Inteligentné kamerové systémy v zabezpečovacej technike · SLOVAK TECHNICAL UNIVERSITY BRATISLAVA FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

KATEDRA MIKROELEKTRONIKY

Diplomová práca

Inteligentné kamerové systémy v zabezpečovacej technike

Vypracoval: Bc. Marek Podmaka Odbor: Elektronika Vedúci práce: Ing. Milan Kempný December 2005 prof. RNDr. Vladimír Tvaroek, PhD.

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

KATEDRA MIKROELEKTRONIKY

Inteligentné kamerové systémy v zabezpečovacej technike

Diplomová práca

Bc. Marek Podmaka

Vedúci diplomovej práce:

Ing. Milan Kempný, prof. RNDr. Vladimír Tvaroek, PhD.

ANOTÁCIA

Práca sa zaoberá kamerovými systémami a ich pouitím v zabezpečovacej technike a uzavretých televíznych okruhoch (CCTV). Pozornosť je venovaná aj stavbe CCD senzorov a ich základným parametrom, ktoré môu priamo alebo nepriamo ovplyvňovať výslednú kvalitu obrazu kamery. V ďalej časti je spracovaný prehľad zariadení pouívaných v systémoch CCTV aj s niektorými príkladmi. Venujem sa aj vyuitiu systémov automatickej videodetekcie a moným problémom pri jej pouívaní. Ďalej sa nachádza vysvetlenie niektorých princípov, ktoré je potrebné dodrať pre správnu funkciu celého kamerového systému a objasňujem pecifiká pouitia kamier v IR oblasti. Posledná kapitola sa venuje návrhu meracieho pracoviska na meranie spektrálnych charakteristík a kamier vo viditeľnej aj IR oblasti spektra. Prezentované sú aj výsledky merania citlivosti a zorného uhla meraných kamier.

SLOVAK TECHNICAL UNIVERSITY BRATISLAVA

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY

DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS

Use of intelligent CCTV systems in security surveillance

Diploma Thesis

Bc. Marek Podmaka

Supervisor:

Ing. Milan Kempný, prof. RNDr. Vladimír Tvaroek, PhD.

ANNOTATION

This project introduces Closed Circuit Television (CCTV) systems and their use in security surveillance systems. Structure of CCD sensors is explained together with their parameters, which may affect the quality of final camera image. Following chapters present outline of devices used in CCTV systems with some examples. Next part describes principles and usage of video motion detection (VMD) systems. We also describe some major principles, which should be met for CCTV systems to work reliably. Accent is given to systems working with infrared (IR) light. Last chapter address design of measurement equipment for measuring of basic parameters of CCD cameras in visible and IR portion of light spectrum. Measurement results are presented and analyzed.

Marek Podmaka Inteligentné kamerové systémy v zabezpečovacej technike

strana 4

Obsah

1. Úvod.................................................................................................................................... 6 2. Charakteristika svetelného iarenia..................................................................................... 7

2.1 Vysvetlenie pojmu svetlo............................................................................................ 7 2.2 Spektrum svetelného iarenia ..................................................................................... 7 2.3 Človek ako detektor iarenia....................................................................................... 7

3. CCD senzor ......................................................................................................................... 9 3.1 Funkcia a druhy CCD senzorov .................................................................................. 9 3.2 Niektoré parametre a vlastnosti CCD senzorov ........................................................ 11 3.3 Prehľad CCD senzorov na trhu ................................................................................. 13

4. CCTV v ochrane objektov ................................................................................................ 14 4.1 História a vývoj systémov CCTV ............................................................................. 14 4.2 Prepojenie CCTV s ostatnými zariadeniami ............................................................. 15

5. Kamery a prísluenstvo ..................................................................................................... 16 5.1 Kamery...................................................................................................................... 16 5.2 Objektívy................................................................................................................... 17 5.3 Prísluenstvo ............................................................................................................. 18

6. Prenos obrazu .................................................................................................................... 20 6.1 Metalické vodiče ....................................................................................................... 20 6.2 Optické vodiče .......................................................................................................... 20 6.3 Bezdrôtové systémy .................................................................................................. 21 6.4 Systém CCTP............................................................................................................ 21

7. Spracovanie obrazu z kamier ............................................................................................ 22 7.1 Multiplexory.............................................................................................................. 22 7.2 Záznamové zariadenia............................................................................................... 22 7.3 Monitory.................................................................................................................... 23

8. VMD Video Motion Detection ...................................................................................... 25 8.1 Výhody VMD oproti PIR a MW pohybovým čidlám............................................... 25 8.2 Analógové systémy ................................................................................................... 25 8.3 Digitálne systémy...................................................................................................... 25 8.4 Porovnanie samostatných zariadení a VMD na báze PC.......................................... 26 8.5 Podmienky pre správnu funkciu VMD ..................................................................... 27

9. Princípy správneho návrhu kamerového systému............................................................. 28 9.1 Potrebné rozlíenie .................................................................................................... 28 9.2 Dostatočné osvetlenie................................................................................................ 28 9.3 Umiestnenie kamery.................................................................................................. 29

10. Vyuitie systémov v infračervenej oblasti ........................................................................ 30 10.1 Aktívne alebo pasívne? ............................................................................................. 30 10.2 Osvetlenie.................................................................................................................. 30 10.3 Spektrálna citlivosť ................................................................................................... 31 10.4 Objektívy................................................................................................................... 31 10.5 Odrazivosť................................................................................................................. 33 10.6 Skutočná citlivosť kamery ........................................................................................ 33 10.7 peciálny IR filter ..................................................................................................... 33


strana 5

11. Meracie pracovisko na meranie základných parametrov CCD kamier v IR oblasti ......... 36 11.1 Návrh pracoviska pre meranie spektrálnych charakteristík ...................................... 36 11.2 Parametre pouitých kamier...................................................................................... 37 11.3 Meranie relatívnych spektrálnych charakteristík ...................................................... 37 11.4 Popis činnosti meraných kamier ............................................................................... 39 11.5 Spektrálne charakteristiky starích typov kamier ..................................................... 42 11.6 Meranie minimálneho osvetlenia .............................................................................. 43 11.7 Zorný uhol................................................................................................................. 44

12. Záver ................................................................................................................................. 45 13. Pouitá literatúra ............................................................................................................... 46


strana 6

1. Úvod Kamerové systémy majú stále veľké uplatnenie aj v oblasti zabezpečovacích systémov.

Pouívajú sa na sledovanie objektov, pozemkov, kde je obmedzený pohyb osôb, ale aj tam, kde je pohyb osôb frekventovaný napríklad na runých kriovatkách, v obchodných domoch, ale aj v uliciach. Pomáhajú stráiť a chrániť nielen majetok, ale aj bezpečnosť ľudí. Napríklad po naintalovaní kamier do centra Bratislavy klesla na sledovaných miestach kriminalita o viac ako polovicu. Záznam z kamery následne slúi ako dôkaz pre usvedčenie páchateľa. Jeho zadranie je umonené rýchlou reakciou operátora monitorovacieho centra, ktorý okamite po spozorovaní nejakej udalosti kontaktuje hliadku polície. Taktie pomáhajú riadiť dopravu kamery na diaľniciach alebo veľkých kriovatkách umoňujú operátorom napríklad flexibilné prispôsobovanie svetelnej signalizácie tak, aby bola plynulosť premávky čo najväčia.

V súčasnosti u nie sú tieto systémy výsadou veľkých firiem vďaka klesajúcim cenám si ich môu dovoliť aj malé firmy, či jednotlivci. Výhodou je iroká ponuka rôznych zariadení, take kadý si môe zostaviť zabezpečovací systém podľa svojich poiadaviek a samozrejme aj finančných moností. V súčasnosti sa prechádza na digitálne spracovanie a uchovávanie záznamov, čo v spolupráci so systémami VMD umoňuje plne automatizovanú prevádzku týchto systémov. V dnenej dobe je potrebné mať majetok pod kontrolou aj v noci a práve na to je najvhodnejie pouiť kamery pracujúce v infračervenej oblasti spektra. Táto práca sa venuje pouitiu kamerových systémov pri zabezpečení objektov, popisuje činnosť CCD detektora a prehľad rôznych typov výrobkov na trhu. Druhá časť je venovaná správnemu návrhu kamerových systémov pracujúcich v IR oblasti a meraním niektorých základných charakteristík kamier.


strana 7

2. Charakteristika svetelného iarenia

2.1 Vysvetlenie pojmu svetlo

Z hľadiska fyziky je viditeľné svetlo priečne elektromagnetické iarenie s frekvenciami 380 790 THz, čie má vlnové dĺky v rozsahu 380 780 nm. Vnímanie svetla ako fyzikálneho javu sa počas naej histórie menilo. Aj v súčasnosti je zaradenie svetla ako fyzikálneho javu rozporuplné. Súčasná korpuskulárno-vlnová teória povauje svetlo aj za elektromagnetické vlnenie, aj za tok častíc fotónov. Je to spôsobené tým, e svetlo sa naozaj správa ako vlnenie, čo dokazujú mnohé jeho optické vlastnosti ako interferencia, či ohyb. Niektoré javy (ako napríklad fotoelektrický jav) je zase moné vysvetliť iba pomocou korpuskulárnej teórie, ktorá predpokladá, e výmena energie medzi iarením a telesami neprebieha spojito, ale po určitých malých mnostvách, tzv. kvantách energie, ktoré sa nazývajú fotóny. írenie svetla je najlepie mono vysvetliť vlnovou teóriou a interakciu svetla s inými látkami korpuskulárnou teóriou.

2.2 Spektrum svetelného iarenia

Svetlo je teda elektromagnetické iarenie s určitými vlnovými dĺkami. Kadá vlnová dĺka zodpovedá jednej farbe. Od červenej, cez oranovú, ltú, zelenú, modrú a k fialovej. iarenie s menou vlnovou dĺkou ako fialové sa nazýva ultrafialové (UV). iarenie s väčou vlnovou dĺkou ako červené sa nazýva infračervené (IR) a rozdeľuje sa na blízke, stredné, vzdialené a veľmi vzdialené IR iarenie. Z hľadiska kamier je najdôleitejia oblasť viditeľného svetla (VIS) a blízkeho IR, kde sú ete citlivé senzory vyuívajúce kremík. IR iarenie s vlnovými dĺkami 3 5 µm a 8 12 µm má charakter tepelného iarenia, a preto sa kamery citlivé v tejto časti spektra nazývajú termovízne a zachytávajú IR iarenie, ktoré vyarujú snímané objekty. Poznáme 3 druhy spektier spojité, čiarové a pásové. iarenie pozostávajúce iba z jednej vlnovej dĺky nazývame monochromatické.

Typ iarenia frekvencia (Hz) vlnová dĺka (cm) Rádio < 3·109 > 10

Mikrovlnné 3·109 3·1012 10 0,01 IR 3·1012 4,3·1014 0,01 7·10-5

VIS 4,3·1014 7,5·1014 7·10-5 4·10-5

UV 7,5·1014 3·1017 4·10-5 10-7

Röntgenové 3·1017 3·1019 10-7 10-9

Gamma > 3·1019 < 10-9 Tab. 2.1: Spektrum elektromagnetického iarenia

2.3 Človek ako detektor iarenia

Človek vníma elektromagnetické iarenie rôznymi zmyslami. IR iarenie vnímame koou a pociťujeme ho ako teplo. Viditeľné iarenie zase vnímame očami. Oči obsahujú dva typy fotoreceptorov čapíky, ktoré umoňujú denné farebné videnie a tyčinky, ktoré nám umoňujú vidieť aj v noci. Vidieť nám pomáhajú niektoré vlastnosti očí akomodácia (schopnosť zaostriť aj na veľmi blízke predmety), rýchlosť vnímania (respektíve zotrvačnosť oka, ktorá sa vyuíva v televíznej technike), zorné pole (časť priestoru, ktorú dokáeme vidieť bez pohybu očných svalov, typicky cca 8° horizontálne a 6° vertikálne), obhľadové pole (časť


strana 8

priestoru, ktorú dokáeme vidieť pri zapojení očných svalov), rozliovacia schopnosť, zraková ostrosť, priestorové videnie a adaptácia oka na rôzne svetelné podmienky.

Adaptácia oka je schopnosť prispôsobiť sa rôznym intenzitám osvetlenia. Celkový dynamický rozsah oka je a 1.000.000.000:1 (od plnej adaptácie na nočné videnie a po plnú adaptáciu na priame slnečné svetlo). Normálny dynamický rozsah pri oku adaptovanom na nejakú úroveň osvetlenia je okolo 30.000:1. Dosiahnuť takéto hodnoty pri kamerách je prakticky nemoné. Adaptácia oka spočíta v schopnosti meniť priemer zornice (clona) a schopnosť fotoreceptorov chemicky meniť svoju citlivosť.


strana 9

3. CCD senzor

3.1 Funkcia a druhy CCD senzorov

CCD (Charge Coupled Device) je polovodičový prvok, ktorý premieňa svetelné iarenie na elektrický signál (teda energiu dopadajúcich fotónov na tok elektrónov). CCD obvody sa realizujú MOS truktúrami. CCD senzor je zloený z jednotlivých obvodov CCD usporiadaných do pravidelnej mrieky, čím je umonená schopnosť zachytávať obraz. Signál sa prenáa tak, e náboje sa postupne presúvajú z jedného prvku CCD na druhý a takto prídu a na kraj senzora, kde sa nachádza výstupný register. Posúvanie náboja je riadené napätím, ktoré sa postupne privádza na jednotlivé prvky. Poznáme dva základné druhy CCD senzorov riadkové (jednorozmerné) a ploné (dvojrozmerné).

Riadkové senzory obsahujú rad fotoelementov, oddeľovacie prenosové hradlo a posuvný register pre transport nábojov. Ako detektory sa pouívajú buď MOS kapacitory alebo fotodiódy s PN prechodom. Vyrábajú v rôznych vyhotoveniach, ktoré sa líia aj počtom transportných registrov a počtom výstupov. Pre farebné snímanie sa pouívajú tri rady elementov pod sebou, kadý s vlastným oddeľovacím hradlom, posuvným registrom aj výstupným napätím. Na kadý riadok je aplikovaný farebný filter. Nevýhodou je, e takto klesá rozliovacia schopnosť senzora a to, e jednotlivé farebné zloky sú oproti sebe mierne posunuté, čo je treba kompenzovať buď vhodnou optikou alebo posunom pri snímaní. Riadkové senzory sa vyuívajú na presné snímanie veľkých predlôh, kde je pevne daná írka predlohy (podľa dĺky senzora). Dĺka predlohy nie je obmedzená, pretoe pri snímaní sa vdy posúva buď predloha (napr. fax) alebo priamo senzor (napr. ploné scannery). Vertikálna rozliovacia schopnosť takéhoto systému potom závisí len od jemnosti s akou dokáeme zabezpečiť toto posúvanie.

Ploné CCD senzory môeme rozdeliť do niekoľkých skupín podľa vnútorného usporiadania a pouitia. Sú to senzory typu FF (Full Frame), TDI (time delay and integration), FT (frame transfer), IL (interline transfer) a FIT (frame interline transfer).

Plnosnímkové senzory (FF) nemajú posuvné registre pri kadom svetlocitlivom elemente. Tieto elementy slúia najskôr ako fotodetektory a po nasnímaní obrazu fungujú ako posuvné registre, keď prenáajú náboj postupne k výstupnému horizontálnemu registru. Na regulovanie prichádzajúceho svetla je potrebná mechanická uzávierka, pretoe ináč by sa pri presúvaní náboja k obrazu pripočítavali ďalie doplnkové informácie z osvetlených elementov tzv. smear. Keďe nemajú posuvné registre, faktor zaplnenia (pomer veľkosti svetlocitlivej časti k celkovej ploche pixelu) sa pohybuje okolo 70% a teda nepotrebujú mikrooovky. Poskytujú vysokú kvalitu obrazu, veľkú citlivosť a dynamický rozsah. Preto nájdu uplatnenie hlavne v oblastiach, kde sú potrebné najlepie parametre a maximálny počet snímaných bodov, napríklad pri robení snímok v lekárstve. Pri veľkom počte snímacích elementov by prečítanie informácie z celého senzora trvalo veľmi dlho. Preto sa pri týchto senzoroch pouíva rozdelenie celej plochy na 4 časti, na ktorých mono ovládacie napätie nastavovať samostatne. Navye je horizontálny výstupný register na hornom aj dolnom okraji. Kadý z nich je v polovici rozdelený, take pre kadú časť máme vlastné výstupné napätie. Náboje z elementov v hornej polovici senzora sa posúvajú smerom k hornému výstupnému registru a naopak.


strana 10

Senzory typu TDI sa pouívajú sa snímanie pohybujúceho sa ploného obrazu (podobne ako riadkové senzory). truktúrou sú podobné senzorom typu FF, ale majú iný pomer strán (napríklad 8000x64 pixelov). Naakumulovaný nábojový obraz sa posúva súčasne s predlohou a teda efektívna doba oiarenia je oproti riadkovému snímaču niekoľkokrát väčia. Keďe sú určené na snímanie rýchlo sa pohybujúcich predmetov, majú viacero výstupných horizontálnych registrov (a 8), čím je mono dosiahnuť frekvenciu 40 a 60 MHz. Preto nájdu vyuitie napríklad ako letecké snímacie kamery, či v systémoch na kontrolu výrobkov na rýchlo beiacom páse.

Senzory typu FT sú vertikálne rozdelené na dve časti, kde dolná časť je zakrytá napareným hliníkom a slúi ako dočasná pamäť. Po nasnímaní obrazu hornou časťou senzora sa tento rýchlo presunie do dolnej časti (rýchlo, pretoe sa nemusí po kadom riadku čakať na vyprázdnenie horizontálneho registra), z ktorej sa ďalej presúva do výstupného registra v tej dobe vak u môe horná časť snímať nasledujúci obraz. Aj pri tomto type dochádza k smear efektu, a preto je treba, aby bol čas presunu nábojov z hornej polovice do dolnej čo najkratí alebo pouiť mechanickú uzávierku.

V senzoroch typu IL sa medzi kadým stĺpcom fotoelementov nachádza vertikálny posuvný register (ktorý je proti osvetleniu chránený hliníkom). Po nasnímaní obrazu sa náboj z kadého fotoelementu presunie do zodpovedajúceho elementu vertikálneho registra (teda je potrebný iba jeden presun na premiestnenie náboja do zatienenej časti senzora). Následne sa náboje začnú z týchto vertikálnych registrov posúvať smerom k horizontálnemu výstupnému registru. V týchto senzoroch dochádza k smear efektu predovetkým preto, e časť svetla sa môe dostať aj k vertikálnemu registru a tak spôsobiť dodatkové osvetlenie. Výhodou je to, e sa dá elektronicky nastaviť čas snímania obrazu (elektronická uzávierka). Tento typ senzora nepotrebuje mechanickú uzávierku, a teda môe dodávať kontinuálny obraz. Nevýhodou je malá hodnota faktora zaplnenia, ktorá sa kvôli prítomnosti vertikálneho registra pri kadom pixeli pohybuje len okolo 30%. Tento nedostatok sa odstraňuje pouitím mikroooviek (vyrobených priamo na čipe), ktoré zaostria dopadajúce svetlo iba na svetlocitlivú časť. Týmto sa faktor zaplnenia zvýi na pribline 70%.

Obr. 3.1: IL CCD s mikrooovkami

Senzory typu FIT sú kombináciou FT a IL senzorov. Senzor je podobne ako typ FT rozdelený na hornú a dolnú časť. Horná časť v tomto prípade reprezentuje truktúru rovnakú ako pri type IL, teda vedľa kadého fotoelementu sa nachádza vertikálny register. Dolná časť má rovnakú funkciu ako pri type FT. Po nasnímaní obrazu sa náboj okamite prenesie do vertikálnych registrov a odtiaľ rýchlo do dolnej pamäťovej časti, kde nehrozí dodatkové


strana 11

osvetlenie a je dosť času na prenos nábojov ďalej do horizontálneho výstupného registra. Preto majú tieto senzory najmeniu chybu spôsobenú smear efektom.

CCD senzor nepozná farby, reaguje iba na jasovú zloku (dopadajúce fotóny). Na to, aby nám poskytol farebný obraz, musíme nejako oddeliť jednotlivé farebné zloky. Na to sa pouívajú dva spôsoby. V bených kamerách sa pred samotný CCD senzor umiestňuje farebný filter čie kadý prvok sníma len jasovú zloku danej základnej farby (t.j. fotóny danej vlnovej dĺky). Najčastejie sa pouívajú filtre GRGB (green, red, green, blue), prípadne CYGM (cyan, yellow, green, magenta). Pri spracovaní sa následne pomocou interpolácie jednotlivé zloky skombinujú do výsledného farebného obrazu. Nevýhodou tohto rieenia je zníená citlivosť (filter určitú časť energie pohltí). V profesionálnych systémoch sa namiesto farebných filtrov pouíva optický hranol, ktorý jednotlivé farebné zloky oddelí. Kadá z nich je privedená do vlastného CCD senzora (take pri systéme RGB potrebujeme a 3 senzory).

Pri kadom CCD čipe sa udávajú aj počty pixelov. Celkový počet pixelov na čipe sa od počtu efektívnych pixelov líi. Časť pixelov po obvode čipu je toti zatemnená čiernou farbou a slúi na určenie prúdu za úplnej tmy (aby kamera vedela, čo u je čierna farba). Zvyné pixely sú u vystavené svetlu, ale nemusia sa priamo podieľať na výslednom obraze napríklad ak pomer strán aktívnych pixelov je iný ako pomer strán výsledného obrazu. Počet pixelov CCD senzorov pouívaných v kamerách sa pohybuje rádovo v stovkách tisícov a do jedného milióna. CCD senzory pouívané v digitálnych fotoaparátoch majú rádovo milióny pixelov a čipy pre peciálne vedecké aplikácie dokonca desiatky miliónov.

3.2 Niektoré parametre a vlastnosti CCD senzorov

Okrem bených optoelektronických parametrov ako spektrálna citlivosť, či rôzne druhy umov sú pre CCD senzory dôleité aj ďalie parametre čas uchovania informácie tu, amplitúdy riadiacich napätí, taktovacia frekvencia, ako aj efektívnosť prenosu náboja.

um CCD senzorov má niekoľko zloiek um vznikajúci pri vytváraní náboja svetelnou excitáciou, um vznikajúci pri transporte náboja a nakoniec aj um výstupného obvodu. Najväčí problém robí um spôsobený tepelnou generáciou párov elektrón diera, pretoe ovplyvňuje minimálnu rýchlosť snímania, a teda aj citlivosť. Ak by sme za normálnych podmienok nechali pôsobiť svetlo na CCD senzor niekoľko sekúnd, uitočný obraz by bol celkom prekrytý týmto umom. Keďe tento um je výrazne teplotne závislý, vo vedeckých aplikáciách sa jeho zníenie dosahuje dodatočným chladením CCD senzora napríklad Peltierovým článkom.

Veľmi dôleitým parametrom je práve citlivosť, pretoe nám dovoľuje pouitie CCD senzora pri malých hodnotách osvetlenia (napr. v noci). Citlivosť sa dá zvýiť napr. dlhím časom expozície, ale čím dlhie sa má náboj uchovávať v CCD prvku, tým väčí um tam vzniká. Iným rieením je väčie zosilnenie výstupného signálu (ale aj umu). um sa môe v niektorej farebnej zloke prejavovať viac, čo je spôsobené tým, e signály niektorých farieb sa zosilňujú viac, aby sme vykompenzovali nerovnomernú citlivosť CCD prvku.

Nemenej dôleitým parametrom je dynamický rozsah teda pomer medzi najsvetlejou a najtmavou časťou obrazu. Kamera s vysokým dynamickým rozsahom nám umoňuje verne zachytiť objekt v tieni, pričom časť obrazu je osvetlená silným slnkom. Ak by bol dynamický rozsah malý, tak buď by tieň bol celý čierny alebo naopak časť osvetlená slnkom by bola


strana 12

celkom biela. Dynamický rozsah závisí hlavne od hĺbky potenciálovej jamy, teda od počtu elektrónov, ktoré je schopný uchovať jeden CCD prvok bez toho, aby pretiekol. Čím viac ich dokáe uchovať, tým dlhí čas expozície (potrebný na zachytenie tmavých detailov) môeme pouiť bez toho, aby pretiekol. V digitálnych kamerách a fotoaparátoch je pouitý aj AD prevodník, ktorý prevádza analógové napätie CCD prvku na číselnú hodnotu osvetlenia. Väčinou sa pouívajú 8-bitové prevodníky, ktoré umoňujú zaznamenať 256 rôznych hodnôt jasu pre daný pixel. V drahích modeloch sa potom pouívajú 10 alebo 12-bitové prevodníky (1024, resp. 4096 hodnôt). Od AD prevodníku vak dynamický rozsah nezávisí, prevodník určuje iba ako jemne sa budú jednotlivé úrovne jasu líiť jeho maximálnu hodnotu vak ovplyvniť nemôe.

S dynamickým rozsahom súvisí jeden neiaduci jav nazývaný blooming. Ak je osvetlenie CCD prvku príli veľké, potenciálová jama sa zaplní a ďalí náboj u začne pretekať do susedných prvkov, čím výrazne degraduje obraz. Tým pádom nedôjde len k presvetleniu jedného bodu, ale aj celého jeho okolia. Súčasné CCD senzory preto majú zabudované rôzne anti-blooming techniky na odvádzanie tohto prebytočného náboja. V extrémnych prípadoch sa vak tento jav môe stále vyskytnúť (veľmi dobre býva viditeľný pri snímaní listov stromu oproti slnku).

Ďalím z parametrov je veľkosť jednotlivého pixelu, ktorá výrazne ovplyvňuje vetky vlastnosti senzora. Tu platí čím väčia, tým lepie. Typický ½" senzor má veľkosť pixelu 4.65 µm, kým pre 1" senzor to je u 9.3 µm. Citlivosť je priamo úmerná veľkosti pixelu. Ako vzrastá citlivosť, rovnaké mnostvo signálu môe byť zosnímané počas kratieho času, respektíve za daný čas expozície je moné zosnímať väčí signál. Z toho vyplýva, e na zosnímanie danej scény s rovnakým pomerom signál/um stačí menie osvetlenie, respektíve pri danom osvetlení dosiahneme s väčími pixelmi lepí pomer signál/um. Veľkosť pixelu ovplyvňuje aj dynamický rozsah, pretoe čím je daný pixel väčí, tým viac náboja dokáe uchovať. Dynamický rozsah sa definuje aj ako pomer saturačného napätia k celkovému umu senzora. Keďe um je od veľkosti pixelu nezávislý, zväčenie pixelu prináa lepí pomer signál/um. Veľkosť pixelu má vplyv aj na optické vlastnosti senzora. Pouitie mikroooviek síce zvyuje citlivosť, ale obmedzuje uhlový rozsah. 5-µm pixel zaznamenáva výrazný pokles citlivosti u pri uhloch 5° od priameho dopadu. To spôsobuje, e pixely pri kraji ooviek objektívu snímajú obraz menej efektívne ako tie v strede. Tento efekt je mení pri pouití 9-µm pixelov, ktoré majú dobrú citlivosť a do uhlov väčích ako 15°.

Senzory s meními pixelmi sú vhodné na pouitie v bených podmienkach (napríklad pre digitálne fotoaparáty, či bené kamery), ale väčina priemyselných aplikácií si vyaduje väčie veľkosti pixelov či u kvôli malému osvetleniu, potrebe vysokej citlivosti a pomeru signál/um alebo veľkého dynamického rozsahu (potrebnému napríklad na presné snímanie objektov blízko reflexných povrchov ako napríklad vodivých ciest na ploných spojoch).


strana 13

3.3 Prehľad CCD senzorov na trhu

Obr. 3.2: Kodak KAF-4202 Obr. 3.3: Kodak KAF-16802CE

Parameter KAF-4202 KAF-16802CE KAI-1003M KAI-11000CM Typ senzora FF CCD FF CCD IL CCD IL CCD Počet pixelov 2048 x 2048 4098 x 4098 1024 x 1024 4072 x 2720 Veľkosť pixelu 9 x 9 µm 9 x 9 µm 12,8 x 12,8 µm 9 x 9 µm Pomer strán 1:1 1:1 1:1 3:2 Saturácia 100.000 e 94.000 e 170.000 e 60.000 e Celkový um 15 e 21 e 50 e 30 e Dynamický rozsah 76 dB 72 dB 70 dB 66 dB Zdvojnásobenie prúdu za tmy

6 °C 6,3 °C ? 7 °C

Citlivosť 10 µV/e ? 7,5 µV/e 13 µV/e Anti-blooming nemá nemá 100x > 1000x Prenosová rýchlosť 20 MHz 20 MHz 20 MHz (x2) 28 MHz

Tab. 3.1: Porovnanie CCD senzorov firmy Kodak


strana 14

4. CCTV v ochrane objektov

4.1 História a vývoj systémov CCTV

Uzavreté televízne okruhy (CCTV Closed Circuit Television) vznikli v päťdesiatych rokoch minulého storočia, čie asi 30 rokov po vzniku normálnej televízie. V minulosti slúili jedine ako náhrada ľudí pri bezpečnostnom dohľade. V súčasnosti je vak ich vyuitie omnoho irie. Pomenovanie Uzavretý okruh znamená vynechanie RF fázy pri prenose signálu. Na rozdiel od klasickej televízie sa signál neíri vzduchom, ale video signál sa prenáa priamo po 2-vodičovom vedení a tak vytvára uzavretú slučku alebo okruh. Vo väčine prípadov sa neprenáa zvuk, čím sa írka pásma oproti klasickej televízii zníila na 5 MHz.

V polovici osemdesiatych rokov minulého storočia sa začali objavovať prvé kamery s CCD čipom, ale v tej dobe ete neprináali veľa výhod boli drahé a málo citlivé. Medzi ich veľké výhody vak patrila dlhá ivotnosť v porovnaní so snímacími elektrónkami. Prvým priblíením k digitálnej televízii bol quad jeho vznik bol umonený stále sa zvyujúcimi rýchlosťami mikroprocesorov. Princíp spočíval v tom, e sa zdigitalizovali tyri analógové video signály a vytvoril sa obraz pozostávajúci z pôvodných, umiestnených do tyroch kvadrantov. Výsledný signál bol opäť prevedený na analógový a mohol byť zobrazený na benom monitore. Toto zariadenie teda umonilo zobraziť obraz zo tyroch kamier na jednom monitore (dovtedy bol potrebný pre kadú kameru jeden monitor ak sme chceli vidieť vetky obrazy naraz). To isté platí aj pre nahrávanie signálu z viacerých kamier. Dovtedy sa pouívalo prepínanie z kamery na kameru, take na kazete sa striedal obraz z viacerých kamier, čo vak znamená, e trvalo dosť dlho, kým sa nahral ďalí záber z danej kamery. Keďe naruenie objektu mohlo trvať len krátko, mohlo sa stať, e to bolo presne v dobe, keď sa nahrával obraz z ostatných kamier. Ak sme tomu chceli predísť, museli sme pre kadú kameru pouívať vlastný videorekordér, čím sa neúmerne zvyovali náklady. Spojenie viacerých obrazov do jedného bolo moné analógovou cestou aj predtým, ale vyadovalo si presne synchronizované signály z kamier. Pouitie externej synchronizácie viedlo opäť k zvýeným nákladom. Take quad priniesol tri hlavné vylepenia zníenie počtu monitorov, nepotrebnosť externej synchronizácie a monosť zaznamenávať naraz obraz zo tyroch kamier. Malo to vak aj nevýhodu v podobe zníenej kvality. Keďe celý obraz bol rozdelený na tyri, na jednu kameru pripadala len tvrtina rozliovacej schopnosti kamery. Kvalita sa ete zníila pri nahrávaní, keďe VHS videorekordéry mali rozliovaciu schopnosť maximálne 250 TV riadkov.

Time-lapse videorekordéry umoňujú na benú (S)VHS kazetu nahrať a 960 hodín záznamu tak, e podľa nastavenej dĺky záznamu nahrávajú len niektoré snímky (frames) a ostatné sa stratia (pri 960-hodinovom zázname sa nahrá jeden snímok kadých 12 sekúnd). Multiplexor umonil nahrávanie 9 a 16 kamier na jeden videorekordér a to tak, e pravidelne prepínal signály z jednotlivých kamier, čím sa pri pouití 16 vstupov dosiahla obnovovacia frekvencia jednej kamery 1,875 snímok/s. Naproti tomu skôr pouívané prepínače fungovali tak, e signál prepínali napríklad kadé 3 sekundy teda nahrali 3 sekundy obrazu z prvej kamery, potom 3 sekundy z druhej... Multiplexor prepína po jednotlivých snímkach, take obraz sa zdá byť trhaný. Keďe výstupný signál obsahoval údaj o pôvodnej kamere, pri prehrávaní sa dalo zvoliť, obraz ktorej kamery chceme vidieť. Pouitie time-lapse videorekordéra v kombinácii s prepínačom nebolo efektívne. Pri 72-hodinovom zázname


strana 15

(jeden snímok za sekundu) a pouití 16-kanálového prepínača (ktorý prepína obraz kadé 3 sekundy) by to znamenalo, e obraz z jednej kamery by sa nahrával len kadých 48 sekúnd. Zdalo sa, e pouitie multiplexora tento problém vyriei. Aby to fungovalo, musel by time-lapse videorekordér nahrať snímok práve v čase, keď multiplexor prepol signál z jednej kamery na druhú, čo vak bez vzájomnej synchronizácie nebolo moné. Preto sa v kombinácii s multiplexorom začali pouívať bené VHS videorekordéry, čo znamenalo záznam 16 kamier po dobu 6 hodín. Kvalita obrazu vak bola výrazne horia. Východiskom boli peciálne real-time videorekordéry (10 snímok za sekundu), ktoré umoňovali záznam po dobu 24 hodín.

Digitálne kamery umonili spracovať snímaný obraz u v kamere a stali sa teda inteligentnými, schopnými reagovať a prispôsobovať svoju činnosť zisteným okolnostiam. Kamera môe analyzovať obraz a podľa nastavenia detekovať neelaný pohyb a spustiť alarm. Väčina kamier pouívaných v CCTV má stále analógový výstup digitálne spracovaný signál je prevedený späť do analógovej podoby. Existuje na to niekoľko dôvodov potrebná írka pásma a teda aj maximálna dĺka vodičov (5 MHz analógový signál má v digitálnej podobe írku pásma vye 200 Mbps), vetky existujúce zariadenia (monitory, multiplexory, videorekordéry) sú analógové a teda spracovanie digitálnych signálov by znamenalo vymeniť vetky tieto zariadenia za nové.

V súčasnej dobe sa začínajú čoraz častejie pouívať digitálne LAN kamery, ktoré sú plne ovládané cez počítač. Stále vak nedosahujú také parametre a kvalitu obrazu ako tradičné kamery. Dôvodom je hlavne kapacita prenosových médií, a teda nutnosť pouitia kompresie. Takisto sú analógové videorekordéry čoraz častejie nahradzované digitálnymi.

4.2 Prepojenie CCTV s ostatnými zariadeniami

CCTV systémy sa pouívajú hlavne na 3 druhy činností monitorovanie v reálnom čase, záznam signálu a jeho vyhodnocovanie (detekcia pohybu). Často bývajú prepojené s ostatnými bezpečnostnými zariadeniami ako napríklad alarmovými ústredňami. Tým môeme zabezpečiť v prípade naruenia budovy zmeny správania sa kamier (snímanie dopredu nastavenej oblasti) a tie plnohodnotné nahrávanie obrazu z definovaných kamier po dobu trvania alarmu. Moná je aj opačná situácia na základe automatického vyhodnotenia zmien v obraze spustiť alarm a cez externé relé ovládať dvere, svetlá a pod. Výhoda prepojenia bezpečnostných systémov je hlavne v tom, e umoňuje spoločnú automatickú reakciu na vzniknuté situácie.

CCTV sa dá vyuiť aj pri kontrole vstupu do budovy. Či u pouitím jednoduchých biometrických techník (identifikácia napríklad podľa tváre) alebo len ako dodatočná kontrola. Ak napríklad zamestnanci pouívajú čipové karty na otváranie dverí do priestorov s obmedzeným vstupom, môeme pomocou kamery uchovať fotografiu (záznam je spustený čítačom kariet) daného človeka, aby sme neskôr mohli určiť, či to bol naozaj vlastník karty a nie niekto iný. V súčasnosti je pouitie CCTV v mnohých prípadoch plne automatizované napríklad hľadanie kradnutých áut pomocou snímania PZ kamerou na diaľnici, či identifikácia hľadaných osôb na amerických letiskách.


strana 16

5. Kamery a prísluenstvo

5.1 Kamery

Medzi hlavné parametre kamier patrí citlivosť a rozliovacia schopnosť, ktoré najväčmi ovplyvňujú výslednú kvalitu obrazu. Pre bené pouitie plne postačuje horizontálna rozliovacia schopnosť kamery okolo 400 TV riadkov. Ak snímame obraz s vysokými detailmi (napríklad postavy v diaľke), je treba pouiť kameru s 500 alebo a 600 riadkami. Tie sa môeme rozhodnúť medzi čiernobielou alebo farebnou kamerou. V súčasnosti mnoho farebných kamier pouíva hybridné CCD čipy, ktoré umoňujú prepnutie do ČB reimu. To sa môe udiať buď manuálne alebo automaticky podľa svetelných podmienok. V ČB reime majú kamery vyiu citlivosť, take je vhodný na pouitie za zhorených svetelných podmienok (napríklad v noci). peciálnym typom kamier sú tzv. DOME kamery, ktoré sú umiestnené v polkruhovom kryte a sú vybavené systémom PTZ (pan/tilt/zoom). To umoňuje pomocou nich sledovať pomerne veľké územie. Ďalími typmi sú miniatúrne a skryté kamery, ktoré sú montované napríklad do krytu PIR detektora. Ich pouitie je vade tam, kde treba, aby kamery neboli viditeľné.

Citlivosť sa v technických parametroch udáva ako minimálne osvetlenie snímaného objektu v luxoch, kedy bude na výstupe kamery signál s amplitúdou rovnou 50% menovitej hodnoty. Kamery pouívané na bené účely majú citlivosť nad 1 lux, tandardné kamery pre CCTV pribline 0,1 1,0 lux, peciálne aj menej ako 0,001 lux. Najcitlivejie kamery obraz niekoľkokrát integrujú, čím sa vak zniuje obnovovacia frekvencia. Citlivosť sa udáva pri pouití objektívu s uvedeným clonovým číslom (napríklad F 0,95). Pri pouití objektívov s vyími clonovými číslami sa citlivosť zniuje. Ak potrebujeme snímať hlavne v noci, je výhodnejia IR kamera v kombinácii s IR reflektorom, ktorý sledované územie osvetlí infračerveným svetlom, take výsledný obraz sa javí ako z ČB kamery pri benom osvetlení.

Medzi ďalie vlastnosti týchto kamier patrí monosť internej alebo externej synchronizácie, nastavenie pomocou menu na obrazovke (OSD On Screen Display), kompenzácia protisvetla a presvetlenia, nastavenie vyváenia bielej (White Balance), elektronická uzávierka (umoňuje pouiť fixed-iris objektív aj pri premenlivom svetle), korekcia gamma a pod.

Panasonic DOME kamera WV-CS854A • 1/4" IL CCD, 755 x 485 pixelov • rozlíenie 480 riadkov, resp. 570 v ČB reime • signál/um 50dB • dynamický rozsah 36dB (Super Dynamic II) • citlivosť 1 lux, resp. 0,06 lux pre ČB reim • elektronická uzávierka 1/60s 1/10.000s • objektív auto-focus, auto-iris F1,6 22

22x zoom + 10x digitálny (spolu 220x) • ovládanie: pan/tilt/zoom + 64 presets • automatické prepínanie do ČB reimu • detekcia pohybu, privátna zóna, titulky


strana 17

• 4 alarmové vstupy, 2 výstupy Panasonic ČB kamera WV-BP140 • 1/3" IL CCD, 510 x 492 pixelov • rozlíenie 380 riadkov • signál/um 46dB • citlivosť 0,08 lux / F1,4 • kompenzácia protisvetla • elektronická uzávierka: 1/60s 1/120.000s 2B Security BKC-1000 ČB IR kamera • 1/2" EXview HAD CCD • rozlíenie 600 riadkov • signál/um 48dB • citlivosť 0,0002 lux / F0,75

0 lux pri IR osvetlení • IR citlivosť v rozsahu 780 1100 nm • elektronická uzávierka 1/60s 1/10.000s • kompenzácia protisvetla, korekcia gamma 2B Security BKC-1602MIL farebná DSP kamera • vzduchom chladený 1/2" ILT CCD HAD EXview • rozlíenie 480 riadkov • signál/um 50dB • citlivosť na CCD: 0,0007 lux (ČB aj farebne)

s F1,2 clonou: 0,004 lux s integráciou: 0,000007 lux

• integrácia 4x, 8x, 16x, 32x, 64x • elektronická uzávierka 1/60s 1/10.000s • vyváenie bielej, korekcia gamma

5.2 Objektívy

Objektív je optická sústava ooviek a slúi na upravenie obrazu pred tým, ako dopadne na CCD senzor. Základnými parametrami kadého objektívu je ohnisková vzdialenosť, svetelnosť, rozsah nastavenia clonových čísel a minimálna zaostrovacia vzdialenosť. Ohnisková vzdialenosť je vzdialenosť od optickej osi, v ktorej sa paralelný zväzok lúčov láme do jedného bodu ohniska. Ohnisková vzdialenosť sa udáva v milimetroch. Čím je väčia, tým je väčie aj zväčenie objektívu a zároveň klesá uhol záberu. Od kvality objektívu je závislá aj výsledná kvalita obrazu. peciálnym typom sú tzv. pin-hole objektívy, ktoré umoňujú snímať obraz cez malý otvor.

Z hľadiska spôsobu zaostrovania poznáme dva typy objektívov manual-focus (zaostruje sa ručným natočením objektívu) a auto-focus (zaostruje automaticky na základe vyhodnotenia


strana 18

scény a je preto potrebný vade tam, kde sa môe vzdialenosť snímaného objektu od kamery meniť).

Podľa clony môeme objektívy rozdeliť na fixed-iris (majú pevne daný vstupný otvor, teda pouitie nájdu iba tam, kde sa intenzita osvetlenia nemení alebo s kamerami s elektronickou uzávierkou), manual-iris (clona sa dá ručne alebo na diaľku nastaviť na poadovanú hodnotu) a auto-iris (clona je automaticky nastavovaná na základe vyhodnotenia snímaného obrazu). Auto-iris objektívy bývajú riadené dvoma typmi signálov z kamery VD (video-drive) objektív si svojou elektronikou sám reguluje clonu na základe video signálu dodávaného z kamery; DC (direct-drive) objektív je priamo riadený napätím, ktoré určuje veľkosť clony, take elektronika na jej určenie sa nachádza v kamere. V súčasnosti väčina kamier umoňuje pripojenie objektívov oboch typov.

Podľa ohniskovej vzdialenosti sa objektívy rozdeľujú na irokouhlé (s malou ohniskovou vzdialenosťou), normálne a teleobjektívy (s veľkou ohniskovou vzdialenosťou). Okrem objektívov s pevne danou ohniskovou vzdialenosťou existujú objektívy s ručne nastaviteľnou v malom rozsahu (vari-focal) a nakoniec diaľkovo riadené objektívy s veľkým rozsahom ohniskových vzdialeností (tzv. zoom objektívy a 30x).

Obr. 5.1: Auto-iris 10x zoom

objektív Obr. 5.2: Auto-iris pin-hole

objektív Obr. 5.3: Fixed-iris 2x

vari-focal objektív

5.3 Prísluenstvo

Medzi prísluenstvo patria aj kamerové kryty, či stojany. Kryty neplnia len estetickú, ale aj funkčnú a ochrannú úlohu. Nevhodným pouitím krytov sa dá veľmi ľahko zdegradovať celý systém. Ochrannú funkciu plnia kryty tým, e zabraňujú náhodnému aj úmyselnému pokodeniu kamery. Keď je riziko pokodenia veľké (napríklad na verejných priestranstvách v dosahu ľudí), je treba pouiť peciálne anti-vandalské kryty. Kryt musí tie zabezpečiť vhodné prostredie pre prevádzku danej kamery to znamená chrániť ju pred vonkajími vplyvmi ako je vietor, dáď, zima, teplo, priame slnečné svetlo, prach a pod. Preto musia byť kryty pre vonkajie pouitie vybavené ohrievaním a prípadne aj chladením. Samozrejmosťou je splnenie vetkých noriem pre montá elektronických zariadení a rozvodov vo vonkajom prostredí. peciálne kryty nájdu uplatnenie hlavne v priemysle, kde treba často intalovať kamery do nevhodného prostredia či u praného, vlhkého alebo výbuného. Výnimkou nie sú ani nepriestrelné kryty. Doplnkom k beným kamerám sú polohovacie hlavice, ktoré umoňujú automatické a diaľkovo riadené natáčanie kamery (pan/tilt) a tým zväčiť sledovanú oblasť. Ovládané bývajú priamo z centrálneho pultu buď manuálne obsluhou alebo automaticky podľa preddefinovaného postupu.

Spoločne s IR kamerami sa pouívajú aj IR reflektory, ktoré slúia na osvetlenie sledovaného priestoru pre oko neviditeľným infračerveným iarením. Obraz z kamery je


strana 19

potom aj pri úplnej tme jasný a je porovnateľný s obrazom ČB kamery počas dňa. Podľa výkonu majú tieto reflektory dosah rádovo desiatky metrov a často bývajú vybavené svetelným senzorom pre automatické zapnutie a vypnutie. Väčinou vyarujú vo vlnových dĺkach 840 1200 nm.

Obr. 5.4: Polohovateľná hlavica Obr. 5.5: Kryt kamery so stojanom

Obr. 5.6: IR reflektor


strana 20

6. Prenos obrazu Kamery bývajú umiestnené v stráených priestoroch, kým snímaný obraz sa väčinou

spracováva v bezpečnostnej centrále, ktorá sa môe v niektorých prípadoch nachádzať dosť ďaleko od umiestnenia týchto kamier. Bené kamery pouívajú väčinou tri druhy vodičov napájanie, prenos obrazu a ovládanie (priblíenie, natočenie kamery, externá synchronizácia).

6.1 Metalické vodiče

Najčastejím spôsobom pripojenia kamier sú metalické vodiče. Pre prenos video signálu sa pouíva koaxiálny kábel pre jeho dobré parametre (odolnosť voči vonkajím vplyvom a nízky útlm pri pouívaných frekvenciách). Na ovládanie (pri jednoduchých kamerách ide o ovládanie objektívov, pri DOME kamerách sa ovláda celá kamera) sa väčinou pouíva dvojvodičové vedenie. Pri niektorých typoch kamier sa na dlhodobé nastavenie parametrov (bez monosti tieto meniť počas prevádzky z centrály) pouívajú ovládacie tlačidlá umiestnené priamo na kamere alebo počítač cez sériový interface RS-232.

V mnohých prípadoch sú kamery napájané z najbliej voľnej zásuvky, čo so sebou prináa nemalé problémy. Keďe kadá kamera je zapojená do elektrickej siete v inom mieste (napríklad kdekoľvek v 12-poschodovej budove), vznikajú zemné slučky a drobné rozdiely vo fáze. To spôsobuje zníenie kvality obrazu a zvyuje jeho zaumenie. Tieto rozdiely v napájaní jednotlivých kamier spôsobujú problémy najmä v centrále, kde sa obraz zo vetkých kamier spoločne spracováva (napríklad v multiplexore). Ďalou nevýhodou takéhoto zapojenia je bezpečnosť napájanie kamier (a ani iadnych iných bezpečnostných prvkov) z bených zásuviek nie je vhodné. Preto sa v intaláciách vyadujúcich vyiu bezpečnosť kamery napájajú z rovnakého centrálneho zdroja, ktorý býva lepie chránený a často aj zálohovaný pre prípad výpadku zdroja napájania, či jeho úmyselného pokodenia. To vak so sebou prináa bremeno v podobe intalácie ďalích vodičov.

Pri väčích vzdialenostiach kamery od centrály sa namiesto koaxiálneho vodiča pouíva na prenos video signálu krútená dvojlinka (TP twisted pair) s maximálnych dosahom okolo 1500 m. Z kamery ide koaxiálny kábel, ktorý sa pripojí na vysielač, ktorý signál upraví a zosilní na prenos po TP. Na druhej strane sa napojí prijímač, ktorý prijatý signál upraví späť do pôvodnej formy a na jeho výstup sa opäť pripojí koaxiálny kábel, ktorý vedie u priamo do monitora, či multiplexora.

6.2 Optické vodiče

V peciálnych prípadoch je nevyhnutné pouiť optické vodiče. Tie majú dve rôzne pouitia. Môu sa pouiť priamo na prenos optického obrazu k objektívu kamery napríklad v priestoroch, kde je umiestnenie kamery nevhodné alebo nemoné. Kamera teda môe byť umiestnená inde (teoreticky vzdialená aj niekoľko km) a obraz sa k nej dostane po optickom kábli. Benejie je pouitie optického kábla na prenos elektrického signálu z kamery teda ako náhrada metalických vodičov tam, kde ich pouitie nie je moné napríklad z dôvodu veľkého ruenia, či veľkých vzdialeností. Výhodou je tie nemonosť odchytávať prenáaný signál, pretoe svetlo sa z optického kábla von nedostane na rozdiel od elektrického signálu v metalickom vedení, kde pole je prítomné aj v okolí vodiča a nie je problém ho zachytiť.


strana 21

6.3 Bezdrôtové systémy

V prípadoch kedy by bola intalácia káblových rozvodov príli drahá, alebo nie je moná (v historických budovách a pod.) sa môe prenos video signálu uskutočniť aj bezdrôtovo, najčastejie v pásme 2.4 GHz. Tieto systémy majú dosah rádovo v stovkách metrov v rámci budov. Na voľnom priestranstve, či pri pouití externých antén sa dosah zvyuje. Výhodou je absencia káblov, nevýhodou cena. Pri prenose vzduchom je treba zabezpečiť dokonalú ochranu proti narueniu. Proti cielenému rueniu v danom pásme sa chráni veľmi ťako (pre peciálne aplikácie by snáď pomohol systém zaloený na rozprestretom spektre), ale v tomto prípade by mal byť spustený alarm u pre absenciu prijímaného signálu. Tie treba zabezpečiť, aby útočník nenahradil ná zdroj signálu vlastným. Na to je najlepia nejaká forma kryptovania prenáaného signálu, alebo aspoň vzájomná obojsmerná identifikácia vysielača a prijímača.

6.4 Systém CCTP

Pri pouívaní tandardných káblov sú náklady na udrovanie a aktualizovanie systému vysoké. Napríklad len intalácia jednej novej kamery znamená privedenie troch nových káblov od kamery a priamo do centrály. U pri pouití niekoľkých desiatok kamier býva umiestnenie týchto káblov problémové a v centrále hlavne neprehľadné. Kadá kamera, či iný prvok má vlastné zapojenie týchto vodičov, take rozírenie systému o prvok iného výrobcu so sebou prináa dodatočné problémy. Vynára sa tu teda potreba truktúrovanej kabeláe podobne ako je to v prípade počítačových sietí. Výskumy preukázali, e a v 46% firmách príleitostne spolupracujú zloky fyzickej bezpečnosti a bezpečnosti informačných systémov, v 22% spolupracujú veľmi často. To so sebou prináa veľa výhod lepiu koordináciu bezpečnosti (napríklad integrácia CCTV a pouitie informačných systémov na autentifikáciu uívateľov pri vstupe do budovy), úsporu peňazí (netreba toľko ľudí) a ucelený pohľad na bezpečnosť.

Preto firma Anixter vyvinula systém, ktorý sa tieto problémy snaí rieiť CCTP (Closed Circuit Twisted Pair). Cieľom je zakomponovať kabelá bezpečnostného systému do u existujúcej infratruktúry počítačovej siete. Tento systém pouíva na pripojenie kamery jeden 4-ilový UTP kábel. Kamera sa pripája peciálnym káblom, ktorý má na strane kamery potrebné konektory (pre video, napájanie a ovládanie kamery) a na druhej strane sa pripája do tradičných zásuviek typu RJ, pouívaných pre telefónnu a počítačovú kabelá. Odtiaľto idú UTP káble k najbliej skrini s prepojovacími panelmi, kde peciálne zariadenie upraví tento signál tak, aby ho bolo moné preniesť existujúcou kabeláou (metalickou alebo optickou) pouívanou pre počítačovú sieť. Zároveň sa tu nachádza peciálny zdroj napájania pre kamery, čie vetky kamery zapojené do tohto panelu (napríklad z jedného poschodia budovy) pouívajú ten istý zdroj, čo eliminuje zemné slučky a zjednoduuje zálohu napájania. V bezpečnostnej centrále sa potom signál zrekontruuje, zosilní, rozdelí na video a ovládanie a môe sa prepojiť s ďalími komponentmi. Výhodou tohto systému je a 6-násobné zníenie nákladov na vetky zmeny zapojenia (pridanie, či premiestnenie kamier). V nových budovách u býva počítačová kabelá predpripravená, take novú kameru len stačí zapojiť do najbliej RJ zásuvky a v prepojovacej skrini zapojiť (u existujúci) kábel z tejto zásuvky do systému CCTP.


strana 22

7. Spracovanie obrazu z kamier Spracovanie video signálu z kamier by sa dalo rozdeliť na niekoľko častí. Prvou z nich je

úprava signálu pre jeho ľahie spracovanie. Sem môeme zaradiť napríklad multiplexory alebo ovládacie panely, ktoré nám umoňujú nastaviť si parametre jednotlivých kamier a definovať prepojenie vstupov a výstupov. Druhou časťou je záznam signálu z kamery, ak je tu monosť, e ho budeme potrebovať neskôr. Pokiaľ kamera neslúi len na informatívne účely, tak je vdy vhodné robiť záznam, pretoe obsluha nemusí vdy spozorovať danú situáciu a záznam môe následne slúiť aj ako dôkaz. Treťou časťou je automatické vyhodnocovanie obrazu (napríklad detekcia pohybu) a následné spustenie definovaného alarmu.

7.1 Multiplexory

Multiplexory umoňujú nahrávanie signálu z viacerých kamier pomocou jedného videorekordéru a to tak, e na výstupe sa striedajú signály z jednotlivých kamier. Ak sa prepína napríklad 16 kamier, tak na výstupe bude kadý 16-ty snímok patriť danej kamere. Z toho vyplýva obnovovacia frekvencia takéhoto záznamu pre jednu kameru je rovná podielu pôvodnej obnovovacej frekvencie 60 Hz a počtu prepínaných kamier. Pri pouití time-lapse videorekordérov sa obnovovacia frekvencia ete ďalej zniuje. V súčasnosti je u dostupné veľké mnostvo digitálnych multiplexorov s mnohými doplnkovými funkciami, ktoré je moné vidieť aj na nasledujúcom príklade.

Panasonic WJ-FS616C Digital Duplex Color Multiplexer • vysoká kvalita obrazu (a 720x486 pixelov) • prepínaný výstup a z 16 kamier • monitorovanie a 16 kamier na jednom

monitore (multi-screen) s vysokou obnovovacou frekvenciou

• monosť ovládania kamier a videorekordéra • alarmový vstup pre kadú kameru s monosťou nastavenia reakcie čo bude na výstupe

pre monitor a pre videorekordér v prípade detekovania alarmu • nastaviteľný výstup pre monitor jedna kamera, viac kamier zároveň, postupné

prepínanie jednotlivých kamier alebo viacerých zároveň (napríklad 4 kamery sú zobrazené naraz a prepínajú sa s ďalími tyrmi)

• detekcia straty signálu, alarmový výstup

7.2 Záznamové zariadenia

Záznamové zariadenia nám slúia na uchovanie obrazovej informácie z kamier na dlhiu dobu, aby sa v prípade potreby dali prezrieť. Podľa poadovanej bezpečnosti si môeme zvoliť spôsob záznamu a a dobu jeho uchovania. Od toho potom závisí počet potrebných videorekordérov a kaziet. So zvyujúcim sa počtom kaziet narastajú náklady na ich uskladnenie. Väčinou sa na nahrávanie pouívajú pomalobené (time-lapse) videorekordéry v kombinácii s multiplexormi. Po dobu trvania alarmu je vhodné signál zo strategických kamier po určitú dobu nahrávať v plnom rozlíení a obnovovacej frekvencii.


strana 23

V súčasnosti sa prechádza na digitálny záznam signálu. Tento má oproti analógovému veľa výhod. Jednou z nich je prakticky okamitý prístup k poadovanej sekvencii záznamu, keďe odpadáva zdĺhavé prehľadávanie nahratých kaziet. Digitálny záznam so sebou nesie vetky informácie o svojom pôvode (kamera, jej nastavenie, čas a dátum, príp. stavy alarmov a pod.). Záznam je uloený buď na pevných diskoch alebo na prepisovateľných CD a či DVD diskoch. Pri zápise na pevné disky tieto zariadenia väčinou umoňujú pripojiť externé diskové pole RAID, ktorého kapacita sa podľa pouitých diskov pohybuje a do niekoľkých TB. Výhodou týchto zariadení je plne duplexná prevádzka, čo znamená, e umoňujú počas nahrávania aktuálneho záznamu zároveň aj prezeranie starích nahrávok, prípadne ich archiváciu na iné médium. Toto nie je pri tradičných videorekordéroch moné. Ak sme chceli skontrolovať záznam na práve pouívanej kazete, bolo potrebné nahrávanie preruiť.

Panasonic AG-6740 S-VHS/VHS Time-lapse Video Cassette Recorder • záznam s vysokou hustotou pouitím peciálnej

6H hlavy namiesto benej 2H • 6H hlava nahráva a 3-násobok informácií

oproti 2H hlave • záznam a 960 hodín (1frame/2,7sek) • generátor dátumu a času • vyhľadávanie alarmu na zázname • horizontálne rozlíenie 400 TV riadkov (S-VHS) • vstup pre alarm a reset alarmu • výstupy pre alarm, signál dosiahnutia konca kazety a signál upozornenia na chybu • moná spolupráca s prepínačom alebo multiplexorom Panasonic WJ-HD500BV Digital Disk Recorder • kapacita interného pevného disku 160GB, monosť intalovať druhý disk • s externe pripojenými diskami celková kapacita

a 4.2 TB, čo postačuje na záznam 16 kamier po dobu 3 mesiacov

• 16-kanálový multiplexor umoňujúci súčasné nahrávanie, monitorovanie nahrávaného signálu ako aj prezeranie starých záznamov

• 100Base-TX sieťové pripojenie umoňuje ovládanie zariadenia a prezeranie záznamov cez bený web-prehliadač z ľubovoľného počítača na sieti

• podpora RAID1 (zrkadlenie) pre vyiu bezpečnosť uloených záznamov • monosť pripojenia externých CD-R a DVD-RAM mechaník • rýchle vyhľadávanie (náhľady, zoznam alarmov, priamo podľa času) • detekcia pohybu • alarmové vstupy aj výstupy

7.3 Monitory

Monitory slúia na zobrazovanie signálov priamo z kamery alebo záznamu z videorekordéra. Väčinou nemajú veľa ovládacích prvkov a sú prispôsobené na trvalú prevádzku. Zdroj video signálu je do monitora privedený koaxiálnym káblom s BNC


strana 24

konektorom a impedanciou 75Ω. Na výber sú buď čiernobiele alebo farebné monitory. Monitory s malými uhlopriečkami sa zväča vyrábajú čiernobiele. Takisto nemá zmysel pouiť farebný monitor na monitorovanie signálu z ČB kamery. V minulosti bol pre kadú kameru potrebný jeden monitor. Príchod multiplexorov a digitálneho spracovania nám umonil na jednom monitore sledovať obraz z viacerých kamier naraz (obrazovka je rozdelená na kvadranty) alebo postupne niekoľko sekúnd z kadej kamery. Pri väčom počte kamier môe byť výhodné pouitie veľkého monitora s obrazom rozdeleným na 16 (alebo aj viac) častí a pouitie ďalích monitorov na zobrazenie signálov z definovaných kamier. Takto má obsluha prehľad o vetkých kamerách a pritom môe sledovať obraz vybranej kamery na osobitnom monitore. Pri tomto zapojení je monitor zapojený napríklad na výstup multiplexora, kde sa aj nastavuje, aký obraz sa má zobrazovať. Ak zariadenie disponuje videodetekciou, prípadne alarmovým vstupom, v prípade naruenia bude na kadom monitore obraz z preddefinovanej kamery.

Pri pouití digitálnych systémov je okrem tradičných analógových monitorov moné pripojiť aj počítač a obraz z kamier sledovať pomocou neho. Väčina týchto systémov je z počítača aj plne ovládateľná. Má to výhodu v tom, e pri pouití siete sa dá systém ovládať prakticky skadekoľvek.

Obr. 7.1: Monitory Panasonic


strana 25

8. VMD Video Motion Detection VMD je skratka pre detekciu pohybu z video signálu dodávaného kamerou. Isté

manuálne formy detekcie pohybu existovali od počiatkov pouívania kamier na zabezpečovanie objektov. Bolo úlohou stránika (teda človeka) neustále sledovať monitory a dávať pozor na to, či sa na nejakom niečo nedeje. To samozrejme bolo neefektívne (hlavne ak daný stránik mal aj iné úlohy) a málo spoľahlivé. Postupom času sa táto úloha presunula celkom do rúk techniky. Ako prvé sa objavili multiplexory a videorekordéry, ktoré vedeli detekovať zmeny v obraze a na základe toho napríklad pouiť iný mód nahrávania, či prepnúť monitor do SPOT reimu. Tieto zariadenia vak reagovali na kadú (aj tú najmeniu) zmenu v obraze, neboli to teda detektory pohybu, ale len zmeny obrazu.

8.1 Výhody VMD oproti PIR a MW pohybovým čidlám

Väčina senzorov pouívaných v zabezpečovacej technike reaguje práve na pohyb. Výhoda VMD oproti napríklad PIR alebo mikrovlnným senzorom spočíva v monosti sledovať jednou kamerou veľké územie a zároveň presne nastaviť úroveň a oblasti detekcie. Je moné nadefinovať viacero zón, ktoré sú posudzované osobitne. Pri pouití zoom objektívov môe byť kamera umiestnená mimo sledovaného priestoru, čím sa zníi riziko jej pokodenia alebo úmyselného znefunkčnenia. Ďalou výhodou VMD je to, e pri spustení alarmu bezpečnostný pracovník hneď vidí, čo ho spôsobilo a môe vykonať potrebné opatrenia. Naopak pri IR závorách, či iných detektoroch toto nie je moné (bez intalácie ďalích kamier) a zistenie či ide o faloný poplach trvá oveľa dlhie.

8.2 Analógové systémy

Niektoré analógové systémy sa ete stále pouívajú aj keď v porovnaní s digitálnymi majú veľmi obmedzené monosti. Väčinou pracovali na princípe integrácie a spriemerovania hodnôt jasu z celej sledovanej časti obrazu, čím pre celú túto oblasť získali jednu hodnotu. Pohyb potom zisťujú len zmenou tejto hodnoty o nejakú hraničnú hodnotu, bez ohľadu na príčinu, ktorá ju vyvolala. Preto je častým problémom aj malá zmena polohy kamery vyvolaná vetrom, či zmena osvetlenia počas dňa. Preto je pouitie týchto systémov vhodné len v interiéri, kde sú tieto problémy eliminované. Jedinou monosťou ako zníiť podiel faloných alarmov je zníiť citlivosť, tým sa vak zároveň zniuje pravdepodobnosť odhalenia skutočného ohrozenia sledovaného objektu. Naopak um týmto systémom problém nerobí, keďe priemerný jas celého obrazu sa prakticky nemení.

8.3 Digitálne systémy

Za digitálne VMD systémy sa povaujú tie, ktoré vyuívajú A/D prevodník. Ten prevádza vstupný analógový signál na digitálny, ktorý je ďalej spracovávaný procesorom (buď ako software v PC alebo DSP čip v prípade osobitného zariadenia). Jednotlivé systémy sa líia pouitým rozlíením, ktoré je dané hlavne vzorkovacou frekvenciou A/D prevodníka a počtom rozlíiteľných úrovní jasu. Tá sa pohybuje od 32 hodnôt pri 5-bitovom spracovaní a po 256 pri 8-bitovom (v niektorých zariadeniach sa vyuíva ete viac). Základom pre kvalitné spracovania a digitalizáciu je kvalitný vstupný signál to znamená pokiaľ mono bez umu a s vhodnou napäťovou úrovňou.


strana 26

Kadý digitálny VMD systém potrebuje určité mnostvo pamäte, kam si môe uloiť zdigitalizovaný obraz. Čím kvalitnejí obraz poadujeme a čím viac po sebe nasledujúcich obrázkov má systém porovnávať, tým viac pamäte potrebuje. Ďalia vec, ktorá ovplyvňuje výslednú kvalitu VMD systému, je procesor. Stretávame sa s dvoma typmi systémov buď ako samostatné zariadenie alebo ako prídavná karta do počítača spolu s prísluným softvérom. Od rýchlosti procesora potom závisí koľko obrazových bodov dokáe tento systém spracovať. Ak nie je rýchlosť dostatočná, riei sa to buď u na úrovni A/D prevodu, čím vznikne menej obrazových bodov alebo je detekčný algoritmus upravený tak, aby neanalyzoval jednotlivé obrazové body osobitne, ale napr. len spolu v maticiach 4x4.

Medzi výhody digitálnych systémov oproti analógovým patrí hlavne veľmi presná monosť určiť, čo sa má povaovať za pohyb a teda vyvolať alarm. U väčiny predávaných systémov ide o viacero súvisiacich nastavení najčastejie nastavenie citlivosti detekcie, minimálnej veľkosti pohybujúceho sa objektu, ktorý má byť odhalený a nastavenie oblasti obrazu, v ktorej sa majú zmeny sledovať. Pri jednoduchích systémoch sa dá nastaviť len jedna obdĺniková oblasť, ktorá je následne sledovaná. Novie systémy majú celý obraz rozdelený na viacero zón, napríklad 12x8 v prípade zariadenia Digi-Spec VMD-1000. Kadá zóna pozostáva zo 448 detekčných bodov. Uívateľ má monosť si pre kadú zónu zvoliť, či sa v nej zmeny budú sledovať alebo nie. Nastavením citlivosti sa definuje aká veľká zmena obrazu (resp. zmena jasu daných bodov) je u povaovaná za zmenu obrazu, a nie len um kamery, či prenosového vedenia. Detekčné algoritmy (kadý výrobca si ich dobre chráni a patentuje) týchto digitálnych systémov sa dokáu prispôsobiť zmene úrovne osvetlenia počas dňa, či odfiltrovať (ignorovať) zmeny obrazu zapríčinené pohybom kamery, daďom, pohybom listov na stromoch a podobne, čím podstatne zniujú riziko faloných alarmov (pri zachovanej úrovni citlivosti a spoľahlivosti). Taktie umoňujú pouitie rôznych nastavení cez deň a v noci a samozrejmosťou je chránenie zmeny nastavení heslom (čo v analógových systémoch nie je moné).

8.4 Porovnanie samostatných zariadení a VMD na báze PC

Pri prvom pohľade sa môe zdať, e zariadenia postavené na báze PC sú výhodnejie a lacnejie. Keďe skoro celá činnosť (a na prvotný A/D prevod) je riadená softvérovo, teda programom na danom PC, nie je problém upgrade na noviu verziu. Teda ak výrobca program vylepí, väčinou stačí je ho stiahnuť z internetu alebo objednať na CD a hneď sa dá pouiť nová verzia. Samostatné zariadenia sú postavené na báze jednočipových procesorov, ktoré majú svoj program uloený väčinou vo svojej flash pamäti. Upgrade je moný aj pri týchto zariadeniach, ale v praxi sa veľmi často nevyskytuje.

Aj keď u dnené počítače majú dostatočný výkon, je stále výhodnejie pouiť na detekciu pecializovaný procesor (napr. DSP), ktorý síce beí na niej pracovnej frekvencii, ale má pecializované intrukcie, ktoré v konečnom dôsledku umoňujú spracovať väčie mnostvo údajov. Keďe pri pouití PC sa vstupný analógový signál digitalizuje a v prídavnej karte, ktorá je umiestnená v jeho vnútri, kde je dosť veľké ruenie od ostatných komponentov, zhoruje sa kvalita tohto signálu a tým aj presnosť celej detekcie. Kvalita je taktie obmedzená dátovou priepustnosťou PCI zbernice, ku ktorej sa tieto prídavné karty vačinou pripájajú. Spoľahlivosť takéhoto systému je navye priamo závislá od operačného systému a ostatného softvéru na danom PC. V prípade zamrznutia počítača, či podobného problému,


strana 27

systém okamite prestáva fungovať a jeho spoľahlivosť klesá na nulu, keďe a do manuálneho zásahu obsluhy vôbec nie je schopný pracovať.

8.5 Podmienky pre správnu funkciu VMD

Najväčie problémy pri intalácii kamerového systému spôsobujú príli dlhé káble a nekvalitne pripevnené konektory, ktoré spôsobujú v prenáanom obraze rôzne umy a zlé uzemnenie. Aj keď to nemusí byť hneď vidno, na pohľad statický obraz sa vplyvom nekvalitnej kabeláe neustále mierne mení, čím zhoruje celú činnosť VMD (pretoe je potrebné zníiť citlivosť systému). Taktie treba minimalizovať pohyby kamery, ktoré môu byť spôsobené napríklad vetrom alebo aj vibráciami z technologických strojov.

