Цифровые видеокамеры
Еще одним чудом современной техники и одновременно видом интеллектуальных электрических сенсоров являются цифровые видеокамеры – сенсоры для восприятия динамически изменяющихся изображений, для преобразования их в последовательности видеосигналов с целью последующего хранения, передачи, обработки и воспроизведения на экране. Поскольку изменения визуальных картин могут происходить очень быстро, то задачи, которые надо здесь решать, значительно сложнее, чем в случае цифровых фотоаппаратов. Если там экспозиция одного кадра может длиться до 1 с и более, то в видеокамере на это отводится не больше 20 мс, а желательно и значительно меньше. Поэтому светочувствительные матрицы и организация считывания и обработки полученных сигналов должны иметь здесь значительно более высокое быстродействие.
Значительно выше становятся здесь и требования к объему встроенной памяти. Если в цифровых фотоаппаратах достаточно объема памяти в десятки-сотни мегабайт, то в видеокамерах, где каждую секунду надо фиксировать несколько десятков кадров, речь идет уже о гигабайтах памяти.
На рис. 11.3 слева показан внешний вид одной из типичных представительниц таких сенсоров – видеокамеры SONY DCR-VX2100E.
Рис. 11.3. Слева – видеокамера SONY DCR-VX2100E; справа – "карманная" видеокамера
Она считается "полупрофессиональной", т.е. предназначена как для специалистов, так и для широкого круга опытных любителей. Светочувствительными элементами в ней являются матрицы ПЗС на 400 тыс. пикселей. Изображение на чувствительной поверхности матрицы формируется высококачественным объективом Carl Zeiss Vario-Sonnar. Его светосилы хватает для работы даже при освещенности лишь в 1 люкс. Встроенный микрокомпьютер не только организует все процессы покадрового считывания информации из матриц ПЗС, ее аналого-цифрового преобразования и кодирования в стандартном формате, параллельной цифровой записи звуковых сигналов, фиксации записи на жесткий диск или CD, видеокассету или на карты памяти. Он может также выполнять автоматическую фокусировку изображения, регулирование световой экспозиции, оптическую стабилизацию изображения. Микрокомпьютер обеспечивает также возможность вывода полученной видеоинформации на встроенный цветной жидкокристаллический экран с 5 миллионами пикселей, двустороннюю связь с внешней сетью по стандарту iLINK DV. Основной корпус видеокамеры имеет массу 1,5 кг и габаритные размеры 120x159x393 мм. При питании от аккумулятора NP-F960 его ресурса хватает на 9 часов автономной работы.
На рис. 11.3 справа показана миниатюрная ("карманная") видеокамера Panasonic SDR-S150. Размером 80x50x97 мм и массой 240 г, она вмещается на ладони и вместе с тем имеет систему из трех светочувствительных матриц на 800 тыс. пикселей каждая, автофокусировку, оптический стабилизатор изображения, автоматическую коррекцию белого, встроенный цветной жидкокристаллический дисплей на 210 тыс. пикселей. Карты памяти SDHC на 4 Гбайта хватает для высококачественной видеозаписи продолжительностью до 50 мин.
А "на очереди" уже цифровые видеокамеры с Х3 светочувствительными матрицами (см. лекцию 10, п. 10.1.5). Если для обработки одного цветного пикселя в "обычных" матрицах микропроцессор должен выполнить порядка 100 вычислительных операций, то здесь – значительно меньше. Это позволяет существенно повысить скорость обработки изображений, снизить затраты энергии аккумуляторов, повысить качество "гибридных" цифровых камер, которые объединяют в себе цифровой фотоаппарат и видеокамеру одновременно. Такое объединение имелось иногда и ранее, но цифровые фотоаппараты не могут обеспечить приемлемое качество видеофильмов, а видеокамеры позволяли получать лишь посредственные фотоснимки.
Еще одно преимущество, которое дают Х3 светочувствительные матрицы, это возможность в случае необходимости "на ходу" повышать свою чувствительность за счет объединения групп отдельных пикселей (2x2, 3x3, 4x4 и так далее) в "большие" искусственные пиксели. Чувствительность при этом будет возрастать в 4, 9, 16 раз соответственно, а разрешающая способность или размеры снимка будут уменьшаться лишь в 2, 3, 4 раза.
Камеры видеонаблюдения
Черно-белые и цветные светочувствительные матрицы стали основой для разработки разнообразных камер видеонаблюдения, предназначенных для визуального наблюдения за событиями, происходящими в интересующих пользователя зонах. Уже промышленно выпускаются и применяются многие десятки типов таких камер, отличающихся своим назначением, конструктивным исполнением, размерами и техническими возможностями. Различают следующие группы таких камер: предназначенные для видеонаблюдения на улице и в помещениях; для видеонаблюдения за относительно небольшой локальной зоной и для широкоугольного и даже панорамного видеонаблюдения; предназначенные для кратковременного видеонаблюдения и для видеозаписи происходящих событий с целью их долговременного хранения (регистрационные).
Уличные камеры видеонаблюдения
Камеры видеонаблюдения, устанавливаемые на улице, должны быть рассчитаны на работу в широком диапазоне климатических условий: в жару и в мороз, в сухую погоду и при 100%-й влажности, в яркий солнечный день и в ночное время. Они должны быть защищены от ливней и обледенений, зачастую и от вандализма. Для защиты камер от погодных условий применяют козырьки, кожухи, иногда кожухи с обогревателями, поддерживающими температурный режим работы камеры даже в лютый мороз. Для защиты от вандализма применяют толстые ударопрочные стекла. Для работы в ночное время часто используют встроенную светодиодную подсветку. Перед светодиодами устанавливают мини-линзы, обеспечивающие направленность излучаемого света именно в просматриваемую зону пространства. При этом, как правило, используют тот факт, что кремниевые фотодиоды чувствительны к ближнему инфракрасному (ИК) свету с длиной волны до 1,1 мкм. Поэтому для подсветки в темноте применяют светодиоды, излучающие свет в указанной области спектра. Это называют "ИК подсветкой". Во-первых, она выгодна энергетически, поскольку энергия квантов ИК света меньше, чем видимого. А, во-вторых, человеческий глаз не воспринимает свет с длиной волны больше 0,75 мкм и поэтому не ощущает "ИК подсветку".
Некоторые примеры уличных камер видеонаблюдения приведены на рис. 11.4. Герметичная уличная камера видеонаблюдения AVC-211 (рис. 11.4, а) со встроенным объективом и кронштейном предназначена для установки на стену. Специальная технология герметизации корпуса гарантирует работу камеры в диапазоне температур от –50 до +50 
С при любой влажности и даже после кратковременного пребывания под водой. Разрешающая способность видеокамеры 420 ТВЛ ("телевизионных линий", т.е. строк). В цветном режиме она может работать при минимальной освещенности 0,5 лк (люкс), а в черно-белом – даже при 0,01 лк. Её габариты 50x85x200 мм.
Цилиндрическая черно-белая камера видеонаблюдения AVC-245 (рис. 11.4, б) не требует установки в термокожух, имеет чувствительность 0,003 лк разрешающую способность тоже 420 ТВЛ и встроенный магистральный усилитель, обеспечивающий передачу видеосигнала по коаксиальному кабелю РК-75-2 на расстояние до 1500 м.
Рис. 11.4. Примеры уличных камер видеонаблюдения
Камера видеонаблюдения AVC-201 с конструкцией "шар в стакане" диаметром 60 мм и длиной 70 мм показана на рис. 11.4, в. Сферообразное исполнение и поворотный объектив позволяют направлять объектив практически в любую сторону, не меняя положение врезной части корпуса самой камеры. Камера имеет встроенную ИК подсветку – через мелкие отверстия в сфере.
Цветная камера видеонаблюдения CT-315С (рис. 11.4, г) имеет диаметр 62 мм, длину 125 мм и встроенную направленную ИК подсветку, которая автоматически включается при освещенности ниже 3 лк и обеспечивает просмотр пространства до 15 м.
Цветная поворотная камера DD53CBW-X (рис. 11.4, д) может вращаться в своём корпусе на 360 по горизонтали со скоростью от 0,1 до 80 угловых градусов за секунду в "ручном" режиме, когда поворотом управляет оператор с центрального пульта, до 150 /с в режиме "турбо", когда камера вращается автоматически, осуществляя круговой обзор. С центрального пульта управления оператор может изменять также угол наклона камеры по отношению к горизонту от +2 до –92 . Камера имеет и "трансфокатор", который за счет изменения фокусного расстояния объектива может обеспечивать дистанционное изменение масштаба изображения до 23 раз. Кроме того, возможно еще и 10-кратное "цифровое" увеличение.
Внешняя скоростная купольная камера видеонаблюдения AI-SD85 (рис. 11.4, е) благодаря встроенным нагревателям может работать при сверхнизких температурах, обеспечивая стандарт защиты от окружающей среды IP66. Скорость вращения в режиме "турбо" – до 300 /с. Трансфокатор обеспечивает возможность 27-кратного оптического приближения наблюдаемых объектов. Камера может обеспечить отображение на панораме меток сектора и позиции наклона, "негативное" изображение, "замирание изображения", 3D-сканирование, автоматическое "вырезание" из получаемого панорамного изображения до 8 программируемых конфиденциальных зон, автоматическое периодическое сканирование до трёх программируемых "маршрутов просмотра", включая заданные изменения наклона объектива и оптического увеличения (120 с на каждый "маршрут").
На рис. 11.5 показана панорамная камера видеонаблюдения AXIS 212, оснащенная объективом типа "рыбий глаз" и 3-мегапиксельной светочувствительной матрицей. Благодаря этому она обеспечивает автоматическое видеонаблюдение за всем окружающим ее пространством в секторе 105 в горизонтальном и 140 – в вертикальном направлениях. Изображения передаются через канал связи в виде общей панорамы или (по указанию пользователя) в виде отдельных зон с разрешающей способностью 640x480 пикселей каждая. Т.е. панорамная камера, оставаясь неподвижной, выполняет роль виртуальной поворотной видеокамеры, которая может осуществлять автоматическое визуальное "патрулирование" всей зоны.
Рис. 11.5. Панорамная камера видеонаблюдения AХIS 212
В ее состав входят также чувствительный микрофон, интеллектуальные детекторы движения и вновь появившихся звуков, двусторонняя аудиосвязь, позволяющая в случае необходимости поддерживать голосовой контакт отдаленного оператора с человеком, находящимся в зоне наблюдения. В случае заранее определяемых угрожающих ситуаций соответствующим видеосообщениям автоматически присваивается наивысший приоритет. В памяти процессора сохраняется ряд программных механизмов, которые гарантируют надежную защиту от несанкционированного доступа и защиту информации от фальсификации.
Уличные камеры "внешнего" видеонаблюдения всё шире и шире используются сейчас для охраны общественного порядка на вокзалах и в аэропортах, в учебных заведениях и на стадионах, в других местах массового скопления людей, на автомагистралях и на перекрестках оживленных городских улиц, на въездах и по периметрам охраняемых территорий. Неусыпно наблюдая за обстановкой и регистрируя её в памяти очень большой ёмкости, они в случае необходимости помогают быстрей и объективней разобраться в деталях произошедших событий. Нарушителям общественного порядка при наличии таких камер становится всё труднее остаться незамеченными и избежать ответственности.
11.3.2. Камеры "внутреннего" видеонаблюдения
Промышленность выпускает сейчас также десятки типов камер видеонаблюдения внутри помещений. Приведем лишь некоторые примеры. На рис. 11.6 показана высококачественная цветная камера видеонаблюдения STC-2008.
Рис. 11.6. Цветная камера видеонаблюдения STC-2008. Размеры 42х42х86,5 мм.
Эта камера работает в широком динамическом диапазоне освещенностей – до 120 дБ, имеет чувствительность до 0,03 лк, автоматическую регулировку усиления и компенсацию встречной засветки. Это позволяет камере формировать максимально качественное изображение при различных условиях освещения. Такие камеры целесообразно устанавливать в вестибюлях, на въездах в подземные гаражи, для наблюдения за зрителями в театрах, кинотеатрах, цирках, спортзалах, где ярко освещена только сцена, экран или арена, в дискотеках, в казино и ночных клубах, а также при иных условиях сложного неоднородного освещения. Диапазон рабочих температур – от –10 до +50 C, потребляемая мощность – 2 Вт.
Современная технология позволила создать миниатюрные камеры видеонаблюдения, примеры которых приведены на рис. 11.7. Все они легко встраиваются в предметы интерьера, оставаясь малозаметными, а то и практически незаметными.
Камера KPC-190DV с чувствительностью 0,05 лк устанавливается в двери вместо обычного "глазка" и обеспечивает разрешающую способность 420 ТВЛ. Если она установлена, то Вам уже не обязательно подходить к двери и выглядывать через оптический глазок. Посетителя Вы можете хорошо разглядеть на мониторе. В Ваше отсутствие камера может регистрировать всё происходящее перед Вашей дверью – непрерывно или эпизодически, например, в течение нескольких минут после нажатия посетителем кнопки звонка.
Камеру KPC-S20P4 размером 20x20 мм используют как для открытого, так и для скрытого ближнего наблюдения. Камера KPC-EX190B1 имеет диаметр 19 мм и длину 48 мм. А видеокамера WATEC LCL-619 по своим размерам меньше спичечного коробка. Она формирует кадры хорошего качества в диапазоне освещенностей объекта наблюдения от 10 000 до 1 люкса.
Рис. 11.7. Примеры миниатюрных камер видеонаблюдения
Выпускаются и бескорпусные камеры видеонаблюдения типа показанной на рис. 11.7 вверху справа. Показанная внизу справа беспроводная камера видеонаблюдения имеет мини-объектив, замаскированный под шляпку винта. Она идеально подходит для скрытого видео-аудио наблюдения, передает цветное изображение и звук на расстояние до 200 м в зоне прямой радиовидимости. Может быть подключена к любому устройству, имеющему аудио-видео вход, например, к телевизору, видеомагнитофону, ноутбуку или компьютеру.
