Основу любой системы телевизионного наблюдения составляют телекамеры. На рынке систем теленаблюдения присутствует техника как ведущих
фирм мира, так и тайваньских и корейских фирм. В конструкции видеокамеры можно выделить следующие основные функциональные системы: преобразователь свет-сигнал; синхронизации; автоматической регулировки усиления; электронный затвор; автоматической установки баланса черного; гамма-коррекции; съемки при низких уровнях освещенности; объектив с автоматической диафрагмой. Функция съемки при низких уровнях освещенности (LOLUX) замечательна тем, что позволяет снимать почти без освещения. При этом можно получить прекрасное изображение с хорошим цветовым балансом без увеличения уровня шума. Преобразователи "свет-сигнал" Важнейшим элементом конструкции видеокамеры является преобразователь "свет-сигнал", обеспечивающий кодирование снимаемого изображения в форме
электрических сигналов. Преобразователи свет-сигнал представляют собой либо передающие электронно-лучевые ТВ трубки
(ЭЛТ), либо твердотельные матрицы -- так называемые "приборы с зарядовой связью" (ПЗС). Передающими ТВ трубками освнащены устаревшие модели видеокамер либо видеокамеры специального назначения. В современных видеокамерах, как правило, применяются матрицы ПЗС, обеспечивающие большую надежность работы при достаточно высоких параметрах. Число строк матрицы принимает значения от 380 до 900. Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению со своими предшественниками. Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность. Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры. Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. В обычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор). В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта или условий для проведения съемки. В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел -- один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное
разрешение изображения в зависимости от модели 300...600 телевизионных линий (твл). Устройства синхронизации Устройство синхронизации обеспечивает временное согласование работы всех систем и блоков камеры. Синхронизация видеокамер может осуществляться от внутреннего или внешнего генератора. Внешняя синхронизация используется в многокамерных системах для получения немигающего переключения. При совместном использовании камер с внутренней синхронизацией, они коммутируются устройствами, содержащими память на кадр. Первые формирователи изображения на ПЗС использовали принцип покадрового переноса зарядов, который является самым простым, а
поэтому наиболее удобным при производстве и эксплуатации матриц. Этот принцип был заложен в первую в мире вещательную ТВ камеру CCD-l производства фирмы RCA. Чтобы не использовать механический затвор, был разработан принцип построчного переноса зарядов в ПЗС, в котором роль светочувствительных и накопительных датчиков играют (одинаковые) отдельные чередующиеся элементы. Для повышения качества формируемого изображения в приборах с зарядовой связью был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом строчно-кадрового или гибридного -- переноса. Такие приборы впервые были использованы в передающей ТВ камере фирмы Sony. Указанный принцип, как явствует из его названия, объединил в себе особенности двух предыдущих методов -- построчного и покадрового переноса зарядов. При работе с матрицами ПЗС с построчным переносом зарядов могут возникать искажения в виде тянущихся продолжений за объектами. Иначе их называют смазом или просто "тянучками". Они выглядят на изображении в виде вертикальных линий, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами. Однако, следует отметить, что возникают эти искажения при величине экспозиции, много превышающей нормальное значение. В этих условиях камера с ЭЛТ уже испытывала бы мощное воздействие искажений в виде "хвоста кометы" и тянучек, типичных для передающих камер на ЭЛТ и крайне нежелательных в ряде критических ситуаций, например, при перемещении камеры поворотным устройством. В передающих ТВ камерах на ПЗС со строчно-кадровым переносом зарядов практически полностью отсутствует вертикальный смаз изображения. Поэтому на сегодняшний день матрицы ПЗС с этим принципом переноса зарядов обеспечивают наилучшие качественные показатели
формируемых изображений. Третье поколение матриц ПЗС (Hyper HAD) включило в себя целый ряд новых электронных приемов, что значительно улучшило качественные показатели формируемого изображения. Матрица Hyper HAD использует оригинальный и простой метод, заключающийся в установке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный элемент, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания.
В результате резко (примерно вдвое) возрастает чувствительность матрицы. Указанные значения относительного отверстия соответствуют величине чувствительности в 2000 лк при коэффициенте отражения в 89,9%. Эти улучшенные показатели позволяют работать не только в условиях низкой освещенности, при которых прежде видеосигнал имел бы неприемлемое качество, но и в процессе использования источников инфракрасного излучения. Отметим, что вертикальный смаз при работе с ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов. Объективы видеокамер Объективы к камерам отличаются величиной фокусного расстояния, светосилой, характером создаваемого оптического изображения. При съемке с одной и той же точки объективами с различными фокусными расстояниями масштаб изображения изменяется прямо пропорционально величине фокусного расстояния. Если один и тот же объект наблюдать в одном масштабе с разных расстояний камерами с различными объективами, то будет заметна разница на изображении. Изображения близко расположенных объектов при использовании короткофокусных объективов будут более контрастными и резкими, в сравнении с изображением удаленных объектов при использовании длиннофокусных объективов. Короткофокусный объектив даже при небольшом диафрагмировании обладает большой глубиной резкости. Длиннофокусный объектив даже при съемке удаленных объектов имеет ограниченную глубину резкости. При съемке геометрически строгих объектов даже незначительный наклон оптической оси объектива от горизонтального положения приводит к появлению в изображении нежелательных перспективных искажений. Это явление особенно заметно при использовании короткофокусных объективов. Объектив камеры выбирается в соответствии с назначением камеры. Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка 3,5 мм. При этом угол зрения камеры будет около 90Ш. Длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием 12 мм и углом зрения 30Ш используют при наблюдении периметра объекта. Для использования в условиях искусственного освещения необходима возможность отключения электронного затвора и автоматической регулировки усиления камеры (Приложение 1).
Объектив с переменным фокусным расстоянием Для обеспечения эффекта увеличения изображения используются объективы с трансфокатором, специальные телекамеры с электронным трансфокатором, или цифровую аппаратуру увеличения/уменьшения изображения (видеопроцессоры). Объективы видеокамер, имеющие переменное фокусное расстояние, называются "вари-объективы". Они позволяют осуществить плавное изменение масштаба изображения (совершать "наезд"). Масштаб изменяется вручную либо посредством электропривода. При этом сохраняется фокусировка изображения. Применение трансфокаторов позволяет "приблизить" изображение от 5 до 20 раз, что позволяет рассмотреть даже сильно удаленные объекты. Использование трансфокатора наиболее удобно совместно с поворотным устройством. Это позволяет не только следить за перемещением объекта наблюдения в широком секторе обзора, но и рассмотреть подробно детали (лицо человека, номер автомобиля). Съемка подвижных ярких объектов существенно упрощается благодаря использованию системы Multi-zoom Iris, которая отдает приоритет объектам в центральной и нижней областях сцены. Когда камера перемещается к ярким сценам, включается система EEI (Extended Electronic Iris), которая обеспечивает непрерывное регулирование электронным затвором. Объектив с автоматической диафрагмой Объектив с автоматической диафрагмой устанавливает размер отверстия диафрагмы, обеспечивающий оптимальную интенсивность светового потока, проходящего через объектив и попадающего на мишень преобразователя "свет-сигнал". Использование объективов с автоматической диафрагмой позволяет получать качественное изображение как при ярком солнце, так и при лунном свете. Применение объективов без диафрагмы в камерах, имеющих электронный затвор, упростит и удешевит всю систему телевизионного наблюдения. Камеры с автоматической диафрагмой плохо реагируют на внезапные резкие изменения яркости или контрастности изображения, например, при трансфокации или резком включении источника света. Такие изменения быстрее отрабатывает электронный затвор камеры. Поэтому рекомендуется использовать объектив с автоматической диафрагмой в камерах с электронным затвором.
Pin-hole объектив Наблюдение может осуществляться внутри помещений и снаружи, скрытно и открыто. Для визуального контроля ситуаций внутри помещения следует применять камеры со встроенным объективом. Для помещений минимальная чувствительность камер может составлять
0,5 лк. Корпус камеры должен гармонировать с интерьером и не бросаться в глаза. Роль телевизионной камеры -- не отпугивать посетителей, а фиксировать ситуацию в контролируемом помещении. В помещении следует использовать камеры с автоматической диафрагмой для автоматической компенсации изменения освещенности в разное время суток. В зависимости от плана помещения выбирается объектив с необходимым углом зрения. При необходимости скрыть камеру используют миниатюрные камеры с Pin-hole объективами. У таких объективов диаметр выходного зрачка составляет от 0,9 до 2 мм. Такую камеру можно устанавливать, например, за обоями. Небольшое отверстие под объектив не привлекает внимания.
Для получения изображения повышенного качества следует использовать камеры с повышенной разрешающей способностью (более 500 линий).
Дополнительные возможности и сервисные устройства видеокамер Автоматическая регулировка усиления. Режим автоматической регулировки усиления позволяет производить непрерывную съемку при всех уровнях освещенности без необходимости переключать усиление или применять соответствующие фильтры и обладает также таким замечательным свойством, как приоритетность апертуры.
Она заключается в том, что после того, как вручную установлена диафрагма, для получения желаемой глубины резкости, система АРУ автоматически устанавливает требуемый уровень видеосигнала. Например, когда снимаются темные объекты, после того как диафрагма полностью открылась, усиление будет увеличено автоматически, чтобы достичь требуемого уровня видеосигнала.
Автоматическая регулировка усиления позволяет повысить резкость изображения в случае большой освещенности сцен, причем в совокупности с функцией автоматической диафрагмы это дает возможность расширить динамический диапазон без ограничения сигнала.
Благодаря режиму АРУ имеется возможность осуществлять непрерывную автоматическую съемку от темных до ярких планов без прерывания изображений.
Электронный затвор. Структура матрицы типа HAD позволила применить электронный затвор с функцией переменного времени экспозиции. Это дает возможность снимать передающей ТВ камерой быстротечные динамические процессы и объекты за время второй части каждого поля, а это и есть период открывания электронного затвора. Изменяя величину периода открывания затвора, меняют время эффективной экспозиции при съемке. В телекамерах Sony время экспозиции изменяется вплоть до значения 1/100000 с.
Усовершенствование электронного затвора в матрице ПЗС типа HAD позволило создать так называемый не мелькающий растр. Не мелькающий растр означает снижение и даже полное устранение помех в виде перемещающихся в вертикальном направлении по экрану полос (т. н. черный шум) при съемке.
Автоматическая установка баланса белого. Эта функция полезна, когда у оператора нет времени для установки камеры в режим съемки. Автоматическая установка баланса белого заключается в подборе усиления в каналах красного и синего цвета (в цветных видеокамерах) по отношению к усилению зеленого. Эти регулировки осуществляются изначально при изготовлении видеокамеры.
Однако, в некоторых условиях может возникнуть необходимость их изменения, что, как правило, происходит автоматически. Для этого достаточно направить видеокамеру на белый объект, отрегулировать масштаб изображения так, чтобы этот объект занимал не менее 80% его площади, после чего нажатием кнопки включить схему регулировки. В некоторых моделях камер эту регулировку можно выполнить и вручную.
Гамма-коррекция
Гамма-коррекция -- растягивание видеосигнала в области черного.
В некоторых моделях видеокамер имеется схема, позволяющая увеличить число градаций в передаче полутонов черного и серого цветов. Действие ее фактически обратно действию схемы сжатия контрастности, которая повышает и углубляет контрастность полутонов в изображении.
При максимальном значении коэффициента гамма-коррекции (1,0) полутона получаются наиболее контрастными, "грубыми" и "глубокими", а при минимальном (0,4) -- обеспечивается воспроизведение наиболее "нежных" и "мягких" полутонов.