technologii sygnał był w całości “sczytywany” z przetwornika, wzmacniany i dopiero poddawany obróbce dalszej obróbce. Przełom jakościowy w odbiorze sygnału z przetworników wprowadziła technologia DSP.

DSP (Digital Signal Processing) w tego typu przetwornikach każdy element światłoczuły jest wyposażony we własny przetwornik analogowo cyfrowy. Sygnał zostaje przetworzony na postać cyfrową na poziomie poszczególnych elementów światłoczułych – zmniejsza to zakłócenia, pozwala na możliwość sterowania pracą poszczególnych elementów światłoczułych. Każdy piksel może być odczytywany tuż przed osiągnięciem stanu nasycenia, co redukuje możliwość prześwietlenia. W stosunku do tradycyjnych kamer pojawiają się nowe możliwości takie jak: detekcja ruchu, programowany backlight, zdalne sterowanie przez złącze RS–232, datownik, generator opisu, czy menu ekranowe. Generalnie takie kamery charakteryzują się lepszym kontrastem, często posiadają możliwość redukcji efektu rozmycia jasnych punktów obrazu. W najbardziej rozbudowanych kamerach z DSP możliwa jest detekcja zmiany oświetlenia oraz elektroniczny zoom.

Podstawowe parametry kamer

Rozmiar przetwornika. Definiuje wielkość geometryczną przetwornika, wyrażany jest w calach. Spotykane są kamery o przetworniku 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3” i 1/4” 1/6”.

Czułość kamery. Oświetlenie przetwornika obrazu niezbędne do wytworzenia określonej amplitudy całkowitego (kolorowego) sygnału wizyjnego, przy określonej wartości stosunku sygnał/szum. Najbardziej kontrowersyjny i manipulowany parametr określający kamery. Większość producentów nie podaje, w jakich warunkach został on zmierzony. Ważne jest to, że pomiar czułości powinien być wykonany przy wyłączonej automatycznej regulacji wzmocnienia (ang. AGC), musi być podana albo informacja, że czułość ustalono przy pomiarze oświetlenia na przetworniku, lub że czułość ustalono przy pomiarze oświetlenia na obiekcie, lecz wtedy należy jeszcze podać jasność zastosowanego obiektywu oraz współczynnik odbicia światła na obiekcie.

Rozdzielczość kamery określa zdolność rozróżniania drobnych szczegółów na ekranie. Jest podawana w liniach telewizyjnych. Rozdzielczość jest określana zarówno dla pionu, jak i dla poziomu. Rozdzielczość zależy od ilości pikseli przetwornika, przy czym nie jest to zależność jednoznaczna. Podobnie jak w przypadku monitorów, ten parametr jest luźno powiązany z rozdzielczością, czy rzeczywistą ilością linii (ta jest definiowana przez standard sygnału i nie zależy od jakości kamery), raczej jest to oszacowanie zdolności do przenoszenia informacji o kolorze czy stopni szarości w połączeniu z ilością pikseli samego przetwornika. Niektórzy producenci zamiast tego parametru podają tylko ilość pikseli. Pod względem rozdzielczości kamery można podzielić na: - kamery o małej rozdzielczości około 240 - 380 linii telewizyjnych (najczęściej kamery CMOS), - kamery o standardowej rozdzielczości około 420 - 480 linii telewizyjnych, - kamery o podwyższonej rozdzielczości około 600 linii telewizyjnych.

Stosunek sygnał/szum. Mówi o zdolności kamery do generacji obrazu wymaganej jakości, pośrednio jest związany z czułością, wyrażany jest w dB (AGC wyłączona)

Temperatura pracy. Maksymalny zakres zmian temperatur, w którym kamera może bezawaryjnie pracować, utrzymując założone parametry. Zazwyczaj od 10 - + 45 stopni C. Dla zachowania warunków poprawnej pracy kamery stosuje się grzałki, wentylatory, szczelne obudowy lub inne techniki chłodzenia kamer.

