CZYM TAK NAPRAWDĘ JEST MONITORING CCTV?
Systemy monitoringu CCTV to coraz częściej wybierane rozwiązania jeżeli chodzi o elektroniczne zabezpieczanie techniczne. Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii mamy możliwość korzystania z systemów o coraz wyższych parametrach, a co za tym idzie możemy cieszyć sie stale rosnacą jakością obrazu z kamer cyfrowych.
Poniższy artykuł przybliża większość zagadnień związanych z podstawowymi elementami systemów Telewizji Przemysłowej CCTV.
SPIS TREŚCI
Wstęp.
1. wprowadzenie do Technologii cctv.
1.1. Podstawowe informacje. 5
1.2. Historia rozwoju technologii CCTV.. 8
2. systemy telewizji przemysłowej CCTV.
2.1. Hybrydowe(analogowo-cyfrowe) systemy CCTV.
2.1.1. Przewody wykorzystywane w instalacjach CCTV.
2.1.1.1. Badanie wpływu długości przewodu UTP, na jakość obrazu transmitowanego za pomocą konwerterów sygnału wideo.
2.1.2. Metody zasilania urządzeń.
2.1.3. Kamery analogowe stosowane w systemach CCTV.
2.1.3.1. Najważniejsze podzespoły kamer analogowych.
1. Wprowadzenie do Technologii CCTV
1.1. Podstawowe informacje
W dzisiejszych czasach ludzie przywiązują coraz większą wagę do bezpieczeństwa siebie, swoich bliskich oraz własności. Przedsiębiorcy pragną spać spokojnie,
nie martwiąc się o dobytek firmy. Służby zajmujące się porządkiem
oraz bezpieczeństwem obywateli pragną wykonywać swoje obowiązki
na jak najwyższym poziomie. Poprawie szeroko rozumianego bezpieczeństwa
służą między innymi specjalistyczne systemy zabezpieczeń elektronicznych takie jak:
#SSWiN- systemy sygnalizacji włamania i napadu;
#SSP- systemy oddymiania i sygnalizacji pożaru;
#DSO-systemy nagłaśniające;
#RCP-systemy rejestracji czasu pracy;
#ACC- systemy kontroli dostępu.
Każdy z wymienionych powyżej systemów służy podwyższeniu bezpieczeństwa użytkowników, jednak skuteczność każdego z nich w znacznym stopniu podnosi zastosowanie systemu telewizji przemysłowej, czyli CCTV(ang. Closed Circiut Television). Głównym zastosowaniem systemów CCTV jest monitorowanie obszarów o dużym znaczeniu, lub takich, które zawierają przedmioty o znacznej wartości. Przykładem miejsc, w których stosowane są systemy nadzoru wizyjnego są banki, obiekty wojskowe, lotniska, kasyna oraz wiele innych lokali o wysokim standardzie bezpieczeństwa. Jednocześnie instalacje CCTV mogą być także wykorzystywane
w lokalach o mniejszym priorytecie bezpieczeństwa takich jak sklepy, restauracje,
czy hotele. Systemy telewizji przemysłowej mogą być również wykorzystywane
do ochrony klientów, gości lub pracowników i nie tylko w celu ustrzeżenia
przed kradzieżą lub zniszczeniem, ale również przed atakami przemocy lub wypadkami. Wiele nowoczesnych osiedli strzeżonych jest wyposażonych w systemy CCTV,
co ułatwia pracę pracownikom ochrony, dozorcom, a w konsekwencji podnosi poziom bezpieczeństwa każdego z mieszkańców. CCTV może mieć szereg innych zastosowań. Na przykład może być czasem wykorzystywane do kształcenia na odległość,
czy do wideokonferencji. Monitoring może również być stosowany w niebezpiecznych obszarach zakładów przemysłowych oraz naukowych, gdzie dokonuje się groźnych
dla zdrowia i życia prac, czy też eksperymentów. Bardzo zaawansowane systemy CCTV mogą zapewnić archiwizację przez wiele miesięcy, a nawet lat.
System może być również całkowicie zautomatyzowany, zsynchronizowany
z systemem SSWiN, ACC lub RCP. System CCTV może wysyłać e-maila
w razie zadziałania systemu detekcji ruchu, lub aktywować autonomiczny alarm. Obecnie trwają prace nad systemem rozpoznawania twarzy współpracującym z CCTV, a najwięksi producenci tego typu sprzętu mogą się już pochwalić wstępnymi wynikami.
Do tego typu rozwiązań w pełni funkcjonalnych potrzeba jednak czasu.
Telewizja dozorowa może również być stosowana do tajnej rejestracji w zależności
od potrzeb użytkownika. W domu kamery mogą być wykorzystywane dodatkowo
jako narzędzie rozpoznawania gości i w połączeniu z elektrozamkiem pełnić funkcję video-domofonu.
Systemy CCTV są również używane do nadzoru i rejestrowania obszarów użyteczności publicznej – monitoring miejski. Działanie takie ma na celu zmniejszenie wskaźników przestępczości, pełniąc funkcję środka odstraszającego, a także ułatwienie dochodzeń policyjnych poprzez dostarczanie dowodów wideo. Jest to dość kontrowersyjny temat,
i czasami postrzegany jako naruszenie prywatności i praw ludności cywilnej, szczególnie w krajach dobrze rozwiniętych takich jak Wielka Brytania, która jest znana z największej liczby kamer na świecie. Należy również pamiętać o tym, że większość systemów telewizji przemysłowej współpracuje z sieciami TCP/IP i umożliwia dostęp do zarchiwizowanych materiałów oraz obrazu na żywo z niemal każdego miejsca
na świecie. Obecnie coraz więcej zarządów miast uposaża swoje Miejskie Centra Zarządzania Kryzysowego w tzw. Centra Monitoringu Wizyjnego Miasta. Przykładem może być tutaj placówka znajdująca się w Gdyni przy ulicy ul. Władysława IV 12/14(Rys 1.). Jest to obecnie największy tego typu system na terenie Polski,
a swym zasięgiem obejmuje wszystkie dzielnice miasta. Nad bezpieczeństwem mieszkańców czuwa łącznie 175 kamer. System został zbudowany w oparciu
o najnowocześniejsze rozwiązania technologiczne, a jeżeli chodzi o wykorzystanie technologii radiowej do transmisji danych jest to najbardziej rozbudowana infrastruktura w Polsce. Gospodarzem systemu jest Straż Miejska w Gdyni.
Ulice miasta są obserwowane na dziesięciu stanowiskach przez 24 godziny na dobę
i siedem dni w tygodniu. Inwestycja została sfinansowana z budżetu miasta,
a jej całkowity koszty wyniósł około 13.5 mln złotych.
Rys. 1 Stanowiska monitoringu miejskiego w Miejskim Centrum Zarządzania Kryzysowego w Gdyni
przy ul. Władysława IV. Źródło: http://kfp.pl/pic/bp/5a/00076377.jpg dostępne 21.10.2013
Podsumowując, systemy CCTV są wykorzystywane zarówno do nagrywania, zdalnego przeglądania, czy podglądania na żywo obrazu pochodzącego z kamer.
Każdy, nawet najprostszy system telewizji przemysłowej spełnia swoje zadanie
jakim jest dozór wizyjny obszaru objętego monitoringiem. Użytkownicy systemów CCTV liczą często na powstrzymanie zachowań przestępczych, sprawne złapanie sprawcy poprzez wsparcie dochodzeń policji, a także poprawę poczucia bezpieczeństwa siebie, swoich bliskich oraz mienia. Telewizja przemysłowa może również usprawnić pracę wielkich zakładów, magazynów czy też hal logistycznych.
Szybki postęp technologiczny sprawia, że systemy telewizji przemysłowej
pozwalają na archiwizację coraz większych ilości informacji, a rejestrowany obraz stopniowo zwiększa swoją jakość oraz wydajność poprzez stosowanie coraz lepszych
i skuteczniejszych metod kompresji. Kamery stają się integralną częścią dzisiejszego krajobrazu miejskiego dzięki czemu mieszkańcy mogą się cieszyć wyższym stopniem bezpieczeństwa.
1.2. Historia rozwoju technologii CCTV
Początki rozwoju technologii CCTV sięgają już lat 60-70-tych(Rys. 2). Pierwsze próby budowy czegoś na miarę monitoringu miały miejsce w Stanach Zjednoczonych
oraz Wielkiej Brytanii. Ówczesne systemy w odniesieniu do tych jakie znamy dzisiaj,
były bardzo proste i trywialne. Początkowo kamery przemysłowe miały bardzo słabe parametry i występowały jedynie, jako urządzenia monochromatyczne (czarno-białe).
Bardzo niska rozdzielczość, słaby sygnał wyjściowy oraz duże gabaryty
to jedne z głównych wad tych archaicznych urządzeń.
Rys. 2 Jedna z pierwszych kamer CCTV w Wielkie Brytanii. Zdjęcie z 1965 roku, Liverpool.
Źródło:http://4.bp.blogspot.com/oldDGFLQsDA/T0ZD5W4nHiI/AAAAAAAAAEg/X8wmAMC3l04/s400/Singing+City+CCTV+2.jpg dostępne 21.20.2013
Ogromne problemy występowały podczas pracy urządzeń w warunkach nocnych
oraz w pomieszczeniach o słabym oświetleniu. Dziś rozwiązaniem tego problemu
są promienniki podczerwieni – oświetlacze IR(Rys.3), dzięki którym obszar
objęty dozorem monitoringu pozostaje zaciemniony dla ludzkiego oka,
natomiast kamera widzi niemal tak doskonale jak przy tradycyjnym oświetleniu.
Obecnie standardem stało się integrowanie oświetlaczy z samą kamerą, dzięki czemu otrzymujemy obraz dobrej jakości niezależnie od warunków oświetlenia.
Rys. 3 Przykładowy oświetlacz IR.
Źródło: http://zakupy.vitis-it.pl/141-266-thickbox/oswietlacz-ir-nla100.jpg dostępne 21.10.,2013
Kamery były łączone z czarno-białymi monitorami przy użyciu kabla koncentrycznego, co w przypadku telewizji analogowej nie zmieniło się do dnia dzisiejszego.
Początkowo struktura systemu CCTV była ograniczona do tego stopnia,
że każda kamera była podłączona bezpośrednio do jednego dedykowanego monitora,
co dzisiaj wydaje się wręcz niewyobrażalne. W ten sposób
system składający się z 16 kamer wymagał użycia aż 16 monitorów(Rys. 4)
Rys. 4 Schemat prymitywnej instalacji CCTV. Źródło: Opracowanie na podstawie:
1-http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/CCTV_Cameras.png;2-http://cctvpedia.com/wp-content/uploads/2013/05/SECURITYMON.jpg dostępne: 21.10.2013
W latach 70-tych na rynek wprowadzono urządzenie zwane Multiplekserem(Rys. 5), które pozwala na dzielenie obrazu monitora na kadry z wielu kamer.
Multipleksery umożliwiły ograniczenie ilości komponentów systemu CCTV(Rys. 6) pełniąc równocześnie rolę zmieniacza oraz dzielnika obrazu[1].
Inaczej rzecz ujmując operator takiego systemu miał możliwość zaprogramowania obrazu wyświetlanego na monitorze w taki sposób, by był on wyświetlany sekwencyjnie-jeden po drugim , lub jednocześnie z kilku kamer w danej chwili.
Rys. 5 Przykładowy multiplekser wizyjny stosowany w systemach CCTV. Źródło: http://a248.e.akamai.net/origin-cdn.volusion.com/not95.tcan2/v/vspfiles/photos/VM-99509-2T.jpg?1334944840 dostępne 21.10.2013
Rys. 6 Schemat instalacji CCTV z wykorzystaniem multipleksera. Źródło: Opracowanie na podstawie:
1-http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/CCTV_Cameras.png; 2-http://a248.e.akamai.net/origin-cdn.volusion.com/not95.tcan2/v/vspfiles/photos/VM-99509-2T.jpg?1334944840; 3-http://cctvpedia.com/wp-content/uploads/2013/05/SECURITYMON.jpg dostępne 21.10.2013
Twórcy pierwszych systemów CCTV borykali się z szeregiem problemów,
które wynikały w głównej mierze z ograniczeń technologicznych. Lata osiemdziesiąte to okres, w którym pionierzy telewizji przemysłowej wprowadzili do użytku rejestratory analogowe(Rys. 7), służące do gromadzenia materiałów video. Rejestrator analogowy to nic innego niż typowy magnetowid VHS wzbogacony o funkcję nagrywania pojedynczych klatek wybranych z wejściowego sygnału video generowanego przez kamerę. Funkcja ta daje możliwość nawet pięciokrotnego zwiększenia czasu nagrania na nośniku, jakim jest kaseta VHS. Dla przykładu: typowa kaseta VHS o długości
120 minut jest w stanie zarchiwizować nagranie trwające nawet 600 minut. Rejestratory analogowe umożliwiały zapis obrazu jednak jakość pozostawiała sobie dużo
do życzenia. Obraz zarchiwizowany na rejestratorach VHS był niewyraźny, ziarnisty
i pełen zakłóceń.
Rys. 7 Przykładowy rejestrator analogowy stosowany w systemach CCTV. Źródło: Opracowanie na podstawie:
- http://img18.allegroimg.pl/photos/oryginal/35/55/05/22/3555052285 dostępne 22.10.2013;
- http://img18.allegroimg.pl/photos/oryginal/35/55/05/22/3555052285_5 dostępne 22.10.2013
Rejestratory analogowe były pierwszym krokiem w stronę późniejszych osiągnięć telewizji przemysłowej i posiadały kilka ciekawych funkcji takich jak odtwarzanie
z różną prędkością, nagrywanie w trybie pętli(automatyczne przewijanie kasety
po zapełnieniu nośnika i nadpisywanie od początku), nagrywanie alarmowe,
czy też programowanie czasu pracy. Ograniczenia wynikające z zastosowanej technologii były ogromne i wymienić tutaj należy: bardzo powolny dostęp
do interesującego nagrania(konieczność odnalezienia odpowiedniego nośnika
i przewinięcia taśmy na odpowiedni fragment), wybór pomiędzy ręczną wymianą nośników, a nadpisywaniem taśmy. Kolejną wadą była możliwość nagrywania obrazu tylko z jednej kamery oraz brak rejestracji podczas przeglądania zdarzeń.
W latach 80-tych ubiegłego wieku funkcje takie jak możliwość zoomu,
czy detekcja ruchu, które dziś są absolutną podstawą były czymś na miarę filmów science fiction, absolutnie niewykonalnym ze względów technicznych.
Przełom w świecie CCTV nastąpił w latach 90-tych dwudziestego wieku.
Na rynku pojawiły się pierwsze rejestratory cyfrowe DVR
(ang. Digital Video Recorder), które zrewolucjonizowały branżę zabezpieczeń technicznych. Rejestratory DVR(Rys. 8) umożliwiają zapis obrazu cyfrowego,
lub uprzednio przetworzonego na postać cyfrową obrazu analogowego.
Urządzenia z zewnątrz nie wiele się różnią od swoich poprzedników,
jednak wewnątrz obudowy kryją się układy elektroniki
przypominające te z komputerów osobistych. Rejestratory dzięki specjalnemu oprogramowaniu ograniczają ingerencję użytkownika do absolutnego minimum spełniając jednocześnie zaawansowane i wysoce skomplikowane funkcje.
Standardem stał się zapis zdarzeń wraz z datą i godziną oraz możliwość przeglądania zarchiwizowanych materiałów nie przerywając ciągłości rejestracji.
Obraz z kamer w postaci cyfrowej rejestrowany jest na nośnikach danych,
którymi najczęściej są komputerowe dyski twarde(o przedłużonej żywotności). Producenci sprzętu umożliwiają również przechowywanie danych
na nośnikach zewnętrznych poprzez port USB, czy też zewnętrznych
macierzach dyskowych.
Rys. 8 Przykładowy rejestrator cyfrowy DVR stosowany w systemach CCTV. Źródło: http://www.napad.pl/data/katalog/produkty/duze/RejestratorDVR-0804LE-As-Kat-950.jpg dostępne 22.10.2013
Do najważniejszych cech stosowanych obecnie rejestratorów cyfrowych należą:
# możliwość rejestracji obrazu z wielu kamer jednocześnie – standardem są rejestratory 4, 8 oraz 16 kanałowe;
# możliwość odtworzenia dowolnego momentu nagrania oraz szybki dostęp do niego wynikający z braku konieczności przewijania taśmy;
# ciągłość rejestracji dzięki opcji nadpisywania najstarszych zdarzeń;
# możliwość rejestracji bardzo długich nagrań, między innymi dzięki funkcji detekcji ruchu, czy też możliwości regulacji rozdzielczości przechwytywanego obrazu,
liczby jego klatek, a także poziomu kompresji;
# programowanie zachowania urządzenia zgodnie z harmonogramem- rejestracja
w trybie alarmu, detekcji lub nagrywania ciągłego;
# tworzenie kont użytkowników o różnych poziomach uprawnień;
# kompatybilność urządzeń z systemami zewnętrznymi takimi jak system alarmowy, system kontroli dostępu, czy też inny system CCTV;
# możliwość dwukierunkowego przesyłu danych poprzez sieci LAN, WAN
oraz Internet;
# kompatybilność z urządzeniami poprzez standard RS (przy użyciu portu szeregowego) – obsługa urządzeń PTZ (Pan-Tilt-Zoom ang. Obrót-Pochylenie-Przybliżenie)
# zmniejszenie kosztów eksploatacji systemu poprzez wyeliminowanie czynności konserwujących takich jak czyszczenie głowic, cz wymiana nośników;
# możliwość rejestracji dźwięku zsynchronizowanego z obrazem.
Pomimo tego, że stosowane w obecnych czasach systemy CCTV dają ogromne możliwości i doskonale radzą sobie z większością dotychczasowych problemów technika wciąż posuwa się naprzód, a producenci prześcigają się we wprowadzaniu ciągłych nowinek i ulepszeń.[2]
Obecnie na rynku CCTV coraz większe uznanie i przychylność instalatorów
oraz konsumentów zyskują systemy CCTV IP. Systemy telewizji przemysłowej oparte
o protokół TCP/IP i bazujące na infrastrukturze sieci komputerowej(Rys. 9)
dają nowe możliwości zarówno, jeśli chodzi o tworzenie samej instalacji,
jak i o efekt końcowy w postaci obrazu oraz dźwięku o bardzo wysokich parametrach. Tworząc system telewizji przemysłowej IP należy zwrócić uwagę na wiele innych aspektów, niż w przypadku tradycyjnej telewizji analogowej. Należy posiadać wiedzę
z zakresu projektowania, tworzenia, zarządzania oraz nadzoru nad komputerowymi sieciami oraz być zaznajomionym z ich podstawowymi zagadnieniami takimi jak: przepustowość, nadmiarowość, skalowalność systemu, czy sterowanie częstotliwością odświeżania. Od powyższych czynników w dużej mierze uzależniona jest poprawna funkcjonalność systemu, jego płynność, a także niezawodność.
Rys. 9 Ogólny schemat systemu CCTV IP. Źródło: Opracowanie na podstawie:
1-http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/CCTV_Cameras.png;
2-http://smakpracy.pl/upload/admin/1331230043Komputer_s%C5%82u%C5%BCbowy.jpg dostępne 27.10.2013
Pojawienie się mega pikselowych kamer przyczyniło się do konieczności zgłębiania przez instalatorów wiedzy związanej z technologią IP, jednak póki co wielu z nich pozostaje przy systemach analogowych, które nadal są rozwijane i unowocześniane.
Systemy IP opierające się dotychczas głównie na podzespołach typowo sieciowych obecnie przechodzą kolejny przełom w postaci pojawiających się autonomicznych urządzeń sieciowych typu Stand Alone(z ang. wolnostojący/autonomiczny).
Urządzenia tego typu zapewniają stabilność działania oraz bezpieczeństwo na wysokim poziomie, będąc przy tym bardzo łatwe w instalacji i konfiguracji dla instalatorów,
a zarazem przyjazne w obsłudze dla użytkownika końcowego. Zastanawiając się
nad wyborem technologii w jakiej powinien zostać wykonany system CCTV należy zwrócić w dużej mierze uwagę na jakość obrazu jaką chce się uzyskać.
Porównując kamery mega pikselowe z tradycyjnymi kamerami nadającymi obraz
w rozdzielczości CIF lub 4-CIF(najwyższa możliwa rozdzielczość w telewizji analogowej) można dostrzec ogromną przepaść między tymi technologiami.
Pytanie jakie należy sobie jednak zadać związane jest z zapotrzebowaniem na materiał konkretnej jakości. Różnice pomiędzy obrazami tej samej sceny w różnych dostępnych rozdzielczościach przedstawia Rys. 10.
Rys. 10 Możliwości przedstawienia jednej sceny za pomocą różnych rozdzielczości: Źródło: http://manta-trinity.wpengine.netdna-cdn.com/files/2012/12/resolution-comparison1-684×515.jpg dostępne 27.10.2013
Absolutną nowością w dziedzinie technologii sieciowej telewizji przemysłowej
są urządzenia HD, czyli High Definition(z ang. wysokiej rozdzielczości)
pracujące na wydajnych procesorach sygnałowych i dostarczające materiał
w standardzie HD, czyli o rozdzielczości 1920×1080 pikseli-1080p, czy 1280×720 pikseli-720p. Obraz wyjściowy, by uzyskać miano HD musi być dodatkowo
o proporcjach 16: 9, a także posiadać minimalną częstotliwość odświeżania
25 klatek na sekundę przy pracy w czasie rzeczywistym. Należy rozumieć zależność,
że każda kamera HD jest kamerą mega pikselową, jednak nie każda kamera
mega pikselowa może szczycić się mianem High Definition.
Systemy CCTV IP cechują się duża wydajnością i wysokimi
parametrami jednak obecnie ich ceny są jeszcze znacznie wyższe od systemów analogowych. Tworząc projekt systemu telewizji przemysłowej
należy zadać kilka istotnych pytań odnośnie tego do czego system ma docelowo służyć, jakie wymagania powinien spełniać oraz jaka jest dopuszczalna wartość całego systemu.
Dopiero odpowiadając na powyższe zagadnienia można zadecydować,
czy system powinien być w pełni cyfrowy(technologia CCTV IP),
czy też analogowo-cyfrowy.
Przyglądając się historii rozwoju telewizji przemysłowej CCTV można zauważyć,
że dopiero w ostatnich latach nastąpiły ogromne zmiany, które wynikają
z ogromnego postępu technologicznego na wielu płaszczyznach.
Tak jak w wielu innych dziedzinach możemy się spodziewać kolejnych
przełomów i wynalazków, które bez wątpienia mają na celu
poprawę standardów bezpieczeństwa obywateli i zapewnienie im
spokoju życia codziennego.
2. systemy telewizji przemysłowej CCTV
Każdy system telewizji przemysłowej CCTV powinien spełniać swoje podstawowe,
a zarazem najważniejsze funkcje, czyli rejestracja materiałów wideo przechwyconych
z kamer oraz możliwość ich odtworzenia i podglądu na żywo.
Na podstawie rozdziału pierwszego można dowiedzieć się, że najczęściej stosowane obecnie systemy telewizji przemysłowej dzielimy na systemy analogowe
(w praktyce są one systemami hybrydowymi: analogowo-cyfrowymi-
ze względu na przetwarzanie przechwyconego obrazu analogowego na obraz cyfrowy poprzez rejestrator cyfrowy DVR) oraz na cyfrowe systemy IP.
Każda z wymienionych technologii posiada szereg charakterystycznych cech, elementów składowych oraz metod instalacyjnych. W obecnych czasach
systemy IP są jeszcze stosunkowo rzadko spotykane głównie ze względu
na swą wysoką cenę w porównaniu do systemów analogowych.
Kolejnym aspektem przemawiającym na niekorzyść systemów IP
jest niechęć sporej liczby instalatorów do przejścia na systemy w pełni cyfrowe,
a co za tym idzie – nadal większość uruchomionych systemów,
jakie można napotkaćto systemy hybrydowe(analogowo-cyfrowe).
Kolejne podrozdziały zostaną zatem poświecone objaśnieniu budowy,
zasady działania oraz wszelkich szczegółów związanych z najpopularniejszymi
na polskim rynku systemami analogowo-cyfrowymi.
2.1. Hybrydowe(analogowo-cyfrowe) systemy CCTV
Analogowe systemy CCTV bazują na archaicznych systemach sprzed lat, jednak zostały wzbogacone o kamery posiadające najwyższe parametry, jakie z urządzenia analogowego można uzyskać oraz o rejestratory cyfrowe dające szereg rozbudowanych możliwości. Systemy analogowe w odróżnieniu od swoich cyfrowych następców cechują się stosunkowo prostą procedurą instalacji, a z racji charakteru sygnału,
który jest w pełni analogowy uzyskano 100% kompatybilności urządzeń różnych producentów, co jest ogromną zaletą w odniesieniu do systemów IP.
Sygnał analogowy stosowany w CCTV jest generowany, przesyłany
oraz odbierany przez urządzenia, które są dopasowane do impedancji 75 W.
Telewizja przemysłowa ma te same właściwości transmisji sygnału co telewizja satelitarna oraz naziemna, dzięki czemu istnieje możliwość łączenia urządzeń
telewizyjnych codziennego użytku z elementami systemu CCTV,
np. telewizor wyposażony w wejście audio-video, czyli popularne wejście A/V teoretycznie może zostać wykorzystany jako monitor CCTV.
W praktyce unika się takich działań chociażby ze względu na to,
że typowe urządzenia A/V nie są przystosowane do ciągłej pracy
w trybie 24-godzinnym. Telewizja kolorowa wraz z jej parametrami
definiowana jest przez systemy transmisji. Europa Zachodnia z Polską włącznie
objęta jest systemem PAL, natomiast Azja oraz USA systemem NTSC.
Zgodnie z przyjętym standardem na terenie Polski urządzenia
stosowane w systemach CCTV dostosowane są do systemu PAL.
Aby w pełni zrozumieć działanie systemów analogowej telewizji przemysłowej,
należy przeanalizować każdy z elementów składowych, rozpoczynając
od tych podstawowych, jakimi są elementy infrastruktury okablowania
oraz ich komponenty w postaci złączek i przejściówek.
Podstawowym i fundamentalnym urządzeniem, dzięki któremu możliwe jest przetworzenie obrazu otaczającego nas świata i przesłanie kablami
w celu wygenerowania na ekranie monitora, lub telewizora jest kamera.
Aby analogowy obraz video mógł trafić na dysk twardy wykorzystywany
do rejestracji obrazów w postaci cyfrowej, musi zostać wcześniej przetworzony
przy użyciu rejestratora cyfrowego. Analogowy obraz w wyniku przetworzenia
na postać cyfrową tworzy ogromną ilość danych, dlatego niezbędna jest
kompresja takiego obrazu do postaci, w której zajmować będzie
o wiele mniej miejsca na nośniku, zachowując przy tym
zadowalające parametry dla ludzkiego oka. Jeśli chodzi o archiwizację obrazów
przetwarzanych przez rejestrator cyfrowy to podstawowym urządzeniem
w systemach CCTV jest dysk twardy, taki sam, jaki znany jest
ze stacjonarnych komputerów PC. Długość okresu rejestracji obrazów
zależy między innymi od pojemności dysku twardego, w jaki wyposażony jest rejestrator. Wszystkie wymienione elementy wraz z dokładnym opisem
oraz pozostałe istotne urządzenia tworzące systemy monitoringu CCTV
zostały opisane w kolejnych podrozdziałach.
2.1.1. Przewody wykorzystywane w instalacjach CCTV
Transmisja sygnałów w CCTV opiera się o przesył sygnałów przy użyciu dedykowanych przewodów, które zostały opisane w poniższych podrozdziałach.
KABEL KONCENTRYCZNY – PODSTAWOWE MEDIUM TRANSMISYJNE W TELEWIZJI ANALOGOWEJ.
Kabel koncentryczny(Rys. 11) inaczej zwany kablem współosiowym
jest podstawowym medium transmisyjnym stosowanym w analogowych systemach
telewizji przemysłowej. Niezmiennie od wielu lat topologie systemów CCTV
tworzone są w oparciu o ten właśnie typ przewodu i dopóki systemy IP nie wyprą zupełnie urządzeń analogowych sytuacja ta nie powinna ulec zmianie.
Rys. 11 Przykład kabla koncentrycznego stosowanego w analogowych systemach CCTV. Źródło: http://www.sklepantena.pl/zdjecia/590.jpg dostępne 28.10.2013
Połączenia pomiędzy urządzeniami na dystansie 100 – 600 metrów zwykle realizuje się przy pomocy kabla koncentrycznego(współosiowego) o impedancji 75 W. Maksymalna odległość między urządzeniem nadawczym(kamerą), a urządzeniem odbiorczym(rejestratorem) zależna jest w dużej mierze od jakości samego przewodu. Na Rys.12 opisane zostały poszczególne elementy kabla koncentrycznego
mające wpływ na jego właściwości. Kabel koncentryczny nosi nazwę współosiowego ze względu na to,że w jego skład wchodzą dwa koncentryczne, czyli współosiowe przewody(dzielą one wspólną oś). Przewody koncentryczne stosowane w telewizji przemysłowej często występują w wersji zintegrowanej z przewodem zasilającym
(Rys. 13), co znacznie ułatwia prace związane z wykonaniem instalacji okablowania pod system telewizji przemysłowej. Zintegrowany przewód zasilający w zależności od dystansu pomiędzy urządzeniami zazwyczaj posiada przekrój z zakresu 0.5 mm2 – 1 mm2.
Rys. 12 Schemat budowy kabla współosiowego(koncentrycznego) wraz z opisami poszczególnych elementów. Źródło: Opracowanie na podstawie: http://www.elektrosystemy.pl/ES_new/media/k2/items/cache/39ab3435cacf1a08e9825cb605dc66ac_XL.jpg
dostępne 28.10.2013
Najważniejszym, podstawowym elementem kabla koncentrycznego jest jego rdzeń
(żyła główna). Wybierając kabel koncentryczny należy zwrócić uwagę na materiał,
z jakiego jest on wykonany oraz jego grubość. Najczęściej rdzeń kabla
koncentrycznego wykonany jest z miedzi. Rzadziej spotykane są rdzenie
aluminiowe, lub wykonane z linki stalowej. Aby mieć pewność, że kabel okaże się użyteczny przy budowie systemu CCTV należy zadbać, by jego żyła główna
miała średnicę minimum 1 mm2. Kolejne elementy na które należy zwrócić uwagę to grubość warstwy dielektryka oddzielającego przewód elektryczny od ekranu.
Powinna mieć ona średnicę ponad 4,8 mm2 i składać się ze spienionego polietylenu.
Rys. 13Przewód koncentryczny zintegrowany z przewodem zasilającym – dwużyłowym: Źródło: http://www.kamery.pl/storage/arty/przewod_cctv_wz.jpg dostępne 28.10.2013
Grubość warstwy izolatora oraz jego parametry mają wpływ
na impedancję falową przewodu. Kolejną istotną warstwą przewodu współosiowego jest oplot zewnętrzny, będący drugim istotnym ośrodkiem przewodzącym,
a zarazem pełniący funkcje ochronne sygnału przed zakłóceniami elektromagnetycznymi mogącymi powodować zakłócenia w transmisji.
Po raz kolejny analizując warstwę oplotu przewodu należy zwrócić uwagę
na materiał, z jakiego jest on wykonany – najczęściej spotykamy
oploty miedziane, lub aluminiowe. Ważna jest również gęstość oplotu,
która powinna być na poziomie bliskim 100%.
Ostatnią warstwą chroniącą kabel przed uszkodzeniami mechanicznymi,
jak również zabezpieczającą elementy przewodzące jest płaszcz
zewnętrzny przewodu. Izolacja zewnętrzna najczęściej wykonana jest z polichlorku winylu(PCV), lub teflonu. Jeżeli przewody instalacji docelowo
mają przebiegać na zewnątrz obiektu, a co za tym idzie będą bezpośrednio narażone
na działanie czynników atmosferycznych, należy wykorzystać
przewód żelowany, który uodparnia dodatkowo kabel na zjawisko
chłonięcia wilgoci. Dodatkowo, jeśli instalacja przebiegać będzie
trasą napowietrzną wskazane jest użycie przewodu zintegrowanego
z linką nośną, która zwiększa wytrzymałość mechaniczną
na rozciąganie przewodu pod wpływem własnego ciężaru
oraz czynników zewnętrznych.
Rys. 14 Ogranicznik przeciwprzepięciowy 4-kanałowy- stosowany w instalacjach zewnętrznych. Źródło: http://www.obserwuj.pl/img/fotki/LKO-4-F.jpg dostępne 28.10.2013
Ważnym elementem, o którym należy pamiętać w przypadku instalacji zewnętrznych,
a który jest często pomijany, lub zapominany są ograniczniki przepięć.
Ogranicznik przepięć(Rys. 14) zabezpiecza chronione urządzenia na skutek
działania wyładowań atmosferycznych, które mogą doprowadzić do uszkodzenia elementów systemu. Jeżeli długość przewodu sygnałowego pomiędzy
urządzeniami przekracza 100 metrów, to w zależności od użytego kabla może wystąpić konieczność zastosowania wzmacniacza sygnału wizyjnego(Rys. 15).
Szczególną uwagę należy zwrócić przy transmisji obrazu kamer kolorowych,
gdyż jest on bardziej podatny na straty wynikające z długości okablowania.
Pierwsze niepokojące objawy, jakie mogą świadczyć o zbyt długim przewodzie
i konieczności zastosowania wzmacniacza to niskie nasycenie barw w transmitowanym obrazie.
Rys. 15 Przykładowy wzmacniacz sygnału video 1-kanałowy. Źródło: http://www.napad.pl/data/katalog/produkty/duze/592_1120565580_138753.jpg dostępne 28.10.2013
W systemach telewizji przemysłowej stosuje się przewody współosiowe
o impedancji falowej 75 W, a co za tym idzie wszelkie urządzenia biorące udział
w transmisji sygnału video przystosowane są do transmisji wyżej wymienionym
typem przewodu, wykorzystując przy tym kompatybilne złącza typu BNC(ang. Bayonet Neill-Concelman)(Rys. 16) oraz RCA(ang. Radio Corporation of America)(Rys. 16) – powszechnie znane jako chinch.[3]
Rys. 16 Podstawowe złącza stosowane w telewizji przemysłowej przy transmisji kablem koncentrycznym. Od lewej: Złącze BNC: Źródło: http://networkcctv.net/images/bnc01.jpg dostępne 28.10.2013; Złącze RCA: Źródło: http://www.tenettech.com/content/images/thumbs/0005882_rca_cable_for_raspberry_pi.jpeg dostępne 28.10.2013
Standardem obowiązującym w systemach CCTV stały się złącza typu BNC.
Stosując tego typu konektory należy zwrócić uwagę na dobranie odpowiednich parametrów złącza – impedancja 75 W oraz na średnicę tulejki nakładanej na przewód w miejscu ekranu. Sposób instalacji wtyku BNC na gniazdu sprowadza się
do zaciśnięcia przy użyciu odpowiedniego przyrządu wtyku na kablu.
Powszechnie stosowane są również przejściówki gniazda F na wtyk BNC.
Gniazdo typu F(Rys. 17) nakręcane jest na przewód koncentryczny,
a następnie wkręcany do niego jest wtyk BNC.
Rys. 17 Gniazdo F wraz z przejściówką na wtyk BNC. Źródło: http://www.kamsys.pl/allegro/katalog/9463.jpg dostępne 28.10.2013
Złącza typu RCA są rzadko stosowane w profesjonalnych systemach CCTV,
częściej w transmisji torów audio. Są podatne na zakłócenia,
oraz niestabilne ze względu na specyfikę swojego wykonania.[4]
Transmisja sygnału analogowego charakteryzuje się podstawowym parametrem, jakim jest szerokość przenoszonego pasma. Parametr ten jest różnicą pomiędzy dolną
oraz górną częstotliwością kanału zdolnego przenieść sygnał
cechujący się nierównomiernością nie słabszą niż 3 dB. Kolejnym ważnym
parametrem kabla koncentrycznego jest wspomniana wcześniej impedancja falowa, czyli stosunek napięcia oraz natężenia prądu na dowolnym odcinku medium transmisyjnego, jakim jest przewód współosiowy. Kolejne parametry charakterystyczne dla kabla koncentrycznego to współczynnik odbicia, tłumienność falowa
oraz skuteczność ekranowa. [5]
PRZEWODY PAROWANE – ALTERNATYWA DLA KABLA KONCENTRYCZNEGO.
W sytuacji, gdy warunki panujące na obiekcie wymagają wykorzystania przewodów innych niż koncentryczne, lub gdy występuje już gotowa instalacja okablowania, dopuszczalne jest wykorzystanie przewodów typu skrętka komputerowa stosowanych w sieciach teleinformatycznych, lub w ostateczności kabla telefonicznego.
Aby skorzystać z tego typu przewodów należy użyć specjalnych konwerterów
zwanych też transformatorami sygnału wideo. Stosowanie tego typu przewodów
nie jest zalecane, ze względu na ich większą podatność na zakłócenia,
niż w przypadku kabla koncentrycznego. Jeżeli dystans pomiędzy urządzeniem nadawczym i odbiorczym nie przekracza 400 metrów stosuje się konwertery pasywne, znane również pod nazwą transformatorów biernych(Rys. 18). Schemat obrazujący praktyczne zastosowanie konwerterów analogowego sygnału video z kabla koncentrycznego na skrętkę przedstawia Rys. 20. Analizując schemat blokowy
zawarty na Rys. 20 można zauważyć, że zastosowanie konwerterów sygnału wideo
nie zwalnia z zastosowania złączek BNC oraz przewodu współosiowego, co wynika
z faktu, że urządzenia pracujące w systemach CCTV przystosowane są
fabrycznie do pracy z przewodem koncentrycznym. Stosowanie konwerterów wprowadza zatem dodatkowy element połączeniowy w systemie, który generować może problemy.
Rys. 18 Pasywny/bierny konwerter analogowego sygnału video stosowany w CCTV.
Źródło: http://www.aval.com.pl/rys_por/f4_2.jpg dostępne: 6.11.2013
W przypadku odległośći większych niż 400 metrów istnieje konieczność zastosowania konwerterów aktywnych z zasilaniem zewnętrznym(Rys. 19), które umożliwiają transmisję obrazu na odległość nawet 1600 metrów zachowując stosunkowo dobre parametry przesyłanego obrazu.
Rys. 19 Przykładowy konwerter aktywny z kabla koncentrycznego na kabel UTP. Źródło: http://www.kamsys.pl/894-large/konwerter-utp-video-att-1-aktywny-nadajnik.jpg dostępne: 6.11.2013
Rys. 20 Schemat obrazujący praktyczne zastosowanie konwerterów analogowego sygnału video z kabla koncentrycznego na skrętkę. Źródło: Opracowanie własne
Odległość pomiędzy urządzeniami nadawczymi oraz urządzeniami odbiorczymi sygnału wideo ma ogromny wpływ na jakość otrzymanego obrazu dlatego bardzo ważnym aspektem projektowania systemu telewizji porzemysłowej jest uwzględnienie tego parametru i dobranie odpowiednich podzespołów. Należy zawsze dokładać wszelkich starań, aby trasy kablowe przebiegały nie tylko w bezpiecznej odległośći
od innych przewodów, czy też urządzeń mogących generować zakłócenia elektromagnetyczne, a w konsekwencji negatywnie wpływać na jakośc sygnału. Ważnym jest, by trasy kablowe tworzyły możliwie najkrótsze odcinki. Kolejną bardzo istotną rzeczą jest to, aby zachować odpowiednie kąty gięć określone dla danego typu przewodu. Im krótszy dystans pomiędzy kamerą, a urządzeniem odbiorczym,
tym uzyskany sygnał cechować będzie się wyższymi parametrami.
2.1.1.1. Badanie wpływu długości przewodu UTP, na jakość obrazu transmitowanego za pomocą konwerterów sygnału wideo.
Testy obrazujące doskonale wpływ długości przewodu UTP na obraz wyjściowy
po zastosowaniu konwerterów wideo zostały przeproweadzone dla obrazu z kamery kolorowej. Do testów zastosowano zarówno konwertery pasywne, czyli takie
które nie wymagają zewnętrznego zasialnia, jak i konwertery aktywne
wyposażone w zasilacz. Testy zostały każdorazowo wykonane przy użyciu
tego samego typu kabla, tego samego monitora oraz kamery.
Wyniki testów przeprowadzomnych na konwerterach aktywnych oraz pasywnych
dla różnych długośći przewodów przedstawiają obrazki Rys. 21 oraz Rys. 22.
Rys. 21 Test przedstawiający obraz z jednej kamery przy użyciu konwerterów pasywnych dla różnych długości przewodu UTP. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.delta.poznan.pl/news/tr1/tr1.htm dostępne 6.11.2013
Rys. 22 Test przedstawiający obraz z jednej kamery przy użyciu konwerterów aktywnych dla różnych długości przewodu UTP. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.delta.poznan.pl/news/tr1/tr1.htm dostępne 6.11.2013
Testy, których wyniki obrazują Rys. 21 oraz Rys. 22 przeprowadzane były
w warunkach laboratoryjnych. Podczas badania sygnału wideo wzmacnianego
przy użyciu transformatorów aktywnych zastosowano nadajnik aktywny
ATT-1 oraz odbiornik aktywny ATR-1 ze wzmocnieniem i korekcją sygnału.
Najlepsze efekty osiąga się stosując aktywne konwertery zarówno po stornie odbiorczej jak i nadawczej. W sytuacjach awaryjnych jako substytutu skrętki komputerowej dopuszcza się zastosowanie przewodu telefonicznego, lub dowolnego przewodu jednoparowego. Dystans na jaki można sukcesywnie transmitować obraz kolorowy
przy użyciu tego typu przewodów wynosi nawet do 200 metrów,
jednak już powyżej odległości 100 metrów zaczynają być widoczne straty
w sczegółowości obrazu. Wyniki zastosowania dwużyłowego kabla
nieekranowanego YTKSY o słabych parametrach obrazuje Rys. 23.
Rys. 23 Test przedstawiający obraz z jednej kamery przy użyciu konwerterów aktywnych dla różnych długości przewodu dwużyłowego YTKSY. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.delta.poznan.pl/news/tr1/tr1.htm dostępne 6.11.2013
W naturalnycyh warunkach kable narażone są na wiele czynników mających wpływ na jakość sygnału, a w szczególności fale elektomagnetyczne innych instalacji,
czy urządzeń. Fale elektromagnetyczne powodują zakłócenia i odkształcenia transmitoweanego sygnału, a kabel UTP popularnie znany jako skrętka
komputerowa jest bardziej na nie podatny niż kabel koncentryczny.
Na rynku dostępne są typy skrętki ekranowanej przy pomocy folii, lub siatki,
a także ich połączenia np. każda para osobno ekranowana folią,
a doatkowo całość ekranowana siatką oraz folią. Skrętki ekranowane
są bardziej odporne na zakłócenia elektromagnetyczne niż ich wersja
nieekranowana, jednak ich cena jest drastycznie wyższa, dlatego warto
pozostać przy kablu koncentrycznym ze względu na dobre parametry
przy zachowaniu rozsądnej ceny oraz braku konieczności stosowania
dodatkowych konwerterów, które również niosą za sobą dodatkowe koszty,
a zarazem stanowią kolejny element połączeniowy systemu mogący generować problemy. [6]
Podsumowując informacje na temat przewodów stosowanych w systemach CCTV należy pamiętać, że podstawowym i najlepszym nośnikiem analogowego sygnału video jest kabel koncentryczny inaczej zwany
współosiowym. Analizując właściwości przewodu, jaki powinien zostać zastosowany
należy pamiętać, by zwracać szczególną uwagę na materiały, z jakich przewód
jest wykonany, podstawowe parametry stosowanego przewodu,
warunki panujące w obiekcie (lub poza obiektem w przypadku instalacji
zewnętrznych), odległości pomiędzy urządzeniami oraz elementy służące
do wykonania połączeń pomiędzy nimi.
2.1.2. Metody zasilania urządzeń
Wszystkie urządzenia stosowane w systemach telewizji dozorowej
są urządzeniami elektronicznymi i za wyjątkiem pasywnych konwerterów
sygnału wideo każde z nich potrzebuje zasilania prądem elektrycznym.
W przypadku urządzeń, których producent dostarcza dedykowany zasilacz
wraz z urządzeniem problem nie istnieje. Do urządzeń standardowo
wyposażonych w dedykowane podzespoły zasilające można zaliczyć
monitor CCTV, czy też rejestrator cyfrowy. Wadliwe zasilanie
często staje się przyczyną nieprawidłowego działania nawet całego systemu,
dlatego bardzo ważnym jest, by osoba projektująca system starannie zadbała
o wszystkie aspekty związane z dystrybucją oraz dostarczeniem
napięcia zasilającego do urządzeń wchodzących w skład systemu telewizji przemysłowej. Kamery stosowane w systemach CCTV produkowane są
w wersjach zasilanych stałym napięciem 12 V, lub napięciem zmiennym 230 V
oraz 24V. W zależności od rodzaju prądu, jakim zasilane mają być urządzenia
należy zastosować odpowiedni przewód zasilający. Wybierając kabel
należy wziąć również pod uwagę dystans, jaki występuje pomiędzy
źródłem zasilania, a urządzeniem. Odległość pomiędzy urządzeniami ma wpływ
na konieczność wyboru odpowiedniego przekroju kabla.
Zasilanie napięciem 230 VAC(ang. alternating current) prądu zmiennego
posiada jeden ogromny plus\, a mianowicie duża odległość,
na jaką można je przesyłać. Drugim atutem jest ogólna dostępność
tego zasilania oraz brak konieczności stosowania dodatkowych
transformatorów oraz zasilaczy. Podczas projektowania systemu
należy pamiętać, że nie jest zalecane zasilanie urządzeń
z różnych losowych punktów na obiekcie, np. najbliższego gniazdka
znajdującego się w pobliżu kamery. Poprawnie wykonana instalacja
systemu CCTV powinna przewidywać wykonanie centralnego punktu zasilającego,
z którego zasilane będą wszystkie kamery, monitory oraz rejestratory.
W przypadku bardziej rozbudowanych systemów można przewidzieć
dodatkowe rozdzielnie napięć w poszczególnych segmentach systemu.
Zbiorczy punkt zasilający powinien być wyposażony w główny bezpiecznik jednofazowy, bezpieczniki dedykowane dla poszczególnych kamer
oraz pozostałych urządzeń wchodzących w skład systemu.
Dodatkowo punkt można doposażyć w filtr przeciwprzepięciowy
oraz ewentualnie zasilanie awaryjne w postaci UPS’a
(ang. uninterruptible power supply). Ważną rzeczą, o której należy pamiętać
jest to, żeby wszystkie urządzenia zasilane były ze wspólnej fazy.
Zastosowanie się do zasady jednej fazy pozwoli uniknąć sytuacji,
w której w systemie pojawi się napięcie międzyfazowe
podczas awarii przewodu zerowego(neutralnego). Stosowanie zasilania
230 VAC posiada jednak pewne ograniczenia. Instalację
opartą o napięcie niebezpieczne, jakim jest 230 VAC wykonywać mogą
jedynie osoby przeszkolone i wykwalifikowane, posiadające uprawnienia SEP minimalnie w grupie 1, a mianowicie do 1 kV. Wykonując instalację
należy stosować się do zasad bezpieczeństwa i zwrócić szczególną uwagę,
aby wszystkie urządzenia zostały odpowiednio zabezpieczone. Ważnym jest również, aby dobrać odpowiednie przewody i urządzenia rozdzielające prąd.
Wszelkie specyfikacje oraz zagadnienia dotyczące przesyłu, zużycia
oraz wytwarzania prądu eklektycznego o wartości napięcia do 1kV
regulowane są poprzez odpowiednie normy oraz przepisy.
Urządzenia, jakich używa się w budowaniu profesjonalnych instalacji powinny posiadać znak CE, czyli deklaracji producenta o spełnieniu wymagań
dyrektyw Unii Europejskiej. Urządzenia zastosowane w systemie powinny zostać prawidłowo uziemione z wykorzystaniem specjalnych wyłączników różnicowo-prądowych potocznie zwanych ,,różnicówkami”. Biorąc pod uwagę wszystkie pozytywne i negatywne aspekty wykorzystania zasilania 230 VAC
łatwo dojść do wniosku, że dużo łatwiejszym i bezpieczniejszym
jest stosowanie napięcia niskiego, jakim jest popularne napięcie
12 VDC(ang. dirrect current). Stosując niskie napięcie należy pamiętać,
że często sygnał z kamer musi być przesyłany na dość spore odległości,
co jest możliwe dzięki opisanemu w rozdziale 2.2.1 kablowi koncentrycznemu.
Przy większych odległościach pomimo tego, że sygnał wideo możemy wzmocnić
za pomocą specjalnych wzmacniaczy, zaczynają się problemy z dostarczeniem zasilania. Problemy wynikają ze spadków napięcia pojawiających się
na przewodach. Pomimo ogromnej zalety niskiego napięcia, jaką jest
bezpieczeństwo instalacji należy skupić się na innych aspektach związanych
z dostarczaniem tego właśnie rodzaju zasilania. Staranna analiza rozmieszczenia
urządzeń z uwzględnieniem punktów dystrybucji napięcia jest zatem bardzo istotna.
Producenci kamer często podają w specyfikacji technicznej urządzenia
informacje o standardowym zasilaniu 12 VDC, jednak zdarza się,
że brakuje informacji o dozwolonym odchyleniu napięcia. Prawidłowo
oznakowane urządzenie powinno zawierać w specyfikacji technicznej dolną oraz górną granicę napięcia zasilającego. Większość kamer znakowanych przez producentów,
jako pracujące na napięciu znamionowym 12 VDC pracuje prawidłowo
na zakresie napięcia z przedziału 11 do 13 VDC. Poniżej 10.5 VDV
urządzenia przestają działać, a już poniżej 11 VDC przejawiają
nieprawidłowości w działaniu, takie jak gubienie koloru. Można założyć,
że przy zasilaniu napięciem 12VDC maksymalny, dopuszczalny spadek napięcia,
na jaki można pozwolić w systemie wynosi 1 VDC. Dla przykładu
obliczono odległości, na jakie można przesłać zasilanie 12 VDC dla kamer
o takim właśnie napięciu znamionowym. Kabel o przekroju 0,5 mm2
ma zakładaną oporność 3,4 ohma na 100 metrów, a w praktyce po pewnym czasie eksploatacji oporność ta wynosi około 5,5 ohma na 100 metrów.
Pobór prądu dla standardowej kamery mieści się w granicach 100-250 mA,
a dla kamer z oświetlaczem IR nawet 500 mA. Korzystając z prawa Ohma
można wyliczyć, że dla typowych wartości poboru prądu przez kamery
maksymalna odległość zasilania wynosić będzie: 180 metrów
dla poboru 100 mA, 52 metry dla 250 mA oraz 36 metrów
dla 500 mA. Jeżeli założymy dodatkowo użycie zewnętrznej obudowy
wyposażonej w grzałkę wraz z termostatem zasilaną również
napięciem 12 VDC odległość zasilania spada nawet do 20 metrów.
Rozwiązaniem może być zastosowanie przewodów o większym przekroju,
lub zasilaczy z możliwością regulacji napięcia wyjściowego.
Innym sposobem jest umiejętne rozplanowanie w fazie projektu rozdzielni dystrybucyjnych na obiekcie tak, by każda z nich swoim zasięgiem
obejmowała jak największą liczbę kamer. Poniżej przedstawiono wzór (1),
przy pomocy, którego można obliczyć, jaki prąd maksymalny IMAX
można przesłać przewodem o danym poprzecznym przekroju w zależności
od funkcji długości kabla. Do obliczeń został przyjęty maksymalny
spadek napięcia równy 1 VDC, US=1V. Rezystancja przewodu została obliczona
przy użyciu prawa Ohma ze wzoru:
R = 2 r L / S IMAX = US / R (1)
Gdzie :
R- rezystancja kabla dla 2 żył [Ω];
r- opór właściwy miedzi=0,017[Ω mm2/m];
L- długość kabla [m];
S- przekrój kabla [mm2]
Stosując wzór (1) można wyliczyć, że na przykład dla zasilenia kamery
z oświetlaczem IR w obudowie zewnętrznej, wyposażonej w grzałkę
oraz termostat, której pobór prądu szacuje się na 900 mA, umiejscowionej 50 metrów od miejsca dystrybucji napięcia, należy zastosować kabel o przekroju poprzecznym
wynoszącym 2,5 mm2. Zakładając, że pobór mocy kamery utrzymywać będzie się
na stałym poziomie można ją teoretycznie zasilić wyższym napięciem,
co skompensowane zostanie przez spadek napięcia na przewodzie.
W praktyce jest to możliwe tylko w specyficznych przypadkach
i nie jest zalecane. W wypadku wyłączenia grzałki wewnętrznej
przez termostat oraz oświetlacza IR przez czujnik natężenia światła,
pobór prądu przez kamerę znacznie spada. Wzrost napięcia powstały
w skutek zmiany obciążenia mógłby doprowadzić do uszkodzenia kamery,
co jest sytuacja niedopuszczalną. Kolejnym minusem takiego rozwiązania
była by konieczność stosowania dedykowanego regulowanego zasilacza z odpowiednią nastawą mocy wyjściowej dla każdej konkretnej kamery
w zależności od długości kabla oraz spadku napięcia na nim.
Aby uniknąć problemów związanych ze spadkiem napięcia na przewodach
w poszczególnych sytuacjach stosuje się następujące rozwiązania:
- w przypadku krótkich odcinków przewodów zasilających wykorzystuje się zwykłe impulsowe, lub buforowe zasilacze 12 VDC wraz z przewodami
o odpowiednim przekroju; - w przypadku średnich odcinków przewodów zasilających oraz stałym poborze prądu wykorzystuje się regulowane zasilacze o zakresie napięcia wyjściowego od 12 do 15 VDC wraz z przewodami o odpowiednim przekroju;
- w przypadku średnich odcinków przewodów zasilających oraz zmiennym poborze prądu wykorzystuje się przetwornice niskonapięciowe montowane
tuż obok kamery, na których wejście podaje się bezpieczne napięcie 40 VAC. Przetwornica przetwarza wejściowe napięcie zmienne na napięcie stałe 12 VDC, które następnie przekazywane jest bezpośrednio do kamery; - w przypadku długich odcinków przewodów zasilających oraz zmiennym poborze prądu wykorzystuje się wysokie napięcie 230 VAC, które doprowadzane jest bezpośrednio do samej kamery. Tuż obok kamery montuje się zasilacz 12 VDC, który przetwarza napięcie niebezpieczne 230 VAC,
na napięcie bezpieczne stałe 12 VDC, które przekazywane jest bezpośrednio
do kamery. W tym przypadku dodatkowym atutem jest możliwość montażu obudowy z grzałką oraz termostatem zasilanej z 230 VAC.[7]
W praktyce najczęściej stosowane są pojedyncze zasilacze służące do zasilania kilku kamer jednocześnie. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie zwykłego zasilacza impulsowego(Rys. 24) o odpowiedniej mocy, który będzie w stanie
zasilić dedykowaną ilość kamer. Należy zwrócić szczególną uwagę
podczas doboru zasilacza biorąc pod uwagę jego moc znamionową,
czyli moc, jaką zasilacz jest w stanie dostarczać w sposób ciągły
zachowując przy tym pełną wydajność oraz wszelkie parametry
zawarte w karcie katalogowej nie przekraczając dopuszczalnej temperatury pracy.
Rys. 24 Przykładowy zasilacz impulsowy stosowany w instalacjach systemów CCTV. Źródło: http://www.napad.pl/data/katalog/produkty/duze/zasilacz-impulsowy_psd-12020_tyl_1500.jpg dostępne 12.11.2013
Rys. 24 przedstawia zasilacz impulsowy o mocy wyjściowej 2 A, czyli 2000 mA.
Chcąc zastosować zasilacz o takiej mocy należy zsumować maksymalną wartość poboru prądu dla każdej z kamer mającej być zasilanej przy użyciu tego zasilacza. Dodatkowo należy zachować bezpieczny zapas mocy wynoszący około
10% wartości poboru prądu dla każdego z urządzeń. Stosując zasilacz impulsowy
o konstrukcji podobnej do przedstawionego na Rys. 24 należy zastosować
specjalny dystrybutor napięć zwany też modułem bezpiecznikowym (Rys. 25),
który wyposażony jest w różnej konstrukcji bezpieczniki dla każdego
z wyjść zasilających. Dystrybutor wyposażony jest w gniazdo 12 VDC,
do którego należy wpiąć wtyk zasilacza. Pozwala to uniknąć rozcinania przewodów
i lutowania połączeń, co w konsekwencji zwiększa bezpieczeństwo
oraz poziom bezawaryjności systemu. Na rynku dostępne są dystrybutory napięć
o różnych parametrach. Wybierając moduł bezpiecznikowy należy zwrócić uwagę
na ilość wyjść zasilających oraz obciążalność każdego z nich.
Standardem są zabezpieczenia przeciwzwarciowe i przeciwprzepięciowe
oraz optyczna sygnalizacja stanu pracy, a także stanu wyjść przy pomocy diod LED.
Rys. 25 Przykładowy dystrybutor napięć/moduł bezpiecznikowy. Źródło: http://www.aval.com.pl/upload/jpg/W4-6528.jpg
Innym rodzajem zasilaczy stosowanych w systemach CCTV są zasilacze buforowe (Rys. 26), które sprzedawane są wraz z dedykowaną obudową zdolną pomieścić odpowiedni akumulator o pojemności zazwyczaj 7 Ah, lub 18 Ah, a w szczególnych przypadkach większej. Zasilacze buforowe są rozwiązaniem droższym,
ale bardziej profesjonalnym. Większość z zasilaczy buforowych wyposażonych jest
we wbudowany dystrybutor napięć. Stan zasilacza, zasilania awaryjnego
oraz poszczególnych wyjść zasilających sygnalizowany jest zazwyczaj na drzwiczkach obudowy przy użyciu diod LED. Zastosowanie takiego typu zasilacza podnosi standard bezpieczeństwa całego systemu, jednak w tym wypadku należy pamiętać
o zasileniu pozostałych urządzeń z UPS’a, gdyż podtrzymanie zasilania kamer
na nic się zda, gdy rejestrator cyfrowy pozbawiony zostanie zasilania.[8]
Rys. 26 Przykładowy zasilacz buforowy stosowany w systemach CCTV. Źródło: http://image.ceneo.pl/data/products/5781546/i-zasilacz-12v-pulsar-awz-825.jpg dostępne: 12.11.2013
W przypadku systemów CCTV IP zasilanie kamer odbywa się w ten sam sposób,
co w przypadku telewizji analogowej. Różnica polega na tym, że specyfika urządzeń sieciowych pozwala na wyeliminowanie typowej metody zasilania i zastosowanie zasilania PoE(ang. Power over Ethernet). Zasilanie tego typu wykorzystuje ten sam przewód, którym transmitowane są dane zawierające obraz. Sposób ten jest wygodny
ze względu na brak konieczności układania dodatkowego okablowania specjalnie
pod zasilanie urządzeń. Zasilacz PoE jednoportowy dostarcza zasilanie do sieci LAN, co umożliwia użytkownikowi dołączanie urządzeń wykorzystujących ten typ zasilania np. kamery IP, punkty dostępowe, telefony VoIP(ang. Voice over IP).
Technologia została opisana w dokumentacji standardu IEEE802.3af,
który pozwala każdemu urządzeniu wyposażonemu w PoE na wykorzystanie dedykowanego zasilacza. Rysunek Rys. 27 przedstawia schemat podłączenia adaptera PoE w sieci LAN, w celu realizacji zasilania dla kamery IP.
Rys. 27 Schemat wykorzystania adaptera PoE w sieci LAN dla zasilenia kamery IP. Źródło: http://www.mdh-system.pl/galerie/a/adapter-poe_8317.jpg dostępne 18.11.2013
2.1.3. Kamery analogowe stosowane w systemach CCTV
Każdy system CCTV ma za zadanie dozór wizyjny obszaru objętego monitoringiem. Bardzo ważnym elementem są zatem same kamery,
od których w głównej mierze zależy jakość rejestrowanego obrazu, a co za tym idzie skuteczność całego systemu monitoringu. Kamera CCTV jest to urządzenie wizyjne,
które jest dedykowane do pracy w systemach monitoringu przemysłowego,
a zatem jest elementarnym składnikiem wszystkich dzisiejszych systemów
nadzoru wizyjnego. Każda kamera analogowa jaka stosowana jest obecnie
w systemach CCTV składa się z trzech zasadniczych podzespołów
jakimi są: przetwornik obrazu, układy elektroniczne oraz obiektyw.
Każdy z wymienionych elementów bezpośrednio wpływa na parametry obrazu,
jaki jest generowany przez kamerę. Rozmieszczenie elementów wewnątrz kamery przedstawia obrazek Rys. 28.
Rys. 28 Typowe rozmieszczenie podzespołów wewnątrz kamery analogowej CCTV. Źródło: http://images.dipol.com.pl/images/info/kamerka_kamil.jpg dostępne 18.11.2013
2.1.3.1. Najważniejsze podzespoły kamer analogowych
Jak już wspomniano w rozdziale 2.1.3., każda kamera analogowa stosowana obecnie w systemach telewizji dozorowej składa się z trzech elementarnych podzespołów, jakimi są: przetwornik obrazu, układ przetwarzania obrazu oraz obiektyw. Poniższe podrozdziały zostały poświęcone opisowi parametrów oraz właściwości podzespołów kamer analogowych.
PRZETWORNIK OPBRAZU
Przetwornik jest to element, który przetwarza obraz, czyli sygnał świetlny
na sygnał elektryczny. Obecnie na rynku najpopularniejsze są dwa rodzaje przetworników: przetworniki CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor)(Rys. 29) oraz CCD (ang. Charge Coupled Device)(Rys. 30). Przetworniki wykonane w obu technologiach wykorzystują czujnik obrazu,
ale każda z technologii produkcji jest inna. Oba rodzaje przetwornika mają zarówno wady jak i zalety, przez co każdy z nich ma inne zastosowania,
a co za tym idzie nie da się jednoznacznie określić, który z nich jest lepszy.
W ciągu pięciu ostatnich lat znacznie wzrosło tempo rozwoju obydwu technologii,
a w urządzeniach wprowadzono liczne zmiany. Rynek jest zdominowany
przez urządzenia korzystające z omawianych technologii, dlatego najbliższe lata
wróżą kolejne sukcesy rozwojowe oraz postępy w niwelacji dotychczasowych wad.
Rys. 29 Przykładowy układ przetwornika CMOS 1/3″.Źródło: http://www.aval.com.pl/rys_por/f6_12.jpg
dostępne 18.11.2013
Rys. 30 Przykładowy układ przetwornika CCD 1/3″. Źródło: http://www.aval.com.pl/rys_por/f6_11.jpg
dostępne: 18.11.2013
Zarówno w przypadku przetworników CMOS, jak i przetworników CCD,
światło jest konwertowane na ładunek elektryczny jednak dalsza jego droga różni się
w zależności od zastosowanej technologii. Jeśli chodzi o przetworniki CCD ładunek elektryczny dla każdego piksela jest przesyłany przez bardzo ograniczoną liczbę wyjściowych węzłów. Następnie zebrane ładunki przetwarzane są na napięcie,
później buforowane , by ostatecznie zostać przesłane już w postaci analogowej
na zewnątrz układu. W wyniku takiego działania piksele przetwornika
za zadanie mają tylko zbieranie światła, w wyniku czego obraz wynikowy jest jednolity.
W przypadku przetworników CMOS każdy z pojedynczych pikseli posiada własny układ odpowiedzialny za konwersję ładunku w napięcie. Sensor niejednokrotnie wyposażony jest we wzmacniacze oraz układy usuwające szumy.
Przetworniki tego typu są bardziej złożone, a co za tym idzie element
odpowiadający za zbieranie światła ma mniejsza powierzchnię.
Obraz jest znacznie mniej jednolity ze względu na to, że każdy piksel
posiada własny układ konwersji. Układ elektroniki w przypadku przetworników
CMOS jest znacznie mniejszy, a postać sygnału na wyjściu ma charakter cyfrowy. Technologie produkcji obydwu rodzajów przetworników mają swe korzenie
w latach sześćdziesiątych bieżącego wieku. Wówczas rynek został zdominowany
przez technologię CCD ze względu na zauważalnie wyższą jakość,
w stosunku do CMOS’u, który cechował się problemami ze spójnością obrazu.
Wraz z rozwojem technik produkcji układów elektroniki, na początku lat dziewięćdziesiątych ponownie zainteresowano się przetwornikami CMOS.
Zapotrzebowanie układów na energię do pracy znacznie się obniżyło,
a koszta produkcji drastycznie poszły w dół. Przetworniki CMOS oraz CCD
potrafią generować obraz w bardzo dobrej jakości, jednak uzależnione
jest to już od samego etapu projektowania oraz sposobu wykonania przetwornika.
Obecnie biorąc pod uwagę liczne udoskonalenia obydwu typów przetworników,
nie jest możliwe jednoznaczne określenie ogólnego zastosowania któregokolwiek
z nich. Firmy pracujące nad rozwojem technologii CCD wydały mnóstwo pieniędzy oraz czasu na zmniejszenie zużycia prądu oraz pomniejszenie rozmiarów piksela. Producenci przetworników CMOS, poprawili z kolei jakość otrzymywanego obrazu, poprzez zwiększenie stopnia niwelacji zakłóceń. Jeżeli chodzi o kamery przemysłowe rozróżniany jest podział na urządzenia korzystające z przetworników CCD oraz CMOS. W przypadku kamer analogowych stosowanych w systemach CCTV głównie stosowane są przetworniki CCD, natomiast w kamerach IP, czyli kamerach mega pikselowych stosowane są częściej przetworniki typu CMOS. Podział ten wynika głównie z realnego rozmiaru piksela na samym przetworniku. Pomimo tego, że przetworniki CCD doskonale sobie radzą w warunkach o słabym oświetleniu oraz warunkach nocnych,
nie znajdują one zastosowania w kamerach mega pikselowych ze względu na zbyt duży piksel. Dla przykładowej kamery IP, której rozdzielczość jest większa, lub równa
1,2 MPix (skrót z ang. Mega piksela), co jest można powiedzieć standardem
w technologii IP z powodzeniem stosowane są przetworniki CMOS,
podczas gdy dla przetworników CCD jest to górna granica rozdzielczości, jaką można osiągnąć na obecnym etapie rozwoju tej technologii. [9] W kamerach analogowych podstawowym elementem jest przetwornik CCD. Stosując ten rodzaj przetwornika uzyskano we współczesnych kamerach takie cechy jak minimalne gabaryty,
czy też brak zniekształceń geometrycznych. Kamery możemy podzielić ze względu
na rozmiar zastosowanego przetwornika. Ułamkowy zapis wielkości przetwornika wywodzi się od niegdyś wykorzystywanych lamp analizujących. Parametry składowe opisujące lampy analizujące to: średnica zewnętrzna lampy, pole obrazowe lampy oraz jego przekątna. Biorąc pod uwagę wielkość zastosowanego przetwornika wyróżniamy następujące typy kamer:
– 2/3″ (2/3 cala)- wymiary przetwornika to 6,6 x 8,8mm- przekątna mierzy 11mm;
– 1/2″ (1/2 cala)- wymiary przetwornika to 4,8 x 6,4mm- przekątna mierzy 8mm;
– 1/3″ (1/3 cala)- wymiary przetwornika to 3,7 x 4,9mm- przekątna mierzy 6mm;
– 1/4″ (1/4 cala)- wymiary przetwornika to 2,7 x 3,6mm- przekątna mierzy 4mm.
Przetworniki CCD, które pojawiają się ostatnimi czasy na rynku cechują się
coraz mniejszymi rozmiarami przy wzrastających parametrach spełniając jednocześnie coraz wyższe wymagania. Jeżeli chodzi o przetworniki 2/3 cala oraz 1/2 cala można śmiało stwierdzić, że zniknęły one z rynku, na którym dominują obecnie przetworniki 1/3 cala oraz coraz częściej pojawiające się 1/4 cala. Im nowocześniejszy
przetwornik, tym mniejsze piksele, co w dużym stopniu umożliwia
ich zagęszczenie na małym obszarze. Kolejnym pozytywnym aspektem
miniaturyzacji przetworników jest to, że kompatybilne z nimi stają się
coraz mniejsze obiektywy. Analizując światowy rynek kamer łatwo zauważyć,
że dominującym dostawcą sprzętu w postaci przetworników jest firma SONY.
Można spotkać przetworniki firmy Sharp, czy też Panasonic,
jednak zazwyczaj mają one gorsze parametry- w szczególności czułość
oraz większe szumy. Jednymi z najczęściej spotykanych przetworników
są obecnie przetworniki Super HAD CCD. Przetworniki tego typu mają dwa razy
lepszą czułość w stosunku do tradycyjnych przetworników CCD.
Efekt ten osiągnięto poprzez zastosowanie dodatkowej soczewki
na każdym z elementów światłoczułych. Dzięki poprawieniu czułość
w zakresie barwy niebieskiej udało się osiągnąć wersję przetwornika CCD,
cechującego się jeszcze dwa razy lepszą czułością niż SUPER HAD.
Mowa tutaj o przetwornikach SUPER HAD 2, które lepiej
odwzorowują kolory dzięki temu, że w całym obszarze zakresu
światła widzialnego posiadają bardzo równomierną charakterystykę.
Jako kolejny przykład można podać przetwornik firmy Sony- Ex-view,
który charakteryzuje się czterokrotnie większą czułością w podczerwieni,
co znajduje swoje zastosowanie podczas obserwacji nocnej
pod warunkiem zastosowania specjalnego obiektywu dedykowanego
do pracy z podczerwienią. Przetwornik jest bardzo istotnym elementem
przetwarzania obrazu, którego jakość jednak zależy również w dużej mierze
od pozostałych podzespołów.
Procesor sygnałowy DSP
Kolejnym podzespołem elektronicznym, od którego zależny jest obraz wyjściowy są sygnałowe procesory DSP (ang. Digital Signal Processor).
Na wejście DSP podawany jest sygnał wizyjny wprost z wyjścia przetwornika obrazowego. Następnie obraz poddawany jest różnym procesom, które między innymi mają na celu poprawienie jakości obrazu. Dzięki algorytmom stosowanym przez procesor sygnałowy obraz można poddać cyfrowemu redukowaniu szumów,
lub automatycznej regulacji wzmocnienia. Działania procesorów DSP zwiększają czułość kamery oraz odpowiadają za takie procesy jak wyostrzenie obrazu.
Procesy związane z detekcją ruchu przez kamerę, czy też nakładanie na obraz
stref prywatności, a także dodatkowych informacji takich jak: nazwa kamery,
opis kamery, bieżąca data, aktualna godzina oraz menu ekranowe również możliwe
są dzięki procesorom DSP. Najpopularniejsze obecnie procesory DSP to procesory
serii Effio(ang. Enhanced Features and Fine Image Processor) produkowane
przez firmę SONY. Kamery wyposażone w ten zwiększający funkcjonalność
oraz poprawiający jakość obrazu procesor są w stanie generować obraz wyjściowy
o rozdzielczości nawet przewyższającej 650 TVL(ang. Television Lines).
Obraz uzyskany dzięki procesorom serii Effio posiada znakomity współczynnik sygnału do szumu. Funkcje dodatkowe jakie można uzyskać dzięki zastosowaniu procesorów Effio to między innymi:
- WDR(ang. Wide Dynamic Range)- szeroki zakres dynamiki;
- 2D and 3D Noise Reduction- proces redukcji szumów dwuwymiarowych oraz trójwymiarowych;
- OSD(ang. On Screen Display)- menu ekranowe;
- Motion Detection(z ang. Detekcja ruchu);
- Cyfrowy zoom;
- SensUp(z ang. spowolniona migawka);
- Procesy przydatne podczas detekcji nieautoryzowanego dostępu do wyznaczonych obszarów poprzez wykrycie przekroczenia definiowalnej linii;
- Procesy przydatne podczas detekcji nieautoryzowanego parkowania samochodów poprzez wykrycie naruszenia definiowalnego obszaru;
- Wyznaczanie maskowalnych stref prywatności;
- HLC(ang. High Light Compensation), proces zapobiegający zjawisku prześwietlania obrazu;
- ATR- proces poprawiający widoczność detali w kontrastowych planach obserwacyjnych poprzez adaptacyjną reprodukcję odcieni obrazu
Rysunek Rys. 31 przedstawia odwzorowanie barw, przy różnych źródłach oświetlenia
w bogatej skali temperatur barw, dla kamery korzystającej z procesora
serii Effio w odniesieniu do obrazu pochodzącego z kamery wyposażonej
w procesor o gorszejjakości.
Rys. 31 Odtwarzanie kolorów przez procesor Sony z serii Effio w porównaniu do konwencjonalnego procesora, w różnych warunkach oświetleniowych. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.aval.com.pl/rys_por/f6_22.jpg dostępne 19.11.2013
Procesory z serii Effio produkowane są w czterech różnych wersjach o symbolach: Effio-E(wersja podstawowa), Effio-S(wzbogacony o kilka funkcji oraz o cyfrową stabilizację obrazu), Effio-P(najbardziej rozbudowana wersja, która posiada
między innymi WDR-funkcję szerokiego zakresu dynamiki),
Enhanced Effio-E(rozbudowana wersja Effio-E, która posiada funkcję
adaptacyjnego podświetlania podczerwienią). Firma SONY jest wiodącym
producentem procesorów sygnałowych, jednak nie jedynym. Przykładem procesorów produkcji innej niż SONY, są procesory DSP firmy CNB, które rozróżniamy
w wersjach: Monalisa, Monalisa II oraz Blue-I. Procesory produkcji CNB charakteryzują się bogactwem funkcji i jakościowo można je porównać z produktami firmy SONY, jednak są mniej popularne i rzadziej stosowane.[10]\
Obiektyw
Kolejnym bardzo istotnym, jeśli nie najważniejszym elementem budowy
kamery CCTV jest obiektyw. Obiektyw to urządzenie optyczne, którego zadaniem
jest projekcja obrazu z obserwowanej sceny wprost na powierzchnię
światłoczułą znajdującą się na przetworniku obrazowym. Parametry obiektywu
oraz jakość jego wykonania mają ogromny wpływ, na jakość obrazu
wyjściowego kamery CCTV. Rysunek Rys. 32 przedstawia typowy obiektyw o ogniskowej 2.8-8mm.
Rys. 32Przykładowy obiektyw o ogniskowej 2.8-8mm stosowany w systemach telewizji przemysłowej. Źródło: http://www.aval.com.pl/rys_por/f1_21.jpg dostępne 19.11.2013
Aby prawidłowo dobrać obiektyw do kamery należy znać jego podstawowe parametry. Dla każdego obiektywu określona jest wartość zwana ogniskową,
która może mieć stałą, lub zmienną wartość. Parametr ten charakteryzuje
odległość od optycznego środka obiektywu, w jakiej generowany
jest obraz odwzorowywanego obiektu, który znajduje się w nieskończoności.
Wartość ogniskowej podawana jest zazwyczaj w milimetrach, a jej wartość
określana jest dla konkretnego przetwornika CCD przez kąt widzenia o
biektywu. Zależność pomiędzy tymi dwoma parametrami jest odwrotnie proporcjonalna. Kolejnym istotnym parametrem charakteryzującym
obiektyw jest jego przysłona, czyli mechanizm mający za zadanie
regulację otworu względnego, a w efekcie ilości światła, jakie przechodzi
przez obiektyw. Wartość natężenia światła, jakie pada na przetwornik
jest proporcjonalna do stosunku wielkości otworu przysłony do wielkości
rzutowanego obrazu. Sposób określania przysłony został zaczerpnięty
z techniki fotograficznej i zawiera się w skali F. Liczby składające się
na szereg skali F wyglądają następująco: 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, 45, 64, 90, 128, 256 itd. W miarę wzrostu wartości liczby F maleje ilość światła,
jakie przepuszczane jest przez obiektyw. Tabelka Tab. 1 przedstawia
ilość przepuszczanego przez obiektyw światła w zależności od parametru F.
| F | Przepuszczane światło |
| 1,0 | 100% |
| 1,4 | 50% |
| 2,0 | 25% |
| 2,8 | 12,5% |
| 4,0 | 6,25% |
| 5,6 | 3,13% |
| 8,0 | 1,6% |
| 16 | 0,8% |
| 32 | 0,4% |
Tab. 1. Ilość światła przepuszczanego przez obiektyw w zależności od wartości Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.aval.com.pl/aval,obiektywy,86,2,12.html dostępne 21.11.2013
Następny parametr charakteryzujący obiektyw to głębia ostrości. Głębia ostrości
to odległość od obiektywu, w jakiej obserwowany obiekt pozostaje nadal ostry.
Parametr ten określany jest przez wiele czynników. Głównym czynnikiem
mającym wpływ na wzrost głębi ostrości jest wzrost wartości F, czyli zmniejszanie otworu przesłony obiektywu. Głębia ostrości zazwyczaj jest również większa
w przypadku obiektywów o małej ogniskowej. Głębia ostrości zmniejsza się
wraz z odległością od obiektu, na który ustawiona jest ostrość obiektywu.
W praktyce dokłada się wszelkich starań, by uzyskać jak największą głębię ostrości. Obiektywy z automatyczną przesłoną charakteryzują się tym, że głębia ostrości
zmienia się adekwatnie do zmiany przysłony. Proces ten może doprowadzić
do pogorszenia ostrości w warunkach gorszego oświetlenia. Wynika to z tego,
że w miarę zmniejszenia natężenia oświetlenia otwór przesłony zostaje zwiększony,
a co za tym idzie zmniejsza się głębia ostrości. Biorąc pod uwagę powyższą zależność należy zwrócić szczególną uwagę podczas regulacji kamer znajdujących się
w warunkach o zmiennym natężeniu oświetlenia. Zaleca się, by kamery były zestrajane w najgorszych warunkach, na jakie mogą być narażone podczas codziennej pracy.
W celu zasymulowania warunków kiepskiego oświetlenia można zastosować tzw.
filtr szary, który ogranicza ilość światła przedostającego się w głąb obiektywu.
Stosując się do tej reguły można być pewnym, że w sytuacji, gdy obserwowana scena będzie dobrze oświetlona uzyskamy obraz o wysokiej głębi ostrości.
Rys. 33 przedstawia obraz tej samej sceny z różną wartością przesłony.
Łatwo zauważyć wpływ wartości przesłony na ostrość obrazu.
Rys. 33 Obrazy tej samej sceny wykonane przy różnej wartości przysłony od F1.4 do F11. Źródło: Opracowano na postawie: http://www.fotoin.net/teksty/podstawy/obrazy/03A.JPG dostępne 20.11.2013
Kolejnym oczywistym parametrem charakteryzującym obiektyw jest jego rozmiar, który ma wpływ na wielkość obrazu, jaki obiektyw wytwarza. Rozmiar
określany jest w podobny sposób, jak w przypadku formatu przetwornika
obrazu, a mianowicie w calach. Wartość, jaka określana jest wielkością
obiektywu nie jest jego rzeczywistą średnicą, a formatem największego
przetwornika, z jakim konkretny obiektyw może pracować.
Wartości, jakie spotykane są wśród obiektywów dostępnych
dla kamer CCTV to: 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3” oraz 1/4”.
Do przetworników o mniejszym formacie można z powodzeniem
dobierać obiektywy o większej wartości, co nawet może być korzystne
i powodować zmniejszenie zniekształceń optycznych wynikających
z niedoskonałości optyki. Należy pamiętać, że zniekształcenia optyczne
rosną w miarę oddalania się od środka obrazu. Dobierając obiektyw
do kamery należy zwrócić uwagę na sposób jego mocowania.
Rozróżniamy dwa typy mocowania obiektywów: typ C oraz typ CS.
Mocowania typu C były popularne w przeszłości, a obecnie stosowane
są głównie mocowania typ CS. Gwint umożliwiający połączenie obiektywu
z kamerą w obu przypadkach typów mocowań jest identyczny.
Typy mocowań różnią się od siebie odległością podstawy obiektywu
od przetwornika obrazowego. W przypadku typu C odległość
ta wynosi 17.526 mm, natomiast w przypadku mocowania typu CS – 12.5 mm.
Obiektywy z typem mocowania C można łączyć z kamerami
przystosowanymi do mocowania typu CS przy użyciu specjalnego
pierścienia dystansowego, którego grubość wynosi 5 mm. Sytuacja odwrotna
nie może mieć miejsca, ze względu na fizyczny brak możliwości
wkręcenia obiektywu z mocowaniem typu CS do kamery wyposażonej
w mocowanie typu C.
Obiektywy stosowane do kamer telewizji przemysłowej
występują w wersjach o różnym: kącie widzenia, rodzaju przysłony
czy też ogniskowej. Jeśli chodzi o kąt widzenia obiektywu wyróżniamy
obiektywy wąskokątne, standardowe oraz szerokokątne. Ze względu na rodzaj przysłony można wyróżnić obiektywy z przysłoną ręczną, automatyczną
i obiektywy pozbawione przysłony. Analizując obiektywy pod kątem
ogniskowej możemy wyróżnić obiektywy o stałej ogniskowej, obiektywy
z ogniskową zmienną ręcznie oraz zmienną zdalnie. Stosując w kamerze
określony typ przetwornika, kąt widzenia kamery zależny jest
od ogniskowej obiektywu. Zależność ta objawia się tym, że w miarę wzrostu ogniskowej, maleje kąt widzenia kamery i przedstawiona została
na rysunku Rys. 34. Patrząc na płaszczyznę poziomą kąt widzenia
oka ludzkiego w przybliżeniu odpowiada kątowi 30 stopni,
a co za tym idzie wartość ta nazywana jest kątem naturalnym,
lub też standardowym. Dla przykładu, jeżeli kamera wyposażona jest
w przetwornik o wartości 1/3 cala to obiektyw odwzorowujący naturalny
kąt widzenia oka ludzkiego powinien posiadać ogniskową 8 mm.
Przyjmuje się zatem, że obiektywy posiadające ogniskową, o wartości znacznie mniejszej niż format stosowanego przetwornika są obiektywami szerokokątnymi, natomiast obiektywy o ogniskowej znacznie większej niż format przetwornika
noszą miano obiektywów wąskokątnych. Wyróżnia się dodatkowo tak zwane teleobiektywy, które posiadają bardzo mały kąt widzenia.
Rys. 34 Schemat przedstawiający układ optyczny kamery oraz związane z nim parametry. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.ctr.pl/storage/pomoc/obiektyw_kam_5.jpg dostępne 21.11.2013
Jeżeli chodzi o rodzaj przesłony wyróżniamy obiektywy z przysłoną ręczną,
automatyczną oraz obiektywy pozbawione przysłony. Najczęściej i powszechnie stosowane są obiektywy z przysłoną automatyczną. W przypadku obiektywów
z tym rodzajem przysłony rozróżniamy sterowane automatycznie
sygnałem wizyjnym, które posiadają specjalne układy detekcji generujące
sygnał regulujący przysłonę. Drugi typ sterowany jest prądem stałym DC.
Obiektywy z tym typem przysłony otrzymują sygnał sterowania przesłoną
wprost z kamery.
Sposób doboru obiektywu pod kątem ogniskowej zależy od kilku warunków
i zależny jest głównie od zapotrzebowania użytkownika systemu,
który określa wymogi odnośnie tego, co system monitoringu powinien obejmować swoim zasięgiem. Jeżeli warunki panujące na obiekcie są ścisłe określone
i niezmienne można śmiało zastosować obiektyw ze stałą ogniskową(Rys. 35) dopasowany do specyficznych warunków dla każdej z kamer.
Rozwiązanie tego typu jest opłacalne ze względów ekonomicznych, gdyż obiektywy
ze stałą ogniskową są o wiele tańsze od tych ze zmienną ogniskową.
Posiadając wiedzę na temat zastosowanego w kamerze przetwornika,
a także odległości i rozmiarów obserwowanego przedmiotu można łatwo określić wymaganą wartość ogniskowej korzystając z zależności(2) oraz parametrów
znanych z rysunku Rys. 34.
h/k = f/l (2)
Gdzie :
f- ogniskowa;
l- odległość od obiektu;
k- wysokość obiektu;
h- wysokość przetwornika CCD
Do zależności(2) należy podstawić wartość wysokości przetwornika CCD, którą można odczytać tabelki Tab. 2.
| Rozmiar przetwornika | Wysokość przetwornika |
| 1” | 9.525 mm |
| 2/3” | 6.6 mm |
| 1/2” | 4.8 mm |
| 21/3” | 3.6 mm |
Tab. 2 Zależność wysokości przetwornika[mm] od jego rozmiaru[cal-”].Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.aval.com.pl/aval,obiektywy,86,2,12.html dostępne 21.11.2013
W przypadku, gdy na obiekcie panują zmienne warunki, lub nie jesteśmy w stanie
jasno określić, co dokładnie dana kamera będzie miała za zadanie obserwować, wskazane jest zastosowanie obiektywu ze zmienną ogniskową(Rys. 36.) popularnie nazywanego ,,zoom”. Rozwiązanie tego typu jest droższe niż w przypadku
stosowania obiektywów ze stałą ogniskową, jednak daje możliwość dokładnego dostrojenia kamery do obserwowanej sceny oraz wygodę możliwości
dokonywania wielokrotnych zmian w przyszłości, w miarę korzystania z systemu. Zdecydowanie najdroższym rozwiązaniem są kamery ze sterowanym automatycznie zoomem(ogniskową) oraz ostrością za pomocą układów elektronicznych(Rys. 38). Najczęściej tego typu obiektywy montowane są w kamerach szybkoobrotowych,
a sporadycznie w tak zwanych kamerach zintegrowanych. Obiektywy tego typu nazywane są również obiektywami motozoom. Zdalne sterowanie parametrami obiektywu realizowane jest przy użyciu specjalnych pulpitów sterowniczych,
lub pilotów zintegrowanych z kablem sygnałowym kamery.
Rys. 35 Przykładowy obiektyw ze stałą ogniskową stosowany w kamerach CCTV. Źródło: http://www.mdh-system.pl/galerie/o/obiektyw-szklany-1-3-do_4504.jpg dostępne: 21.11.2013
Rys. 36 Przykładowy obiektyw ze zmienną ogniskową 3.5-8 mm stosowany w kamerach CCTV. Źródło: http://www.zabezpiecz.pl/produkt_pic/2540_n.jpg dostępne 21.11.2013
Rys. 37Przykładowy obiektyw typu motozoom stosowany w kamerach CCTV. Źródło: http://image.ceneo.pl/data/products/10918820/i-obiektyw-motozoom-cs-10-200-mot-dc-10-200mm-dc-f-1-9.jpg dostępne 21.11.2013
Aby dobrać odpowiednią wartość ogniskowej dla obiektywu można zastosować obiektywy ze zmienną ogniskową i na miejscu, dostroić obiektyw
do pożądanego stanu. Można jednak przygotować się wcześniej
przed zakupem sprzętu i skorzystać ze specjalnego kalkulatora,
lub gotowego wykresu. Używając kalkulatora do obliczania ogniskowej
obiektywu należy znać odległość do obserwowanego obiektu oraz format
przetwornika. Po wprowadzeniu wymaganych informacji można odczytać
proponowaną wartość ogniskowej. Korzystanie z wykresów odbywa się
na podobnej zasadzie, co przy użyciu kalkulatora. Niezbędne dane
można również odczytać ze specjalnej tabelki. Tabela Tab. 3 zawiera
takie parametry jak: Ogniskowa obiektywu w milimetrach, kąt widzenia
obiektywu w poziomie wyrażony w stopniach, odległość obiektywu od obiektu
w metrach oraz szerokość obserwowanego obiektu w metrach.
Dzięki tabeli można łatwo odczytać, jaka szerokość obiektu będzie widoczna na danej odległości, w zależności od ogniskowej obiektywu. Jeżeli chcemy
otrzymać informacje, na temat wysokości obiektu, w zależności od jego odległości
od obiektywu można wykorzystać informację, że proporcja boków
przetwornika stosowanego w kamerach analogowych wynosi 4:3.
Tabela Tab.3 zawiera dane dotyczące kamer o przetworniku 1/3″
i wymiarach 3.6mm x 4.8mm.
| Ogniskowa wyrażona w mm | Kąt widzenia w stopniach | Odległość wyrażona w metrach | ||||||||
| 2 | 4 | 8 | 10 | 16 | 30 | 50 | 80 | 100 | ||
| 2.1 | 98 | 4.6 | 9.1 | 18.3 | 22.8 | 36.5 | 68.5 | 114 | 183 | 228 |
| 2.5 | 88 | 3.8 | 7.7 | 15.3 | 19.2 | 30.7 | 57.6 | 95.9 | 154 | 192 |
| 3.6 | 67 | 2.7 | 5.3 | 10.7 | 13.3 | 21.3 | 40.0 | 66.6 | 107 | 133 |
| 4 | 62 | 2.4 | 4.8 | 9.6 | 12.0 | 19.2 | 36.0 | 60.0 | 95.9 | 120 |
| 6 | 44 | 1.6 | 3.2 | 6.4 | 8.0 | 12.8 | 24.0 | 40.0 | 64.0 | 80.0 |
| 8 | 33 | 1.2 | 2.4 | 4.8 | 6.0 | 9.6 | 18.0 | 30.0 | 48.0 | 60.0 |
| 12 | 23 | 0.80 | 1.6 | 3.2 | 4.0 | 6.4 | 12.0 | 20.0 | 32.0 | 40.0 |
| 16 | 17 | 0.59 | 1.2 | 2.4 | 3.0 | 4.8 | 9.0 | 15.0 | 24.0 | 30.0 |
| 25 | 11 | 0.39 | 0.77 | 1.5 | 1.9 | 3.1 | 5.8 | 9.6 | 15.4 | 19.2 |
| 50 | 5.5 | 0.19 | 0.39 | 0.78 | 0.96 | 1.5 | 2.9 | 4.8 | 7.7 | 9.6 |
Tab. 3 Kąt widzenia obiektywu oraz szerokość widocznego obiektu dla danych wartości ogniskowej obiektywu oraz odległości obiektu od obiektywu dla przetwornika CCD 1/3″. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.ctr.pl/storage/pomoc/obiektyw_kam_8.jpg dostępne 21.11.2013
Tabela Tab. 4 zawiera te same parametry, które uwzględnione zostały w tabeli Tab. 3, jednak obrazuje ona wpływ ogniskowej obiektywu oraz odległości od obiektu,
na wysokość obserwowanego przedmiotu. Dane zawarte w tabeli Tab. 4 dotyczą kamery z przetwornikiem obrazu 1/4″. Dzięki tabeli można ustalić dokładnie
wysokość obiektu, jaki widoczny będzie na danym dystansie, przy użyciu obiektywu
o podanej ogniskowej. Analogicznie jak w przypadku tabeli Tab. 3
z danych można obliczyć szerokość obiektu stosując proporcję 4:3.
Dobierając obiektyw można uwzględnić wytyczne zawarte w normie PN-EN 50132-7, która określa minimalny rozmiar obiektów, jakie mają być widoczne w kadrze,
dla systemów posiadających rozdzielczość większą niż 400 linii telewizyjnych.[11]
| Ogniskowa wyrażona w mm | Kąt widzenia w stopniach | Odległość wyrażona w metrach | ||||||||
| 2 | 4 | 8 | 10 | 16 | 30 | 50 | 80 | 100 | ||
| 2,1 | 59 | 2.4 | 4.6 | 9.1 | 11.4 | 18.3 | 34.3 | 57.1 | 91.4 | 114.2 |
| 2,5 | 51 | 1.9 | 3.8 | 7.7 | 9.6 | 15.4 | 28.8 | 48.0 | 76.8 | 95.9 |
| 3,6 | 37 | 1.3 | 2.7 | 5.3 | 6.7 | 10.7 | 20.0 | 33.3 | 53.3 | 66.6 |
| 4 | 33 | 1.2 | 2.4 | 3.6 | 6.0 | 9.6 | 18.0 | 30.0 | 48.0 | 60.0 |
| 6 | 23 | 0.8 | 1.6 | 3.1 | 4.0 | 6.4 | 12.0 | 20.0 | 32.0 | 40.0 |
| 8 | 17 | 0.6 | 1.2 | 2.4 | 3.0 | 4.8 | 9.0 | 15.0 | 24.0 | 30.0 |
| 12 | 11 | 0.4 | 0.8 | 1.6 | 2.0 | 3.2 | 6.0 | 10.0 | 16.0 | 20.0 |
| 15 | 9 | 0.3 | 0.6 | 1.3 | 1.6 | 2.6 | 4.8 | 8.0 | 12.8 | 16.0 |
| 25 | 5 | 0.2 | 0.4 | 0.8 | 1.0 | 1.5 | 2.9 | 4.8 | 7.7 | 9.6 |
| 50 | 3 | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 0.5 | 0.8 | 1.4 | 2.4 | 3.8 | 4.8 |
| Tab. 4 Kąt widzenia obiektywu oraz wysokość widocznego obiektu dla danych wartości ogniskowej obiektywu oraz odległości obiektu od obiektywu dla przetwornika CCD 1/4″. Źródło: Opracowano na podstawie: http://www.ctr.pl/storage/pomoc/obiektyw_kam_11.jpg dostępne 21.11.2013 |
Podczas wybierania obiektywu należy pamiętać, że jest to element równie istotny,
co dobór samej kamery. Nawet kamera z ,,górnej półki”, o najwyższych parametrach będzie generować obraz kiepskiej jakości i nie spełni oczekiwań, jeśli dobrany
do niej zostanie nieodpowiedni obiektyw. Należy również zwrócić uwagę na to,
że nie tylko sama jakość wykonania obiektywu jest istotna, a również
dobór odpowiedniego obiektywu do warunków panujących w miejscu, gdzie kamera będzie pracować.
SPIS RYSUNKÓW:
Rys. 3 Przykładowy oświetlacz IR. 9
Rys. 4 Schemat prymitywnej instalacji CCTV. Źródło: Opracowanie na podstawie: 9
Rys. 6 Schemat instalacji CCTV z wykorzystaniem multipleksera. Źródło: Opracowanie na podstawie: 10
Rys. 9 Ogólny schemat systemu CCTV IP. Źródło: Opracowanie na podstawie: 14
Rys. 18 Pasywny/bierny konwerter analogowego sygnału video stosowany w CCTV. 25
Rys. 29 Przykładowy układ przetwornika CMOS 1/3″.Źródło: http://www.aval.com.pl/rys_por/f6_12.jpg 38
\
SPIS TABEL:
[1] http://pl.wikipedia.org/wiki/Multiplekser_wizyjny
[2] http://zabezpieczaj.pl/rejestratory-analogowe-w-systemach-cctv/ dostępne 22.10.2013
[3] http://www.alkam-security.pl/_cms/view/93/przewody-w-instalacjach-monitoringu-.html dostępne 28.10.2013
[4] http://www.alkam-security.pl/_cms/view/98/zlacza-stosowane-w-cctv.html dostępne 28.10.2013
[5]http://www.alkam-security.pl/_cms/view/93/przewody-w-instalacjach-monitoringu-.html dostępne 28.10.2013
[6] Artykuł ,,Transmisja sygnałów po skrętce komputerowej” , źródło: http://www.delta.poznan.pl/news/tr1/tr1.htm dostępne 15.11.2013
[7] Artykuł ,,Zasilanie w instalacjach CCTV”
http://www.alkam-security.pl/_cms/view/97/zasilanie-w-instalacjach-cctv-.html dostępne 12.11.2013
[8] Borkowski A. ,,Zasilanie urządzeń elektronicznych” WKiŁ, Warszawa, 1990
[9] Artykuł: ,,Różnice pomiędzy przetwornikami CMOS i CCD”. Źródło: http://www.izabezpieczenia.pl/content/23-roznice-pomiedzy-przetwornikami dostępne 19.11.2013
[10] Artykuł: ,,Kamera CCTV- budowa, parametry i funkcje”. Źródło: http://www.aval.com.pl/aval,kamera_cctv,85,2,12.html dostępne 19.11.2013
[11]Artykuł ,,Obiektywy do kamer CCTV”. Źródło: http://www.aval.com.pl/aval,obiektywy,86,2,12.html dostępne 21.11.2013