Veľkým problémom pre väčinu VMD systémov sú auto-iris objektívy. Systém musí rozlíiť, e k zmene obrazu prilo z dôvodu zmeny osvetlenia a nie naruenia. To sa dá samozrejme aj zneuiť. Napríklad kamera pri vstupe do budovy je napojená na digitálny VMD systém, kde je nastavené ignorovanie oblasti obrazu, kde sa nachádza cesta. Take prechádzajúce autá by detekciu nemali ovplyvniť. Ale pokiaľ má kamera auto-iris objektív, tak svetlá prechádzajúceho auta spôsobia prispôsobenie kamery tomuto priamemu svetlu, čím sa z pohľadu VMD zmení celý obraz. Aj keď by pre kvalitný digitálny systém nemal byť problém túto zmenu ignorovať, treba si uvedomiť, e v tomto stave je citlivosť kamery prispôsobená prudkému svetlu auta, čím je zákonite zvyná časť obrazu príli tmavá na to, aby tam VMD mohol zaznamenať prípadného útočníka. Tento problém sa dá vyrieiť buď sofistikovanejím auto-iris objektívom alebo aspoň čiastočne pouitím kamery a prevodníka s väčím dynamickým rozsahom, čím zabezpečíme, e aj jednotlivé úrovne v tmavej časti obrazu budú odlíené.


strana 28

9. Princípy správneho návrhu kamerového systému Pri návrhu kamerového systému pre ochranu objektov treba brať do úvahy hlavne to, akú

funkciu má systém plniť (priame sledovanie osôb, zaznamenávanie deja počas dňa/noci, videodetekcia, príp. aj neskoria identifikácia zaznamenaných osôb). Od toho sa odvíja výber potrebného typu kamery, rozlíenia, ale aj monitorov či ďalích zariadení.

9.1 Potrebné rozlíenie

Potrebné rozlíenie závisí od toho, na aký účel daný obraz potrebujeme. Na to, aby sme v obraze dokázali rozlíiť prítomnosť osoby, táto musí zaberať aspoň 10% výky obrazu. Na to, aby sme spoznali známu osobu, musí zaberať aspoň 50% a na identifikáciu neznámej osoby by bolo treba, aby na výku zaberala a 120% obrazu čie v ideálnom prípade tvár a horná časť tela. Na identifikovanie PZ auta je potrebné, aby toto auto zaberalo 50% výky obrazu.

Od týchto parametrov závisí aj umiestnenie kamery a prípadné nastavenie zoom objektívu

tak, aby mohol byť naruiteľ jasne identifikovaný. Samozrejme kamera aj záznamové zariadenie musia mať dostatočné rozlíenie, aby sa nestalo e tvár útočníka bude zloená len z niekoľkých obrazových bodov, ako sme to mohli u niekoľkokrát vidieť v TV zo záberov bezpečnostných kamier vo vykradnutých bankách.

9.2 Dostatočné osvetlenie

Jedine prirodzené svetlo od Slnka sa nám javí vade rovnako intenzívne (ak neuvaujeme tiene či oblaky). Pri umelých zdrojoch svetla (ktoré sú v konečnej vzdialenosti) vdy pozorujeme zmenu osvetlenia so zmenou vzdialenosti. Presne povedané, osvetlenie klesá nepriamo úmerne so tvorcom vzdialenosti:

2IE

D=

Ľudské oko sa tomu dokáe veľmi dobre prispôsobiť, take my túto zmenu veľakrát ani nepostrehneme. Pri návrhu kamerového systému s tým ale treba počítať. Napríklad ak nejaký


strana 29

zdroj svetla poskytuje vo vzdialenosti 5 metrov 60 luxov, pri vzdialenosti 10 metrov to u bude len 15 luxov a pri 20 metroch iba 7,5. Ak kamera sníma veľký priestor, môe byť takáto veľká zmena osvetlenia problémom aj pre auto-iris objektívy. Tie sa síce dokáu prispôsobiť aktuálnej úrovni osvetlenia (konkrétne jej priemernej úrovni z celého obrazu), ale príliné osvetlenie v blízkosti kamery spôsobí pritvorenie objektívu a tým stratu detailov v málo osvetlenej vzdialenej časti snímaného priestoru. Pouitie zoom objektívov pri relatívne malom osvetlení je sprevádzané dvoma problémami vzdialenejia časť obrazu býva menej osvetlená a väčinou býva sledovaná práve s pouitím najväčieho dostupného zoom-u, pri ktorom objektív prepúťa oveľa menej svetla ako v irokouhlom stave, take efekt nedostatočného osvetlenia sa ete znásobuje. Keďe väčina kamier a hlavne osvetľovacích telies sa nachádza relatívne vysoko, uplatňuje sa tu aj Lambertov kosínusový zákon.

Obr. 9.1: Ilustrácia Lambertovho kosínusového zákona

Problém nerovnomerného osvetlenia riei napríklad firma Derwent Systems svojimi produktmi na princípe podobnom radarovým anténam. Tieto sú schopné osvetliť relatívne veľký priestor pri zachovaní rovnakého osvetlenia aj v blízkosti zdroja, aj v diaľke.

Obr. 9.2:Osvetlenie voľného priestoru reflektorom firmy Derwent

9.3 Umiestnenie kamery

Správne umiestnenie kamery priamo vplýva nielen na to, či sa podozrivá osoba dostane do záberu, ale aj na to, či bude výsledný obraz pouiteľný na identifikáciu. Problémom je skreslenie v dôsledku perspektívy. Ideálny prípadom je kamera umiestnená v rovine očí snímaného človeka, v tomto prípade nedochádza v iadnemu skresleniu a kamera sníma taký obraz ako by sme videli aj voľným okom. V takomto prípade je vak potrebné priebené a presné zaostrovanie, lebo s pohybom človeka sa priamo mení jeho vzdialenosť od kamery. Najhorí moný prípad nastane vtedy, ak je kamera umiestnená priamo nad sledovanou osobou v tomto prípade vidíme len jeho hlavu a nič viac. Zdá sa to ako teoretická monosť, ale pri pouití DOME kamery je dosť moné, e osoba sa bude nachádzať priamo pod ňou. Kvôli tomuto skresleniu nedochádza len k deformácii tváre, ale aj k zdanlivému zmeneniu výky snímaného objektu v závislosti na uhle kamery a tohto objektu:

' sin( )y uhol kamery y= i


strana 30

10. Vyuitie systémov v infračervenej oblasti Vzhľadom na potrebu dobrej viditeľnosti aj v noci je najvýhodnejím rieením osvetlenie

sledovanej oblasti pomocou reflektoru vyarujúceho infračervené svetlo. Oproti klasickému osvetleniu má hneď niekoľko výhod je ho moné pouiť aj na verejných priestranstvách a vade tam, kde by silné biele svetlo prekáalo. Treba si vak uvedomiť niekoľko zásad, aby takto navrhnutý systém pracoval správne.

10.1 Aktívne alebo pasívne?

Kamerové systémy pracujúce v infračervenej oblasti môeme rozdeliť na aktívne a pasívne. Aktívne sú tie, ktoré vyarujú infračervené svetlo, ktorým osvetľujú scénu.. Pracujú v blízkej infračervenej oblasti spektra (700 1000 nm), teda blízko viditeľnej časti spektra, kde u síce ľudské oko citlivé nie je, ale kamery ete áno. Naopak pasívne systémy pracujú v ďalekej infračervenej oblasti a niekedy sa im hovorí aj termálne systémy alebo termovízia. Nič nevyarujú, len snímajú tepelné iarenie napríklad ľudí. Aktívne systémy poskytujú niekoľkonásobne vyiu kvalitu obrazu, sú vak obmedzené výkonom zdroja. Keďe pasívne systémy iarenie len snímajú, je moné ich pouiť aj na veľké vzdialenosti. V zabezpečovacej technike sa pouívajú skoro výhradne len aktívne systémy, preto sa ďalej budem zaoberať len nimi.

10.2 Osvetlenie

Na osvetlenie scény sa pouívajú buď IR reflektory alebo IR LED diódy. Keďe diódy majú mení výkon, sú vhodné hlavne pre vnútorné pouitie, kde nie je treba osvetľovať veľké priestory. V súčasnosti vak firma Derwent ponúka aj vysokosvietivé IR LED diódy s dosahom a 170m. Ich výhodou oproti iným zdrojom je dlhia ivotnosť, avak starnutím ich výkon klesá.

IR reflektory pouívajú zdroje svetla, ktoré nevyarujú len v IR oblasti. Preto sa na ne aplikujú filtre, ktoré ďalej prepustia len infračervené svetlo. Pouívajú sa rôzne medzné vlnové dĺky. Napríklad pri 715 nm sa takýto zdroj telesa ete javí ako červený, ale jeho výhodou je vyia citlivosť kamier v tejto oblasti ako pri pouití pri 780 či 830 nm, kedy u iadne svetlo vidno nie je. V niektorých situáciách to môe byť potrebné ak nechceme, aby prípadný útočník vedel, e je monitorovaný. Treba vak pouiť zdroj s dostatočným výkonom a kameru s dobrou citlivosťou v tejto oblasti.

Netreba zabúdať ani na prvý pohľad taký nedôleitý parameter ako ivotnosť iarovky. Tá je dôleitá nielen z ekonomického hľadiska, ale aj kvôli dlhotrvajúcej bezporuchovej prevádzke celého systému. iarovky napájané nízkym napätím mávajú dlhiu ivotnosť a zároveň niiu spotrebu energie.

Pre dosiahnutie čo najkvalitnejieho obrazu je potreba zaistiť rovnomerné osvetlenie celého snímaného priestoru. Základom je výber takého zdroja, ktorý má rovnaký uhol vyarovania ako je zorné pole pouitého objektívu. V opačnom prípade by bola osvetlené iba časť scény alebo by sme zbytočne plytvali výkonom zdroja.

Pri osvetľovaní veľkého vonkajieho priestranstva je situácia ete zloitejia. Je treba zaistiť, aby boli blízke aj vzdialené objekty osvetlené rovnako intenzívne. Vhodné je pouiť


strana 31

napríklad zdroj Derwent Uniflood 500, ktorý vďaka peciálnym oovkám celú scénu osvetlí rovnomerne.

Obr. 10.1: Rovnomerné osvetlenie auta vo vzdialenosti 50m aj brány vzdialenej 160m

10.3 Spektrálna citlivosť

Väčina IR reflektorov na trhu pracuje v pásme okolo 715 a 830 nm. Výsledná citlivosť systému závisí od citlivosti vetkých jeho zloiek. Citlivosť samotnej kamery závisí hlavne od pouitého materiálu CCD čipu germánium má v infračervenej oblasti vyiu citlivosť ako kremík. Novie kamery mávajú na CCD čipe filter, ktorý slúi na odfiltrovanie vetkých nepotrebných zloiek okrem viditeľného svetla. Tým sa dosahuje vyia citlivosť kamery pri normálnom osvetlení, pretoe CCD senzor nie je zbytočne zahlcovaný slnečným iarením na iných vlnových dĺkach. Tieto kamery sú vak na pouitie pri IR osvetlení úplne nevhodné. Výhodné je ak má kamera takýto filter, ale ten sa dá buď manuálne alebo automaticky vypínať. Takéto kamery mávajú väčinou aj automatické prepínanie denného a nočného reimu. V dennom sú farebné a v noci čiernobiele, čím dosahujú vyiu citlivosť. Naopak aj pouitie kamier určených pre IR oblasť môe počas dňa spôsobovať problémy, pretoe senzor vidí aj tie zloky svetla, ktoré my nie a to sa v obraze môe prejavovať odtieňmi edej. Takisto auto-iris objektívy by reagovali aj na infračervenú zloku prichádzajúceho slnečného iarenia.

Celková citlivosť kamery v IR oblasti závisí od relatívnej spektrálnej citlivosti CCD čipu pri danej vlnovej dĺke a tie od priepustnosti filtra reflektora. Rovnako aj objektívy majú svoju spektrálnu charakteristiku. V súčasnosti u bývajú vyrobené tak, aby potlačovali neelané IR zloky prichádzajúceho svetla. Pokiaľ objektív nemá IR pásmo peciálne potlačené, je pravdepodobné, e v IR oblasti prepustí len okolo 60% svetla v porovnaní s viditeľnou časťou spektra. Tým sa samozrejme tie zniuje celková citlivosť systému. Je teda vhodné pouiť objektívy vyrobené peciálne pre IR oblasť. Ako ďalej spomeniem, ich pouitie riei aj ďalie problémy.

10.4 Objektívy

Okrem spektrálnej charakteristiky je ďalím dôleitým parametrom objektívu jeho clonové číslo. To okrem iného udáva koľko percent prichádzajúceho svetla sa prepustí smerom k CCD čipu. Je dôleité si uvedomiť, e tento faktor ovplyvňuje celkovú citlivosť vo veľmi veľkej miere. Pri pohľade na priepustnosť objektívov s vyím clonovým číslom je jasné, e pouitie zoom objektívov (ktoré majú v irokouhlej polohe clonové číslo dosť nízke, mávajú pri plnom zoome toto číslo vysoké) je v nočnej prevádzke (aj za predpokladu IR osvetlenia) nevhodné.


strana 32

Samozrejme výroba objektívov s niím clonovým číslom je drahia, výrazný je rozdiel hlavne medzi objektívmi s f1.4 a f1.2 či f1. Pri zvaovaní ceny si vak treba uvedomiť, e kamera s objektívom f1.4 potrebuje dvojnásobok svetla oproti f1.

clonové číslo f1.0 f1.2 f1.4 f1.8 f2.0 f2.8 f4.0 f5.6 prepustené

svetlo 20% 15% 10% 7.5% 5% 2.5% 1.25% 0.625%

Tab. 10.1: Porovnanie priepustnosti objektívov s rôznym clonovým číslom

Od clonového čísla závisí aj hĺbka ostrosti. Keďe naou snahou je dostať na senzor čo najviac svetla, hĺbka ostrosti môe byť dosť malá. Preto treba urobiť kompromis a zvoliť takú svetelnosť objektívu, aby poskytoval dostatok svetla pre senzor, ale zároveň aby mohli byť vetky dôleité časti obrazu zaostrené.

Pri IR osvetlení má bená kamera problém aj s automatickým zaostrovaním. Je to spôsobené tým, e kadá vlnová dĺka sa láme v inom uhle. Väčinou sú objektívy kontruované tak, e sa tento fakt snaia eliminovať len vo viditeľnej oblasti spektra. Pouitie objektívov peciálne korigovaných aj pre IR oblasť prináa nielen jednoduchie zaostrovanie, ale aj zvýenú kvalitu obrazu. Pri pouití beného objektívu by bol obraz rozmazaný, keďe nie vetky vlnové dĺky by boli zaostrené do ohniska.

Obr. 10.2: Bený objektív s korigovanou viditeľnou časťou spektra

Obr. 10.3: Objektív peciálne korigovaný aj v IR oblasti

Pouitie týchto peciálnych objektívov je niekedy vhodné aj pri umelom osvetlení miestností, keďe niektoré bené zdroje viditeľného svetla vyarujú aj v IR oblasti a to by mohlo zbytočne degradovať obraz.


strana 33

Obr. 10.4: Vyarovacie charakteristiky niektorých svetelných zdrojov

10.5 Odrazivosť

Kamera vidí iba svetlo, ktoré sa odrazí od nejakého povrchu. Preto aj citlivosť kamier je udávaná pre objekt s určitou odrazivosťou väčinou 90%, čo je vak oveľa viac ako odrazivosť bene snímaných objektov. Aj preto treba s katalógovými údajmi o citlivosti narábať veľmi opatrne.

Objekt Odrazivosť Sneh 85% Sklo a steny 70% Na bielo natretý betón 60% Nenatretá betónová stena (gará) 40% Červené tehly 35% Stromy, tráva 20% (v IR a 65%) Asfalt 5%

Tab. 10.2: Odrazivosť niektorých objektov

10.6 Skutočná citlivosť kamery

Skutočná citlivosť kamery v reálnom prostredí sa od tej katalógovej výrazne líi. Je to spôsobené niekoľkými odlinosťami medzi testovacími podmienkami výrobcu a skutočnosťou. Veľmi často sa v katalógoch udáva priamo citlivosť senzora, teda bez akéhokoľvek objektívu. Ako sme si ukázali, citlivosť s objektívom je minimálne 10x menia. Vo väčine prípadov táto citlivosť zodpovedá objektu s odrazivosťou 90%, take citlivosť treba ete podeliť pribline dvoma. Taktie platí, e pri výrobcom udávanej citlivosti má signál na výstupe hodnotu 50%. Pri pouití videodetekcie vak chceme čo najkvalitnejí obraz.

Pri pouití tejto kamery v IR oblasti treba uváiť ete spektrálnu zmenu citlivosti CCD čipu a objektívu v tejto oblasti. Kryt kamery zníi intenzitu prichádzajúceho svetla o ďalích 25%. A týmito výpočtami zistíme priblinú skutočnú citlivosť kamery v naich podmienkach, respektíve minimálne osvetlenie potrebné na to, aby nám dodávala kvalitný obraz. Podľa toho si následne musíme vybrať vhodný zdroj IR iarenia. Ak kamera sleduje väčie územie, je vhodné pouiť zdroj, ktorý nám celé toto územie osvetlí rovnomerne.

10.7 peciálny IR filter

Niekedy je výhodné pouiť IR kamery nielen v noci, ale aj cez deň. Na to je treba pouiť peciálny IR filter (napríklad typ PF od firmy Kaya), ktorý prepustí len infračervené iarenie a viditeľné odrazí. Tým pádom môeme pouiť IR kameru aj počas jasného slnečného dňa.


strana 34

Výhodou pouitia IR cez deň je to, e kamera môe vidieť aj to, čo ľudské oko nie. Keďe infračervené iarenie má vyiu vlnovú dĺku ako viditeľné svetlo, ľahie prechádza niektorými materiálmi. Ako som u spomínal aj vyie, kamera vidí len svetlo, ktoré sa odrazí od nejakého povrchu. Ale IR iarenie sa pri prechode medzi rôznymi médiami odráa menej, čie jeho väčia časť sa odrazí a od nami snímaného objektu a nie napríklad od iat.

Obr. 10.5: Princíp pouitia PF filtra firmy Kaya

(1-Slnko, 2-človek, 3-aty, 4-IR iarenie, 5-UV a VIS iarenie, 6-PF filter, 7-kamera)

Na obrázku môeme vidieť princíp pouitia tohto filtra. Snímame napríklad človeka s tmavými okuliarmi. Je osvetlený slnečným iarením ktoré má UV, VIS aj IR zloky. Väčina iarenia sa odrazí u priamo od okuliarov a my ich vidíme na obrazovke podobne ako pri priamom pohľade ako čierne. IR iarenia vak vo väčej miere cez okuliare prejde a odrazí sa a od tváre resp. očí osoby. Keďe je to vak IR iarenie, očami ho nemôeme vidieť. Kamera by ho síce zachytila, ale v obraze prevláda niekoľkonásobne silnejie viditeľné svetlo. Keď vak na kameru namontujeme PF filter, ktorý prepustí len IR iarenie, kamera zrazu vidí aj za čierne okuliare.

Obr. 10.6: Spektrálna charakteristika relatívnej priepustnosti PF filtrov

Tento typ filtra má iroké uplatnenie, napr. monitorovanie znečistenia ovzduia, sledovanie zmien ľadovcov, na zisťovanie pokodenia rastlín alebo truktúry látok a podobne. Vo vetkých prípadoch sa vyuíva rôzna odrazivosť objektov vo VIS a IR oblasti, prípadne zmenená odrazivosť v IR oblasti v dôsledku nejakej poruchy či choroby.

PF filter vak má uplatnenie aj v zabezpečení objektov, či pri pouití bezpečnostnými zlokami. Umoňuje toti vidieť a identifikovať aj osoby, ktoré


strana 35

• majú tmavé okuliare

• nachádzajú sa v aute s tmavými sklami

• majú na hlave čiernu kuklu

Obr. 10.7: Vľavo figurína snímaná obyčajnou kamerou, vpravo pouitím PF filtra


strana 36

11. Meracie pracovisko na meranie základných parametrov CCD kamier v IR oblasti

11.1 Návrh pracoviska pre meranie spektrálnych charakteristík

Spektrálnu charakteristiku kamery meriame tak, e na CCD senzor tejto kamery privádzame vdy len iarenie (svetlo) jednej vlnovej dĺky a zisťujeme odozvu kamery. Z dôvodu náročnejieho zisťovania tejto odozvy priamo z modulovaného videosignálu na výstupe, obraz kamery zobrazíme na monitore a pomocou spotfotometra odčítame jas. To nám vak plne postačuje na určenie relatívnej spektrálnej charakteristiky.

Meracie pracovisko sa skladá z troch základných častí zdroja iarenia s kontantným výkonom v celej meranej oblasti vlnových dĺok; monochromátora, ktorý iarenie z tohto zdroja upraví tak, e ďalej prepustí vdy len jednu vlnovú dĺku (resp. veľmi malú oblasť v jej okolí, závisí to od pouitej mrieky); a nakoniec detektor iarenia, ktorým v naom prípade bude CCD senzor kamery spolu so spotfotometrom, ktorý je vybavený fotonásobičom korigovaným pre viditeľnú oblasť. Aj napriek tomu ho môeme pouiť aj pri meraní v IR časti spektra, pretoe monitor aj v tomto prípade vyaruje vo viditeľnej oblasti.

Celé pracovisko musí byť skontruované tak, aby samotné meranie nebolo ovplyvňované okolitým osvetlením. Pokiaľ nie je moné kameru pripevniť k monochromátoru tak, aby na senzor dopadalo iba iarenie z monochromátora, je potrebné ju umiestniť do čierneho krytu. V tom by sa mal nachádzať aj monitor spolu so spotfotometrom.

Poiadavky na meracie pracovisko:

• jednoduché ovládanie a kontrukcia • presnosť nastavovania a stabilita nastavených parametrov • dobrá reprodukovateľnosť meraní • odolnosť voči vonkajím vplyvom • jednoduché odčítavanie nameraných hodnôt • bezpečná a jednoduchá manipulácia • nízka cena

Obr. 11.1:Meracie pracovisko


strana 37

11.2 Parametre pouitých kamier

Kamera / Parameter RFK10A FK8A OV7910 Typ senzora CMOS CMOS CMOS Veľkosť senzora 1/3" 1/3" 5.78mm x 4.19mm TV systém PAL PAL PAL Rozlíenie 380 riadkov 380 riadkov 380 riadkov Min. osvetlenie 1 Lux 1.5 Lux 0 Lux Elektr. uzávierka áno 1/60 1/15000 s 1/50 1/15000 s Nastavenie bielej, AGC automatické automatické automatické Objektív ? 6.0mm / 52° 6.0mm / 69° / F2.0 Pracovná teplota ? -10°C +45°C -10°C +46°C Napájanie DC 8V DC 6V a 12V DC 12V Spotreba cca 80 mA 120 mW max. 200 mA IR LED nie áno áno Audio áno áno nie Výstup bezdrôt. 2.4 GHz cinch konektor cinch konektor

11.3 Meranie relatívnych spektrálnych charakteristík

Merali sme spektrálne charakteristiky týchto troch kamier pomocou navrhnutého meracieho pracoviska. Meranie prebehlo v rozsahu vlnových dĺok 400 nm a 1200 nm s krokom 20 nm pre vetky kamery. Do monochromátora bolo privádzané svetelné iarenie zo stabilizovaného svetelného zdroja. Skrutka monochromátora bola ovládaná krokovým motorom pomocou zariadenia AOM-1. Na jeho klávesnici sme zadali poadovanú vlnovú dĺku a zariadenie u samé zabezpečilo potrebné natočenie skrutky, take odpadlo nepresné vyčítavanie týchto hodnôt z grafu prevodovej charakteristiky. Svetelné iarenie nastavenej vlnovej dĺky bolo cez výstupnú trbinu monochromátora privedené na optiku meranej kamery. Kamera bola pripojená na monitor, kde sa zobrazil obraz, ktorý kamera snímala. Jas monitora nameraný spotfotometrom sa odčítaval z digitálneho voltmetra. Z nameraných hodnôt sa následne spravila relatívna spektrálna charakteristika, ktorá sa vyniesla do spoločného grafu pre vetky kamery.

λ RFK10A OV7910 FK8A RFK10A OV7910 FK8A [nm] [%] [mV]

400 12,7% 51,3% 10,6% 2,8 8 3,1 420 14,5% 56,4% 13,4% 3,18 8,8 3,9 440 17,3% 63,5% 19,2% 3,8 9,9 5,6 460 23,6% 76,9% 27,4% 5,2 12 8 480 32,7% 79,5% 35,6% 7,2 12,4 10,4 500 43,6% 76,9% 42,8% 9,6 12 12,5 520 58,2% 99,4% 55,5% 12,8 15,5 16,2 540 69,1% 100,0% 65,1% 15,2 15,6 19 560 70,0% 98,1% 67,5% 15,4 15,3 19,7 580 76,4% 99,4% 68,5% 16,8 15,5 20 600 78,2% 99,4% 69,5% 17,2 15,5 20,3


strana 38

620 89,1% 97,4% 82,9% 19,6 15,2 24,2 640 98,6% 96,2% 100,0% 21,7 15 29,2 660 100,0% 94,9% 76,4% 22 14,8 22,3 680 86,4% 93,6% 46,6% 19 14,6 13,6 700 72,7% 98,1% 24,0% 16 15,3 7 720 53,2% 91,0% 12,7% 11,7 14,2 3,7 740 30,9% 84,0% 8,9% 6,8 13,1 2,6 760 19,1% 90,4% 8,6% 4,2 14,1 2,5 780 16,1% 89,7% 9,9% 3,55 14 2,9 800 18,2% 88,5% 13,0% 4 13,8 3,8 820 20,9% 80,1% 23,6% 4,6 12,5 6,9 840 20,0% 82,1% 61,6% 4,4 12,8 18 860 21,8% 80,1% 92,5% 4,8 12,5 27 880 30,5% 78,8% 90,4% 6,7 12,3 26,4 900 45,5% 80,8% 94,5% 10 12,6 27,6 920 47,7% 80,8% 95,2% 10,5 12,6 27,8 940 51,4% 80,1% 95,2% 11,3 12,5 27,8 960 52,3% 82,1% 93,5% 11,5 12,8 27,3 980 54,5% 78,8% 92,5% 12 12,3 27

1000 53,6% 76,9% 89,0% 11,8 12 26 1020 51,4% 71,8% 84,9% 11,3 11,2 24,8 1040 46,8% 67,9% 78,8% 10,3 10,6 23 1060 44,5% 60,9% 71,9% 9,8 9,5 21 1080 40,9% 60,3% 65,4% 9 9,4 19,1 1100 35,5% 60,9% 64,4% 7,8 9,5 18,8 1120 35,5% 61,5% 63,7% 7,8 9,6 18,6 1140 28,2% 59,6% 62,3% 6,2 9,3 18,2 1160 25,9% 60,9% 66,8% 5,7 9,5 19,5 1180 22,7% 64,1% 67,1% 5 10 19,6 1200 21,4% 65,4% 67,8% 4,7 10,2 19,8

max. 22 15,6 29,2 Tab. 11.1: Namerané spektrálne charakteristiky


strana 39

Spektrálne charakteristiky

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

300 500 700 900 1100 1300λ [nm]

RFK10A OV7910 FK8A

Obr. 11.2: Graf relatívnych spektrálnych charakteristík meraných kamier

Ako môeme vidieť z grafu, obidve kamery s IR LED majú zvýenú citlivosť v infračervenej oblasti. Obidve kamery od firmy Flajzar (RFK10A a FK8A) majú v oblasti 750800 nm citlivosť výrazne zníenú. Podľa vyjadrenia výrobcu je to kvôli tomu, aby IR prisvietenie neovplyvňovalo obraz za denného svetla.

Chyby pri meraní mohli vzniknúť odrazmi v objektíve, ktoré bolo pri niektorých vlnových dĺkach vidno aj na monitore. Výraznejie mohla výsledky ovplyvniť aj funkcia automatickej uzávierky, vďaka ktorej si kamera prispôsobovala čas snímania. Jedinou monosťou, ako sa tomuto javu vyhnúť, by bolo merať priamo citlivosť samotného senzora, čím by sme vak nezistila ako sa správa daná kamera ako celok.

11.4 Popis činnosti meraných kamier

Kamera RFK10A jedná sa o malú farebnú kameru so zabudovaným mikrofónom, ktorá na prenos obrazu a zvuku vyuíva frekvenčné pásmo 2.4 GHz. Ku kamere sa dodáva 4kanálový prijímač. Dosah zariadenia je asi 100 metrov vo voľnom priestore alebo 30 metrov v budove. Pri väčej vzdialenosti je obraz výrazne ruený. Podľa charakteru tohto ruenia je zrejmé e obraz je prenáaný analógovo. Dosah systému sa dá zvýiť tým, e k prijímaču pripojíme anténu s vyím ziskom. Kamera nepotrebuje stabilizovaný zdroj a je moné ju napájať aj z 9V batérie. Maximálna spektrálna citlivosť je v oblasti 660 nm (červená farba), minimálna v oblasti 760820 nm (začiatok IR). V porovnaní s ostatnými meranými kamerami má táto najmeniu citlivosť, take sa hodí len do prostredia s dobrým osvetlením.


strana 40

Obr. 11.3: Bezdrôtová kamera RFK10A s prijímačom

0%

10%

20%

30%

40%

50%60%

70%

80%

90%

100%

300 500 700 900 1100 1300λ [nm]

Obr. 11.4: Relatívna spektrálna charakteristika kamery RFK10A

Kamera FK8A táto kamera je od rovnakého výrobcu ako RFK10A (firma Flajzar). Na oboch stranách má vedľa objektívu malé infračervené LED diódy spolu 6 kusov. Tie svietia vdy keď má kamera pripojené napájanie, bez ohľadu na mnostvo svetla dopadajúceho na senzor. Pravdepodobne aj z tohto dôvodu má kamera citlivosť v oblasti 720820 nm zníenú na minimum. Najvyiu citlivosť má v oblasti 640 nm (oranovo-červená farba). Kamera má dobrý obraz aj pri nízkej úrovni osvetlenia. LED diódy dokáu osvetliť okolitý priestor pribline do vzdialenosti 2-3 metrov.

Obr. 11.5: Kamera FK8A


strana 41

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

300 500 700 900 1100 1300λ [nm]

Obr. 11.6: Relatívna spektrálna charakteristika kamery FK8A

Kamera OV7910 ako jediná z týchto troch kamier nemá mikrofón. Kým ostatné dve kamery sú určené pre vnútorné pouitie, táto kamera je vo vodotesnom kryte. Okolo objektívu sú namontované veľké infračervené LED diódy (18 kusov) a svetelný senzor (pravdepodobne fotorezistor). Maximum citlivosti je v oblasti 540 nm (zelená farba), ale celé pásmo viditeľnej oblasti je pokryté oveľa rovnomernejie ako pri predchádzajúcich kamerách. Veľmi dobrá je tie citlivosť v infračervenej oblasti (a do 1200 nm). Aj táto kamera disponuje elektronickou uzávierkou, pomocou ktorej si reguluje mnostvo dopadajúceho svetla a rýchlosť snímania. Zároveň vak pouíva fotorezistor na regulovanie intenzity vyarovania LED diód. Táto regulácia je plynulá, take umoňuje aj slabé prisvietenie (napr. v prípade snímania veľmi blízkych predmetov s vysokou odrazivosťou) aj maximálny výkon, pri ktorom dokáe osvetliť celú miestnosť pribline do vzdialenosti 10 metrov. Kamera má veľmi vysokú citlivosť, dokáe zaznamenať obraz aj skoro v úplnej tme.

Obr. 11.7: Kamera OV7910


strana 42

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

300 500 700 900 1100 1300λ [nm]

Obr. 11.8: Relatívna spektrálna charakteristika kamery OV7910

11.5 Spektrálne charakteristiky starích typov kamier

Pre porovnanie výsledkov uvádzame aj spektrálne charakteristiky starích typov kamier, ktoré sa merali na KME v predchádzajúcich rokoch. V súčasnosti u tieto kamery nie sú funkčné, take sa merania nedali zopakovať.

Prvou kamerou je čiernobiela kamera PTK 0256 československej výroby s objektívom s manuálnym nastavovaním clony aj zaostrenia. Objektív je nasadený priamo na CCD čipe, bez akýchkoľvek ďalích filtrov alebo následného spracovania.

Obr. 11.9: Spektrálna charakteristika kamery PTK0256

Ako môeme vidieť z grafu, výsledná spektrálna charakteristika zodpovedá charakteristike samotného CCD senzora. Maximum citlivosti je pri vlnovej dĺke 750 nm, avak aj v IR oblasti je citlivosť ete dosť vysoká, čo je spôsobené absenciou akýchkoľvek filtrov, ktoré by blokovali IR iarenie.

Druhou porovnávanou kamerou je IntelliSense HT-CS-380. Táto kamera je u modernejia, je farebná a obsahuje objektív s automatickou clonou aj automatickým zaostrovaním.


strana 43

Obr. 11.10: Spektrálna charakteristika kamery IntelliSense HT-CS-380

Ako vidno z grafu, táto kamera spektrálnu charakteristiku vo viditeľnej oblasti skoro rovnú (jej maximum je pri 600 nm) a infračervenú oblasť potlačenú, take sa nehodí na pouitie v tejto oblasti.

Keď porovnáme tieto charakteristiky s tými, ktoré sme namerali pri troch nových kamerách, je jasne vidno pokrok. V dnenej dobe sú kamery u zloité zariadenia, v ktorých dochádza ku komplexnému spracovaniu obrazu, či u elektronicky alebo opticky (rôzne filtre a pod.).

11.6 Meranie minimálneho osvetlenia

Minimálnu citlivosť sme merali vo veľkej katuli od monitora. Aby sa predilo ovplyvneniu merania okolitým svetlom miestnosti, katuľa bola natretá čiernou farbou. Do nej sme umiestnili kameru, luxmeter PU150 a zdroj svetla, ktorým bola malá 6V iarovka pripojená na regulovateľný zdroj. Kamera snímala biely papier formátu A4, na ktorom bol vytlačený text The quick brown fox jumps over the lazy dog (veta, ktorá obsahuje vetky písmená abecedy). Text bol napísaný fontom Arial s rôznou veľkosťou písma (16 bodov a 84 bodov).

Pri kadej kamere sme začínali od úplnej tmy (infračervené diódy boli prelepené čiernou páskou, aby nemohli ovplyvniť meranie) a postupne sme zvyovali intenzitu osvetlenia. Zaznamenali sme kedy kamera začala reagovať (na monitore bolo vidno, e kamera nesníma iba tmu), ďalej úroveň osvetlenia, pri ktorom sa dal text prečítať a nakoniec osvetlenie, pri ktorom mala kamera jasný a optimálny obraz. Vetky kamery sú vybavené elektronickou uzávierkou, ktorá v prípade vyích úrovní osvetlenia reguluje mnostvo dopadajúceho svetla. Kamery potom pracujú optimálne aj vonku počas slnečného dňa (prispôsobenie na denné svetlo z úplnej tmy je postupné a trvá pribline 5 sekúnd).

Kamera Kamera reaguje Text čitateľný Obraz optimálny RFK10A 0,5 lx 2,5 lx 9,5 lx FK8A 0,2 lx 0,4 lx 2,5 lx OV7910 0,1 lx 0,2 lx 1,5 lx

Tab. 11.2: Namerané hodnoty minimálneho osvetlenia


strana 44

11.7 Zorný uhol

Zorný uhol nám určuje akú veľkú oblasť priestoru kamera sníma. Väčinou sa určuje buď ako obrazový zorný uhol (diagonálny) alebo osobitne horizontálny a vertikálny.

Obr. 11.11: Objasnenie zorného uhla

Pri meraní zorného uhla sme kameru postavili 150cm od steny a nasmerovali ju kolmo na ňu. Na monitore sme videli celú plochu steny, ktorú kamera snímala. Odmerali sme rozmery celej tejto plochy írku a výku. Pomocou írky x snímanej plochy a vzdialenosti d kamery od steny dokáeme z tohto rovnoramenného trojuholníka určiť horizontálny zorný uhol ϕ . Analogickým spôsobom sme určili aj vertikálny zorný uhol. Keď zo írky a výky snímanej plochy vypočítame jej uhlopriečku, môeme rovnakým spôsobom určiť aj diagonálny zorný uhol.

2tan2

tan2 2

arctan2 2

2arctan2

x

dxd

xdxd

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

=

=

=

=

Zorný uhol Kamera horizontálny vertikálny diagonálny

RFK10A 55° 39° 65° FK8A 52° 39° 63° OV7910 51° 35° 60°

Tab. 11.3: Vypočítané hodnoty zorných uhlov

Z nameraných údajov môeme povedať, e vetky kamery majú väčí zorný uhol ako ľudské oko (46° diagonálne). Najväčí záber má bezdrôtová kamera RFK10A, najmení OV7910.


strana 45

12. Záver Cieľom práce bolo priblíiť fungovanie systémov CCTV a ich pouitie. Na začiatku práce

sú vysvetlené základné princípy, ktoré sa v systémoch CCTV a kamerách vyuívajú. Zameral som na jednotlivé komponenty a zariadenia (CCD senzory, objektívy a ďalie) týchto systémov a to, ako môu ovplyvniť výslednú kvalitu celého systému. Analyzujem monosti pouitia kamerových systémov na monitorovanie objektov, ale aj na automatickú identifikáciu pomocou systémov videodetekcie. Budúcnosť kamerových systémov je práve v jej pouití, keďe eliminuje rizikový a nespoľahlivý ľudský faktor.

V ďalom popisujem niektoré podmienky (potrebné rozlíenie, dostatočné osvetlenie a správne umiestnenie kamery), ktoré je treba dodrať, aby kamerový systém fungoval správne a výsledný obraz zodpovedal naim predstavám o jeho vyuití. Taktie sa snaím objasniť pecifiká vyuitia CCD kamier v infračervenej oblasti spektra zdroje IR iarenia, spektrálnu citlivosť rôznych komponentov, pouitie peciálnych objektívov či filtra umoňujúceho snímať v IR reime aj cez deň.

V závere sa nachádza návrh meracieho pracoviska na meranie relatívnych spektrálnych charakteristík CCD senzorov, resp. kamier ako celku, keďe moderné kamery u disponujú rôznymi filtrami a hlavne elektronickými systémami, ktoré sa snaia vylepiť citlivosť aj spektrálnu charakteristiku. Zároveň sú prezentované namerané charakteristiky troch kamier. Pri kamerách od firmy Flajzar (RFK10A a RK8A) sme namerali prepad citlivosti v oblasti 750 800 nm. Podľa vyjadrenia výrobcu vak ide o úmysel cieľom je zamedziť tomu, aby infračervené prisvietenie ovplyvňovalo obraz počas dňa. Kamery určené pre pouitie s IR LED (OV7910 a RK8A) majú citlivosť v IR oblasti skoro na rovnakej úrovni ako je citlivosť vo viditeľnej oblasti. Avak aj tretia meraná kamera (bezdrôtová RFK10A) bola v IR oblasti dostatočne citlivá. Pri meraní minimálneho osvetlenia potrebného na prevádzku kamery vo viditeľnej oblasti sme zistili, e najväčiu citlivosť má kamera OV7910. Táto kamera má zároveň aj najväčí zorný uhol. Z porovnania výsledkov meraní so starími kamerami jasne vyplýva, e z jednoduchých kamier sa stávajú zloité elektronické zariadenia napríklad s automatickým regulovaním intenzity IR LED diód a automatickou elektronickou uzávierkou. Tým odpadá nutnosť pouitia zloitého objektívu s automatickou clonou. Technický pokrok umoňuje zvyovať citlivosť a do takých hodnôt, kedy kamera vidí lepie ako človek. Aj napriek tomu sú pre pouitie v noci najlepím rieením kamery pracujúce v infračervenej oblasti spektra.

V súčasnosti nachádzajú kamerové systémy uplatnenie stále v nových a nových oblastiach. U neslúia len na jednoduché pozorovanie situácie na vzdialenom mieste, ale stávajú sa súčasťou zloitých zabezpečovacích systémov, ktoré sú u vo viacerých oblastiach plne automatizované a nezávislé od ľudského faktora. Vo veľkej miere sa u pouíva plne digitálne spracovanie a záznam, čo umoňuje ete lepiu kontrolu nad vetkými parametrami. Čoraz častejie sa tieto systémy začínajú vyuívať na identifikáciu či u pohyblivých objektov (PZ pri autách) alebo ľudí (hľadanie podozrivých osôb). Otázne je, či nám tieto systémy o pár rokov nebudú a príli zasahovať do súkromia veď u teraz sme pod ich dohľadom skoro vade.


strana 46

13. Pouitá literatúra [1] Fischer, J.: Optoelektronické senzory a videometrie. Vydavatelství ČVUT, Praha 2002

[2] Křeček, S.: Ochrana majetku systémy průmyslové televize. Grada, 1997

[3] http://www.sony.com

[4] http://www.panasonic.com

[5] http://www.kodak.com/global/en/digital/ccd/sensorsMain.jhtml?id=0.1&lc=en

[6] http://www.cctp.com

[7] http://www.2bsecurity.com

[8] http://www.dpreview.com/learn/

[9] http://www.digitalsecrets.net/secrets/

[10] http://www.digispec.com

[11] http://www.securitycameraworld.com

[12] http://www.derwentcctv.com

[13] http://www.norbain.co.uk/downloads/articles/IR_lighting_and_domes_IndA.pdf

[14] http://www.ernitec.com/upload/ir-corrected_lenses_article.pdf

[15] http://photo.mysteria.cz/clanky/objekt.html

[16] http://www.kaya-optics.com/products/overview.shtml

Documents

Inteligentné kamerové systémy v zabezpečovacej technike · SLOVAK TECHNICAL UNIVERSITY BRATISLAVA FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS