182

Разработка телевизионных систем защиты территорий и помещений

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Функции систем физической защиты. Обнаружение и распознавание объектов. Классификация и параметры телевизионных камер. Работа телевизионной системы в составе СФЗ. Разработки и реализации адекватных мер защиты.

Русский

2012-11-14

768.5 KB

70 чел.

Министерство науки и образования РФ

Сибирская Государственная Геодезическая Академия

Курсовая

По ТИБ и МЗИ

на тему «Разработка телевизионных систем защиты территорий и помещений»

Выполнил:                                                                                        Проверил:

Студ. Гр. ОЗИ-21                                                                             

Першин Н.Н.                                                                                    Рахимов Н. Р.

Новосибирск, 2012г.

Содержание:

Введение

1. Системы физической защиты

1.1. Функции систем физической защиты

1.2. Обнаружение и распознавание объектов

  1.  Телевизионные камеры
    1.  Классификация телевизионных камер

2.2.1. Параметры телевизионных камер. Чувствительность

2.2.2. Параметры телевизионных камер. Шумы

2.2.3. Параметры телевизионных камер. Разрешающая способность

  1.  Регулировки телевизионных камер
    1.  Сравнение характеристик телевизионных камер
  2.  Работа телевизионной системы в составе СФЗ

Заключение

Список литературы


Введение.

Потребность человека жить вне опасности существует с незапамятных времен. С древности и по сей день для обеспечения этого используются три класса средств: средства обнаружения (гуси, спасшие Рим), физические барьеры (з'aмки и замк'и) и силы охраны.

Развитие этих средств показывает, что в последнее время революционные изменения произошли именно в средствах обнаружения. Так, древние крепостные стены были прочнее современных бетонных или стальных заграждений; дружинники Владимира Красное Солнышко физически не уступали нынешним сотрудникам охранных предприятий (в этой области фундаментальные изменения обусловлены изобретением и совершенствованием огнестрельного оружия). А вот древние методы обнаружения противника "на глаз" и "на слух" получили принципиально новый облик с появлением современных методов радиолокации, телевидения (ТВ), инфракрасной (ИК) техники. Революция в способах обнаружения и оценки тревожной ситуации обусловила экспоненциальный рост сложности систем физической защиты (СФЗ).

Неуклонное усложнение СФЗ привело к настоятельной потребности в появлении профессионалов, способных пойти по верному пути на самом важном этапе – на этапе замысла системы, где большинство узких специалистов может не учесть все факторы для принятия правильного решения.

В большинстве случаев людям вообще не свойственно принимать решение сознательно. Коснувшись пальцами оголенной проводки, вы и без совета специалиста отреагируете правильно. Для принятия более сложных жизненных решений механизмы инстинктов и рефлексов абсолютно неприемлемы.

Второе место по частоте применения занимает метод проб и ошибок. Успешность его применения зависит от скорости обучения, а скорость обучения – от памяти, т. е. от способности фиксировать, был ли результат конкретного эксперимента хорошим или плохим. Человечество, конечно, преодолело многие недостатки данного метода благодаря объединению своего опыта и передаче его последующим поколениям, но не изменило его сущности – все-таки это подход животного к новой ситуации. В нашем случае возможность преодоления грабителем комплекса видеоохраны банка несомненно стимулирует творческое мышление его создателей, но ошибка собственника в выборе разработчиков ТВ-системы будет оплачена слишком дорогой ценой.

Немногим лучше оказывается и казуистика – использование прежних решений для принятия новых. Метод ссылок на авторитеты, принимавшие подобные решения, может иметь много форм. Он может составлять альтернативу разуму, как у древних, обращавшихся к богам, демонам, духам и музам для указания наилучшего пути решения поставленной задачи. Он может переходить в уклонение от ответственности или в умственную лень, например, когда человек слепо выполняет установки руководства. Обращение к авторитету может быть и разумным актом, когда мы советуемся со специалистом или ищем ответ на вопрос в учебнике. Наконец, этот метод становится необходимостью в случае обращения к нормативным документам, чтобы избежать их нарушения.

Следование авторитету оправдано, когда консультант знает предмет лучше, чем консультируемый. Если же консультант, в свою очередь, также ссылается на авторитет, то возникают неизбежные вопросы: кто является исходным авторитетом, каким методом он пользовался для принятия решения и т. д.

Очевидны четыре альтернативных метода принятия решения авторитетом: произвол, интуиция, примат этики или различные математические критерии. Первые три метода относятся к эвристическому синтезу, отличающемуся высокой скоростью получения решений и низкой (нулевой) точностью получаемых оценок выбираемых свойств системы.

1. Произвольное решение, подкрепленное красноречием, мудростью, волей руководителя или голой экономической (а может быть и физической) силой, является большей частью необоснованным независимо от того, принимается ли оно безапелляционно или со ссылкой на авторитет.

2. Всякое интуитивное зарождение идеи, основанное на предчувствии, вдохновении, ощущении, догадке, также неприемлемо для авторитетного принятия решения, поскольку интуиция находится как раз посередине между биологическими механизмами и научными рассуждениями.

3. Чтобы не опираться всецело на интуицию, авторитеты могут обращаться к различным этическим системам. Некоторые могут подумать, что этике нет места при решении вопросов охраны и безопасности. Однако многие обстоятельства не позволяют нам игнорировать этические стороны проблемы. Техника всегда имеет точки соприкосновения с некоей системой ценностей, неотъемлемую часть которой составляют этика и мораль нашего общества.

Существует множество этических систем, и ни одна из них не решает всех проблем выбора. Руководящие принципы, применимые для многих решений при создании систем безопасности, сформулировали стоики – Зенон, Сенека и (наиболее систематически) Эпиктет – раб, живший во времена правления Нерона. Основной принцип стоиков гласит: желай то, что можешь получить, и не беспокойся о том, что тебе недоступно.

Как бы ни был прост приведенный принцип, тем не менее нетрудно найти примеры "нестоического" поведения организаций, которые принимаются строить грандиозные системы безопасности, не позаботившись о проверке их физической или экономической осуществимости.

Любая философия неполна, поэтому специалист должен избегать ее необоснованного применения, поскольку ее можно использовать, например и для оправдания политики бездействия. Кроме того, если установлено, что желаемое осуществимо, никакая философская система не скажет, разумно ли оно или глупо. Ограниченность этического подхода вынуждает нас искать опору в других нормах, чтобы обеспечить правильность наших решений.

Четвертая, наиболее плодотворная концепция для создания систем безопасности опирается на математические методы синтеза и является вероятностной. Основы теории вероятности были заложены еще в XVII веке выдающимися теоретиками азартных игр Паскалем, Ферма и Гюйгенсом. Развитые позже составляющие этой теории – теория статистических решений, теория информации и теория массового обслуживания позволяют выбрать критерий принятия решения (например, минимизировать риск) и выбрать систему, наиболее отвечающую этому критерию.

Математический синтез СФЗ по характеру решаемых задач подразделяется на структурный и параметрический . Основная структура СФЗ жестко определена нормативными документами. Уточнение структуры системы производится на этапе разработки концепции обеспечения безопасности объекта. Концепция безопасности выражает общий замысел реализации мер по обеспечению защиты объекта от возможных угроз. При формулировании концепции безопасности необходимо учитывать, что задача доказательства полной безопасности произвольного объекта алгоритмически неразрешима.

Суть концепции обеспечения безопасности заключается в претворении в жизнь трёх принципов:

  1.  определения целей и предметов защиты (кого и что защищать);
  2.  определения и оценки угроз (от кого защищать);
  3.  разработки и реализации адекватных мер защиты (как защищать).

Заключительным этапом синтеза СФЗ является определение характеристик ее подсистем, которые могут быть сведены к числовым параметрам (например, численность и время развёртывания сил охраны, число телекамер, ошибка опознавания нарушителя оператором ТВ-комплекса).

Это позволяет применить известные подходы к параметрическому синтезу сложных систем. Основу синтеза составляют:

  1.  характеристики объекта (план объекта, характер угроз, модель нарушителя и т. п.);
  2.  критерий качества работы системы;
  3.  ограничения на реализацию системы.

  1.  Системы физической защиты

Революция в технических средствах охраны к настоящему времени ещё не нашла всеобъемлющего отражения в методологии проектирования большинства систем безопасности, опирающейся на действующую систему нормативных документов. Например, ГОСТ 26342-84 "Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации" определяет охранно-пожарную сигнализацию не как элемент системы защиты, а как средство "получения, обработки и представления в заданном виде потребителям при помощи технических средств информации о проникновении на охраняемые объекты и о пожаре на них". В более новом ГОСТ Р 50776-95 можно прочесть, что "система охранной сигнализации – совокупность совместно действующих средств обнаружения проникновения на охраняемый объект, сбора, обработки, передачи и представления в заданном виде потребителю информации о проникновении и другой информации". Серия стандартов ГОСТ Р "Интегрированные средства охраны" находится в стадии разработки.

Наиболее чётко вопросы построения систем физической защиты рассмотрены в документах, относящихся к охране объектов, подведомственных Министерству атомной энергетики. Так, в постановлении правительства РФ №264 от 07.03.97 "Об утверждении правил физической защиты ядерных материалов, ядерных установок и пунктов хранения ядерных материалов" физическая защита определяется как совокупность организационных мероприятий, инженерно-технических средств и действий подразделений охраны с целью предотвращения диверсий или хищений. И, более того, "Концепция физической защиты АЭС" учитывает, что СФЗ ядерных объектов является составной частью системы национальной безопасности государства.

В государственных нормативных документах, регламентирующих разработку и организацию систем безопасности в целом и систем теленаблюдения в частности , объекты разделяются на категории (табл. 1.1):

Таблица 1.1:

  1.  Функции систем физической защиты

Хищения и диверсии на территории объекта могут быть предотвращены двумя способами – удержанием нарушителей от совершения этих действий или успешным противодействием нарушителям.

Удержание обеспечивается внедрением СФЗ, которую потенциальные нарушители рассматривают как непреодолимое препятствие. Под непреодолимостью следует понимать не только невозможность преодоления высоких заборов, но и неминуемость обнаружения нарушителей техническими средствами, в том числе аппаратурой видеонаблюдения. В частности, для реализации функции удержания в состав ТВ-систем для СФЗ кроме обычных и скрытно установленных телекамер иногда вводят их муляжи. Связанная с методами удержания проблема состоит в том, что измерить эффективность удержания численно невозможно.

Противодействие нарушителям предусматривает определённые мероприятия сил охраны, предотвращающие хищение или диверсию после начала фактических действий нарушителей. Существует несколько функций, которые должна выполнять система физической защиты. Для оценки всей системы в целом необходимо исчерпывающее понимание определений этих функций и возможность количественной оценки эффективности их выполнения.

К основным функциям СФЗ относятся:

обнаружение:

обнаружение вторжения техническими средствами,

обеспечение связи средств обнаружения с силами охраны,

оценка тревожной ситуации;

задержка;

действия сил охраны:

развёртывание,

пресечение противоправного действия.

Обнаружение определяется как раскрытие действий, совершаемых нарушителями. К функции обнаружения относится оповещение с помощью технических средств о тайных или явных действиях нарушителей. Эффективность выполнения функции обнаружения измеряется с помощью таких характеристик, как вероятность обнаружения и время, необходимое для передачи сигнала тревоги и оценки достоверности сигнала тревоги. Обнаружение осуществляется в два этапа: первичное обнаружение датчиком и системное обнаружение оператором системы наблюдения сил охраны. В связи с этим вероятность обнаружения подразделяют на первичную P1 (датчиком) и системную P(D).

Зависимость системной вероятности обнаружения от времени оценки по сути является нормированной автокорреляционной функцией случайного процесса ξ(t), которым может быть смоделировано распределение во времени длительностей и частоты возможных вторжений на защищаемый объект. При моделировании СФЗ считается, что поток вторжений (момент tо) случаен, но каждое из вторжений имеет примерно известную длительность, равную интервалу корреляции τ процесса ξ(t). Статистика случайного процесса такова, что знание его значения в удалённый момент времени даёт тем меньше информации о его значении в настоящий момент, чем больше интервал времени между данными моментами. Это следует из формулы А. Н. Колмогорова, согласно которой взаимная информация между двумя значениями случайного процесса определяется коэффициентом корреляции между ними. Поэтому большое время, потраченное на проверку истинности сигнала тревоги и оценку ситуации, сводит на нет все усилия по охране объекта, уменьшая вероятность обнаружения до неприемлемо малого уровня.

Взаимосвязь системной вероятности обнаружения и времени оценки выражается графиком, приведённым на рис. 1.1.

Датчик срабатывает в момент времени tо. Через некоторое время, например в моменты времени t1, t2 или t3, оператор получает информацию, от датчика об обнаружении и от ТВ-системы об оценке тревожной ситуации. Если время, прошедшее с момента срабатывания датчика до момента определения истинности сигнала тревоги, невелико (t=t1), то вероятность обнаружения нарушителей системой будет близка к вероятности срабатывания тревожного извещателя. По мере увеличения продолжительности времени оценки тревожной ситуации вероятность их обнаружения системой будет уменьшаться.

Система оценки тревожной ситуации должна предоставить силам охраны два вида информации:

  1.  является ли переданный сигнал тревоги истинным или ложным;
  2.  определить место нарушения и численность нарушителей.

Эффективность поддержания связи с силами охраны определяется вероятностью поддержания бесперебойной связи и продолжительностью времени, необходимого для передачи указанной информации. Эти два параметра взаимозависимы (рис. 1.2)

Количество времени, проходящего с момента передачи первоначального сообщения о тревоге, может значительно изменяться в зависимости от метода поддержания связи и количества передаваемой информации. По прошествии этого первоначального периода вероятность поддержания бесперебойной связи начинает быстро возрастать. Например, с каждым повторением сюжета о динамике пересечения нарушителем линии периметра вероятность передачи оператору точной текущей информации увеличивается. На практике такой метод реализуется с помощью цифровых накопителей видеосигнала, рециркуляция информации в которых инициируется сигналами тревог от других датчиков обнаружения.

Выполнение функции задержки состоит в замедлении продвижения нарушителей по объекту. Задержка может быть обеспечена пассивными (заграждения, замки) и активными (дымогенераторы, строб-вспышки) средствами. Эффективность выполнения функции задержки измеряется длительностью времени, необходимого нарушителям (после их обнаружения) для преодоления каждого из элементов задержки. Задержка нарушителей до их обнаружения не повышает эффективности СФЗ, так как она не предоставляет охране дополнительного времени на развёртывание своих сил и перехват.

Ответные действия сил охраны включают в себя перехват и нейтрализацию нарушителей. