Камери за видеонаблюдение

В тази статия ще се спрем малко по-подробно на една по-особена група от видеокамерите, а именно камерите за видеонаблюдение. Те съществуват в множество разновидности по външно оформление, климатични особености, захранване, интефейси, наличие или липса на вградено осветление, микрофони и високоговорители, степени на движение на механичната конструкция, която ги поддържа, вградени средства за сигнализация, способност за нощно виждане или виждане при лоши метеорологични условия, вид на кодирането на видеосигнала и много други параметри.

Камерите са сложни устройства с десетки и дори стотици технически характеристики и особености, които трябва да се вземат предвид. Първите камери бяха аналогови, с доста ниска разделителна способност и с лошо качество на изображенията. През последните години обаче на пазара се пуснаха сравнително евтини и висококачествени камери с висока разделителна способност, напр. така наречените Megapixel IP Camera. Тези камери предлагат не само по-високо качество на изображенията и възможност да се наблюдават детайли с малки размери, но и по-широк обхват на наблюдение.

Част от камерите имат подвижна оптика (auto iris lens), позволявайки проследяване на обекти при различно ниво на осветеност и при различни видове осветление и различни разстояния. Това е важно за камерите за външно наблюдение, които се намират в светлинна обстановка, променяща се в големи граници и понякога много рязко. Това е полезно и за обекти с голям контраст и навсякъде, където осветеността се променя в големи граници и наблюдаваните обекти може да се преместват. Времето на адаптация на камерата към промяната на осветеността е в доста широк обхват в зависимост от конкретния модел.

Камерите се различават много в зависимост от зрителното си поле (field of view). Зрителното поле се определя от типа на камерата, мястото и начина на монтаж, използваната оптика, разрешаващата способност на сензора и от други параметри. Това е важен параметър защото определя площта покривана от една камера. Понякога полетата на две или повече камери се припокриват с цел да се повиши сигурността на наблюдението. Освен това всяка камера има и мъртва зона, в която не може да наблюдава при дадена позиция. Това трябва да се вземе предвид при изграждане на инсталацията за видеонаблюдение.

Повечето съвременни камери за видеонаблюдение компресират (свиват) изображенията преди да ги предадат по информационнната мрежа, към която са включени. Най-често използваните технологии за компресиране на видео сигнали в момента са Motion JPEG и MPEG-4. Една от последните технологии е H.264, която води до значително намаляване на размерите на висококачествените изображения. Методът JPEG се използва също, но най-вече като метод за компресиране на фотографски (статични) изображения. Степента на компресия може да се контролира, така че да се получи компромис между качество на кодираното изображение и размера на файла. Използва се за прехвърляне на снимки по локални мрежи и интернет. Методът Motion JPEG или MJPEG е сравнително прост метод за предаване на поредица от компресирани изображения по локална мрежа. Използва се, когато се снимат движещи се обекти, като степента на компресиране може да се регулира, така че да се получи желаният компромис.

При описание на камерите, методите и стандартите за обработка на изображения се използва често съкращението MPEG (Moving Pictures Expert Group), като синоним на група от стандарти за аудио и видео компресиране. Всъщност става дума за група от експерти формирана от ISO (International Standard Organization), създадена за разработка и утвърждаване на тези стандарти. Всеки стандарт има своя област на приложение. Напр. стандартът за компресиране на изображения MPEG-4 е оптимизиран да даде високо качество на изображенията при малък обем на предаваните файлове.

Скоростта на видео-кадрите в камерите за видеонаблюдение обикновено може да се регулира. Тя най-често е доста по-ниска от скоростта, с която се предават изображенията в широкоразпространените телевизионни стандарти. Това е направено с цел да се икономисва памет на записващите устройства и да се намали натоварването на свързващата информационна мрежа, но може да е проблем при откриване и проследяване на бързодвижещи се обекти.

Част от модерните охранителни камери имат възможност за откриване на движещи се обекти като размерът на обекта и минималната му скорост на движение, при която се включва алармата, може да се програмират. Тази характеристика на камерите се нарича откриване на движение (Motion Detection). Ако камерите не може да откриват автоматично движение, това може да става донякъде и със софтуер върху компютъра, управляващ системата за видеонаблюдение.

Съвременните видеокамери се нуждаят от все по-малка мощност за захранване, за да работят. Това даде възможност да се приложи технологията PoE (Power over Ethernet), която позволява информационният (мрежовият) кабел да се използва както за прехвърляне на информация, така и за захранване на камерите. По този начин камерите са независими от мрежовото захранване и може да се монтират и на места, където няма такова.

В началото камерите за видеонаблюдение бяха неподвижно монтирани. Дори и сега повечето камери са неподвижни защото това е по-евтиното и по-надеждното решение. Ниската цена на съвременните камери даде възможност на една стойка да се монтират няколко камери, които да покриват всички посоки без да се движат. Съществуват и камери, способни да извършват определени движения, като движение в кръг, движение напред-назад или дори нагоре-надолу в зависимост от степените на свобода на монтираната механика. Това е удобно, когато трябва да се проследяват движещи се обекти, но все пак е скъпо и не винаги надеждно решение. Движението може да се контролита дистанционно от центъра за видеонаблюдение или да се управлява от самата камера, когато проследава движещ се обект.

Камерите, които се движат напред и назад, се наричат понякога Pan cameras. Има и по-съвременни решения, като например камерите от типа PTZ (Pan-Tilt-Zoom), които позволяват да се наблюдават по-големи райони, благодарение на движението на камерата, на фокусиращата оптика и на стойката на камерата.

Както стана дума Pan се нарича способността на камерата да се движи напред и назад в хоризонталната равнина, а Tilt е способността на камерата да се движи нагоре и надолу във вертикалната равнина. Zoom е способността да се увеличава или намалява изображението. Управлението на тези три функции обикновено е дистанционно.

Един от важните параметри на камерите е разделителната способност. На пазара се намират камери с доста голямо разнообразие по този параметър. Камерите с ниска разделителна способност имат обикновено от 100 до 300 реда и се изпозлват само за създаване на обща картина на наблюдавания райнон, тъй като при такива параметри разпознаването на лица и надписи е доста трудо. Камерите с висока разделителна способност са с 500-600 реда, а в по-специалните случаи и с много повече. Чрез тях може по-уверено да се разпознават лица и да се наблюдават и малки по размери движещи се обекти

Камери за външно и вътрешно наблюдение
Камерите за външно и вътрешно наблюдение са различни, както по конструкция, така и по електрически параметри. Тези за външно наблюдение трябва да издържат на по-широк обхват от атмосферни условия (и понякога се наричат weatherproof). При тях сензорите обикновено са с по-малка разделителна способност, напр. 0.3 - 2 мегапиксела (300,000 - 2,000,000 елемента в едно изображение или пиксела, pixels) и освен кожух използват и покриваща или обхващаща конструкция. При камерите за вътрешно наблюдение защитата от външни въздействия е по-слаба, но има по-съвършена оптика и по-висококачествени сензори, например, за 1-3 мегапиксела и повече. В тези данни не се включват камерите за налюдение на военни обекти, държавни граници, специални производствени процеси и др., които предлагат много-по-високи параметри, но и на много по-висока цена. Разделителната способност в пиксели на масово използваните камери може да е от 640х480 пиксела или дори по-малка до 1600х1200 пиксела и дори по-голяма.

На пазара най-често срещаните разделителни способности на камерите са 640(H)х480(V), 1024(H)х768(V), 1080(H)х960(V), 1600(H)х1200(V), където с V(Vertical) и H(Horisontal) са дадени разделителната способност по хоризонтала и по верикала. Тези параметри са близки до аналогичните параметри на мониторите на компютрите и на екраните на телевизорите. Форматът на изображението от камерите обикновено е 4:3, но има и изключения.

Камерите се класифицират по много признаци. Например, такива за дневно виждане, нощно виждане и универсални (day/night cameras). Съвременните камери се нуждаят от много слаба естествена или изкуствена осветеност, за да виждат в тъмното. Например, цветните камери с разделителна способност от 560 реда и чувствителност от 0.0001Lux са в масово производство.

Част от компютеризираните камери имат пароли, които се установяват от специален софтуер, така че не всеки получил достъп до управляващия компютър да може да наблюдава изображенията от всички камери. При този тип камери може да се избира и формата за кодиране на приетите изображения, като най-често срещаните са H.264, MJPEG-4 и MJPEG.

Кадровата честота на предаваните изображения от камерите е обикновено от 4 до 30 кадъра в секунда. Камерите с 30 и повече кадъра за секунда обикновено се наричат камери за реално време (real-time video frame rate). Съществуват камери със 100 и повече кадъра за секунда. Някои от камерите могат да предават изображения с по-висока разделителна способност на по-ниска кадрова честота и изображения с по-малко детайли на по-висока кадрова честота.

Откачването на камерата от стойката или изключването й от информационната мрежа обикновено включва аларма на управляващия пулт.

Сензори за камерите
Сензорите за камерите и отпиката им определят до голяма степен техническите им параметри, цената им и областите на приложение. В масовите приложения се използват два вида сензори по технологиите CCD и CMOS, като засега изглежда превесът е все още към първите. CCD сензорите се появяват исторически първи, но с различна област на приложемие. CMOS сензорите започват своето бурно развитие двадесетина години по-късно, но бъзро застигат своите предшественици по много параметри.

Сензорите от типа CCD (Change Coupled Devices – прибори със зарядна връзка) водят началото си от лабораториите на А&ТBell Labs в САЩ , където през 1969 г. е създадена първата технология в тази област, която обаче първоначално не е насочена към видео приложения. За по-малко от десетина години много водещи полупроводникови фирми и фирми от областта на фотографията развиват технологията и се стига до видео-приложения в областта на астрономията, военната промишленост и дори до масово производство на евтини фотоапарати и камери. Камери с разделителна способност от 5-10 мегапиксела по тази технология не са рядкост и новост.

CMOS (Complenetary Metal-Oxide Semiconductor) е технология за производство на интегрални схеми с ниска консултация, която се използва и за производство и на сензори за видеокамери (CMOS senrors). Технологията е създадена и патентована през 1967 г. в САЩ и в началото се използва главно за цифрови схеми. Сензорите по тази технология се прилагат главно в системите за машинно зрение и в автомобилната промишленост. Тъй като сензорите предлагат все по-високи скорости, кадрови честоти и разделителни способностти при понижаваща се цена, се предполага и все по-голямата им употреба в охранителните видеокамери.

Всъщност, CMOS и CCD сензорите са базирани на едни и същи принципи и в известен смисъл имат допълващи се характеристики. Затова и водещи фирми в тази област използват и двете технологии. В една инсталация може да се използват камери от двата вида, за да се получи желаният ефект. Максималната чувствителност на CCD камерите е за оптически вълни с дължина около 550nm, а на CMOS камерите е при около 650-700nm.

Като опростено правило за избор може да се каже, че CCD камерите са за приложения с ниска осветеност, а CMOS сензорите са за приложение с голяма осветеност. Когато трябва да се открие сигнал, който е съизмерим с нивото на шума CMOS камерите са по-неподходящи от CCD камерите. Ето защо последните се използват например в астрономията и за нощно наблюдение при слабосветещи предмети. CMOS камерите обаче може да имат динамичен обхват от 100dB – нещо непостожимо за повечето CCD камери. CCD камерите имат проблеми, когато изключително ярка светлина попадне върху тях, като проблемът засега няма приемливо универсално решение.

Електрозахранване на камерите
Съвременните камери имат обикновено по няколко възможности (опции) за електрозахранване. Използване на стандартната електрическа мрежа от 110/220/240V и 50/60Hz обикновено не се подвежда до камерите от съображения за сигурност. Освен това, едно от основните изисквания са камерите да продължат да работят и след отпадане на мрежовото захранване, а това е най-просто при директно захранване от 12 волтови акумулатори.

Съвременните камери стават с все по-ниска консумация. От няколко десетки вата, необходими за захраване на камерите преди десетина години, се стига до мощности по-малки от няколко вата и дори по-малки от половин ват и тенденцията е към все по-малка консумация. Говори се за ембедед системи с консумация от миливати (mW) и дори нановати (nW).

Съществуват следните основни опции за захранване. Захранването от 12V+ -10% е основната между тях, като се има предвид директно постояннотоково захранване от 12V буферни акумулатори. Консумацията зависи до голяма степен от камерата и свързаната с нея електроника. Съществуват камери с консумация по-малка от 20mA и камери, чиято консумация достига и дори надминава 1А.

Част от камерите имат и вградена опция за захранване от 24V, като обикновено става дума за променливотоково захранване с толеранс от +-20%. В други случаи захранването може да е постояннотоковo от 24 волтов акумулатор.

Някои от камерите, които не са за монтиране на критични места, се захранват от адаптери, влючени към основната електрическа мрежа или дори от портове на компютъра, който ги управлява, например, портове по стандарта USB или Firewire. Последното е възможно на разстояние само до няколко метра, но е евтино и високо-скоростно решение.

Камерите с ниска консумация и с интефейс за интернет може да получат захранване и по кабела на компютърната мрежа.

Тенденцията при захранването на камерите е да са с все по-ниско напрежение. Например, в продажба се намират миниатюрни камери за видеонаблюдение с размери по-малки от 7.5mmx7.5mm и със захранване на 9V и дори по-ниско.

Избор, монтаж и оценка на инсталацията
Тъй като видеокамерите станаха сложни многофункционални устройства, отговарящи на множество стандарти и изисквания, то не е никак лесно да се реши точно какви камери да се купят и къде да се инсталират. Още повече, че параметрите на камерите са дефинирани при определени условия.

Нещата се усложняват още повече, когато системата с камерите се изгражда на няколко етапа в продължение на няколко години. Такива системи обикновено се изграждат първоначално с аналогови устройства (камери, интерфейси, монитори и записващи устроиства). След това се закупуват и цифрови устройства и се правят опити да се интегрират в съшествуващата аналогова система, или да започне постепенното изместване на по-старите технологии. Пълното заместване не винаги се налага и затова част от институциите изграждат хибридни системи, съвместяващи аналоговата и цифровата техника. Като пример на такъв подход е закупуването на ново универсално записващо устройство, към което могат да се включват както старите аналогови камери, така и новите цифрови.

Обикновено изборът на камери, проектирането на инсталацията и нейната реализация се правят от специализираните фирми-инсталатори, които могат да работят с дистритрибуторите на съответните продукти или да са самостоятелни. Част от по-големите дистрибутори може да имат и подразделения за проектиране, инсталиране и поддръжки на системите за видеонаблюдение.

Изборът на хардуер и офтуер, проектирането и реализацията на системата за видеонаблюдение обикновено става на два етапа. При първия се монтира предвидената техника, а при втория, в зависимост от получените резултати, се прави допълнително монтиране на устройства или смяна на местата на част от монтираните камери.

Външните камери са особена грижа, тъй като обикновено изискват допълнителни строително-монтажни работи и мерки за защита на камерите както от атмосферните влияния, така и от вандализъм.