Do wielkości przetwornika musi być dopasowany obiektyw. W zasadzie im większy przetwornik, tym lepsza jakość obrazu. Wiąże się to z możliwością ulokowania większej liczby punktów reagujących na impuls świetlny (pikseli). Równocześnie, wiele zastosowań wymaga miniaturyzacji kamery. Obecnie już przy przetworniku 1/4” można osiągnąć wystarczającą rozdzielczość. Należy pamiętać, iż rozmiar przetwornika wymusza użycie obiektywu takiego samego lub większego. Na przykład do przetwornika 1/2” można stosować obiektyw 1/2”, a także większy np. 1”.

Zasilanie kamer jest realizowane za pośrednictwem zewnętrznego zasilacza 12V, typowy pobór prądu waha się od 100mA do 250 mA. Czasami są spotykane kamery zasilane napięciem 5V lub wyposażone we wbudowany zasilacz sieciowy. W przypadku wyposażenia kamery w obiektyw z Auto–IRISem należy pobór prądu zwiększyć o ten, pobierany przez obiektyw, który zazwyczaj nie przekracza 40-80mA. W przypadku długich odcinków przewodów o małych przekrojach, gdy występują duże spadki napięcia, warto stosować zasilacze z regulacją napięcia wyjściowego Poza zapewnieniem odpowiednie wartości napięcia zasilania równie ważnym elementem jest dobór wydajności prądowej zasilacza - zazwyczaj stosowane są zasilacze od 250mA do 2,5A. W szczególnych przypadkach w dużych instalacjach stosuje się zasilacze o większej obciążalności. Obecnie coraz częściej urządzenia CCTV podłączane są do awaryjnych źródeł – popularnych UPS-ów. Jest to temat bardzo ważny, często pomijany przez instalatorów. Zastosowanie UPS-ów zaleca się we wszystkich instalacjach w których pracują urządzenia -ogólnie mówiąc “komputerowe” (samodzielne rejestratory cyfrowe, rejestratory oparte na kartach montowanych w komputerach PC) . Urządzenia te są bardzo wrażliwe na niewielkie nawet zakłócenia w sieci (tzw. piki napięcia zasilania, chwilowe zaniki napięcia. Zastosowanie UPS-a pozwala na znaczną poprawę stabilności systemu i zwiększa współczynnik pewności i bezpieczeństwa działania całego systemu monitoringu (ochrony).

Połączenie kamery z monitorem może być realizowane na odległość rzędu 100- 600 metrów za pomocą przewodu o impedancji 75 Omów. Odległość silnie zależy od jakości kabla - dystans 600m osiągnęliśmy stosując kabel miedziany CTF113 W zależności od rodzaju kabla powyżej 100- 600m zaleca się stosowanie wzmacniaczy sygnałów Należy pamiętać, że kamery kolorowe są bardziej wrażliwe na tzw.” wydłużanie przewodu” – początkowe objawy to, malejące nasycenie kolorów. Zastosowanie skrętki zaleca się w zakresie 10- 70 metrów. Generalnie przewód koncentryczny jest bardziej odporny na zakłócenia. Skrętkę należy stosować tylko w razie konieczności.

Elementy regulacyjne w kamerach. Możliwości regulacji występują w kamerach wyższej klasy, pozwalają na dopasowanie się do warunków otoczenia, dzięki czemu dobry obraz można uzyskać nawet w trudnych warunkach. Proste, kompaktowe kamery bez możliwości jakichkolwiek regulacji, są przydatne w otoczeniu o małej zmienności oświetlenia i małej głębi ostrości.

Automatyka w kamerach.
Elektroniczna przesłona EAI lub EI to, najprościej mówiąc, automatyczne dopasowywanie czułości przetwornika do warunków oświetlenia. EAI znajduje zastosowanie w warunkach mało zmiennego oświetlenia (np. pomieszczenia). Korzyścią użycia elektronicznej przysłony jest możliwość stosowania prostych obiektywów o stałej lub ręcznie regulowanej przysłonie.

Automatyczna przesłona (Auto IRIS - AI) to funkcja kamery pozwalająca na sterowanie specjalnymi obiektywami, umożliwia dobranie stałej ilości światła padającego na przetworniki, niezależnie od warunków oświetlenia. Migawka elektroniczna ustawia się na 1/50s, natomiast obiektyw z AI jest przymykany i otwierany stosownie do natężenia oświetlenia. Kamera i obiektyw z AI są w stanie pracować poprawnie w warunkach bardzo dużych zmian oświetleniem, gdzie zwykła kamera jest bezużyteczna. Kamera z AI jest wyposażona w specjalne wyjście sterujące obiektywem z AI. W zależności od sygnału na tym wyjściu obiektyw zamyka lub otwiera przesłonę utrzymując ilość światła padającego na obiektyw na stałym poziomie. Pozwala to także otrzymać dobra ostrość w całym polu obserwacji. Sterowanie obiektywem z Auto IRISem może odbywać na dwa sposoby:

• Video - IRIS, sterowanie sygnałem proporcjonalnym do oświetlenia. Kamera posiada wyjście sygnału o wartości proporcjonalnej do oświetlenia. Ten sygnał steruje wzmacniacz silnika obiektywu, który otwiera i zamyka przesłonę. Obiektyw z Video - AI posiada dwa potencjometry: Level, służący do ustalenia poziomu jasności który ma być utrzymany, ALC, pozwalający ustawić szybkość reakcji na zmiany oświetlenia. Szybkość reakcji można zmieniać od wartości oznaczanej PK lub P (Peak) do wartości A lub AV (Average), w pierwszym przypadku reakcja następuje na najjaśniejszy punkt ekranu, w drugim dzięki uśrednianiu, na cały obraz. Poziom jasności zmieniamy od wartości oznaczonej H (High) do wartości L (Low).
• DC IRIS, sterujemy obiektyw sygnałami stałoprądowymi. Kamera posiada wyjście sygnału bezpośrednio sterującego silnikiem obiektywu z DC-IRISem, który otwiera i zamyka przesłonę. W przypadku obiektywu z DC-AI oba potencjometry znajdują się w kamerze. Ponieważ obiektywy typu DC są tańsze warto sprawdzić, czy kamera posiada sterownik umożliwiający ich wykorzystanie.

AES (Atomatic Electronic Shutter) - Automatyczna Elektroniczna Migawka, czas otwarcia jest ustawiany w zależności od ilości światła docierającego do przetwornika, zmiana następuje w zakresie od 1,50s do 1/100000s. Czasami w bardziej zaawansowanych technologicznie kamerach możemy znaleźć możliwość ręcznego ustawienia migawki. Należy pamiętać, że wydłużenie czasu naświetlania przetwornika – zwiększa czułość kamery, ale spada “odświeżanie” obrazu –zaczyna być widoczna poklatkowość (przy długich czasach naświetlania)

AGC (Automatic Gain Control) - automatyczna regulacja wzmocnienia, utrzymuje stały poziom sygnału wyjściowego zwiększając tym samym odstęp sygnał–szum, obraz jest bardziej wyraźny lecz traci na naturalności. Wyłączenie powoduje poprawę naturalności, ale zwiększenie zaszumienia.

BACKLIGHT - automatyczna regulacja intensywności oświetlenia za obserwowanym obiektem.

BLC (Back Light Compensation) - funkcja pozwalająca poprawić jakość prześwietlonego obrazu, włącza się w momencie kiedy powyżej 50% centralnej części przetwornika jest prześwietlonych.

EKLIPSA - pozwala zasłonić prześwietlone punkty, podobnie jak poprzednia funkcja także i ta zwiększa wyrazistość obrazu.

FLON – funkcja pozwalająca na wyeliminowanie “migotania”obrazu

GAIN – ustawienie szybkość reakcji przesłony na zmiany oświetlenia.

L.L./INT. – przełącznik (stosowany w kamerach zasilanych napięciem zmiennym) pozwala na synchronizację z siecią zasilającą lub synchronizację z wewnętrznego układu wbudowanego w kamerze.

MES (Manual Electronic Shutter) - ręczna elektroniczna migawka, możliwe ustawienia to: 1/50s, 1/120s, 1/250s, 1/500s, 1/1000s, 1/2000s, 1/5000s, 1/10000s oraz 1/12000s. Y/C OUT - alternatywne gniazdo sygnału wizji (mini-DIN) Informacja o obrazie jest przenoszona odrębnymi sygnałami luminancji (Y) i chrominancji (C). Luminancja jest informacją o jasności obrazu, natomiast chrominancja niesie dane o kolorze

WB (White Balance) funkcja pozwalająca na korektę obrazu w związku z różnym rodzajem oświetlenia, w najprostszej postaci sprowadza się ona do przełącznika IN (światło sztuczne) - OUT (światło naturalne). W bardziej zaawansowanych kamerach istnieje również możliwość indywidualnych ustawień tego parametru. Wówczas spotykane jest oznaczenie przełącznika - AWB/PWB . W pozycji automat (AWB) temperatura kolorów 1800-2000st. K. Pozycji PWB pozwala na wyłączenie automatu i własne ustawienia balansu bieli za pomocą zazwyczaj dodatkowego przełącznika lub potencjometru.

Czułość kamer w zakresie podczerwieni. Typowa kamera czarno-biała jest czuła na promieniowanie z zakresu widzialnego przez oko ludzkie (400 - 770nm) oraz z przylegającego do niego zakresu podczerwieni (770 - 850nm). W zakresie podczerwieni czułość ta jest jednak mniejsza, dlatego przydatność kamer do obserwacji w podczerwieni jest nieco ograniczona. Ten problem jest częściowo eliminowany w specjalnych kamerach o maksymalnej czułości przesuniętej ku podczerwieni 850nm - 1000nm. Są to kamery termowizyjne, niestety cena ich jest bardzo wysoka.

Kamery kolorowe a obserwacja w nocy. Kamery kolorowe nie mają możliwości obserwacji w podczerwieni, ze względu na wbudowany filtr podczerwieni eliminujący wpływ tego pasma na precyzyjne oddawanie barw. Istnieją kamery kolorowe, które po zmierzchu przestawiają się na tryb czarno-biały. Przejście w tryb monochromatyczny nie oznacza, że kamera ta będzie dobrze pracować w podczerwieni (mają wbudowany filtr podczerwieni).

Gdy chcemy zastosować kamerę kolorową do obserwacji w nocy, wówczas należy stosować kamery typu Noc/Dzień. Kamery takie nie posiadają filtru podczerwieni wycinającego ten rodzaj światła, jak to ma miejsce w przypadku zwykłych kamer kolorowych.

Kamera przewodowa czy bezprzewodowa. Kamery bezprzewodowe posiadają wbudowany nadajnik pracujący w zakresie 900, 1200, 1500, 2400 MHz, a czasem także innym. Generalnie stosowanie kamer bezprzewodowych jest ograniczone do zastosowań nieprofesjonalnych. Podstawową wadą tego rozwiązania jest wrażliwość na czynniki zewnętrzne, np. zakłócenia elektromagnetyczne. Należy pamiętać, iż ze względu na ograniczoną szerokość pasm stosowanych przez kamery bezprzewodowe, w jednym systemie może pracować ograniczona liczba takich kamer. Według Prawa Telekomunikacyjnego każda instalacja radiowa wymaga pozwolenia (art. 3.4." używanie urządzeń radiowych wymaga pozwolenia radiowego).

Problemy synchronizacji odchylania. Komfort podglądu kamer za pośrednictwem zmieniacza jest znacząco redukowany, szczególnie przy krótkich czasach przełączania, przez występujący “zaskok” synchronizacji w monitorze. Jest to spowodowane tym, iż każda kamera, mimo że generuje sygnały synchronizacji odchylania o tej samej częstotliwości, to jednak są to zawsze sygnały o różnych fazach. W przypadkach, kiedy ten problem ma istotne znaczenie dla pracy układu warto zastanowić się nad zastosowaniem kamer o zewnętrznej synchronizacji za pośrednictwem sieci energetycznej, np. firmy Philips LTC0500 i LTC0600. Dodatkowa regulacji przesunięcia fazowego, pozwala na synchronizację kamer nawet przy zasilaniu z różnych faz. Innym rozwiązaniem jest spięcie kamer dodatkowym przewodem, którym sygnał synchronizujący jest rozsyłany do każdej kamery. Najczęściej sygnałem synchronizującym jest sygnał wizji, odchylania pionowego, odchylania poziomego albo poziomego i poziomego.

Problem uziemienia w kamerach. Błędy w prowadzeniu masy mogą prowadzić do pogorszenia jakości, np. pojawienia się pasów pochodzących od przydźwięku sieci. Masy sygnałowe powinny łączyć się w urządzeniu typu zmieniacz. Nie należy łączyć ze sobą mas sygnałowych np. przy kamerach. Bardzo ważne jest także rozdzielenie masy zasilania od masy sygnałowej, czyli unikanie wykorzystywania w tym celu jednego przewodu.
Osobnym tematem jest uziemianie metalowych obudów zewnętrznych, które jest obowiązkowe, jeśli kamera jest zasilana napięciem przemiennym 220V. Ze względu na różnice faz, jest niedopuszczalne łączenie masy sygnałowej z obudową kamery, dlatego zalecane jest stosowanie obudów pozwalających na galwaniczną izolację mas sygnałowych (w tym obudowy kamery) od masy obudowy.

Typy mocowań obiektywów w kamerach. Najczęściej spotykane są dwa: C oraz CS. Podstawową różnicą jest inna odległość obiektywu od powierzchni przetwornika. Zazwyczaj kamery i obiektywy posiadają mocowanie typu CS, które jest bardziej uniwersalne, gdyż po dodanie pierścienia pośredniczącego umożliwiają montaż do urządzenia z mocowaniem typu C. Odwrotne przejście jest niemożliwe.

Normy szczelności. Normy IPxy definiują odporność obudowy kamery na wpływ warunków zewnętrznych. x - jest liczba określająca odporność mechaniczną, a y - to liczba określająca odporność na zawilgocenie. Obudowy wystarczająco odporne na wilgoć i zapylenie mają oznaczenie IP65 lub IP66. Obudowy całkowicie wodoodporne noszą oznaczenie IP67 lub IP68. Większość obudów kamer kompaktowych jest nieodporna na wodę.

Dobór kamery. Według normy EN 50132-7 Kryteria wyboru powinny brać pod uwagę następujące czynniki: a) zestaw kamerowy powinien spełniać wymagania użytkowe dla wszystkich podanych warunków środowiskowych; b) powinien uwzględniać przepisy bezpieczeństwa użytkowania związane z obiektem. Punkty do rozważenia przy doborze kamer to: a) balans bieli kamer telewizji kolorowej; b) przysłona elektroniczna - w związku ze zjawiskiem degradacji obrazu przy nadmiernym poziomie oświetlenia; c) długie czasy naświetlania - w związku z "rozmazaniem" konturów obiektów poruszających się; d) czułość widmowa - w związku z typem oświetlenia; e) synchronizacja zewnętrzna; zasilanie rezerwowe.

Dobór kamer i obiektywów wymaga uwzględnienia szeregu czynników, takich jak: pory roku, warunki atmosferyczne, wielkość przedmiotów i osób w polu widzenia i inne. Wybór: kolorowa czy czarno - biała jest uwarunkowany zastosowaniem kamery. Więcej informacji zawiera obraz kolorowy, dlatego że ułatwia rozróżnienie szczegółów, jest lepiej zapamiętywany, szybciej zauważane są różnice, w niektórych wypadkach kolor jest jedyna informacją umożliwiającą sprecyzowanie opisu sytuacji. Wadą kamer kolorowych jest wyższa cena i mniejsza czułość. Wybieramy kamerę czarno - białą, jeśli wystarczy stwierdzenie faktu obecności. Także w warunkach słabego oświetlenia tylko czarno - biała kamera o dużej czułości pozwoli na odpowiedni dozór.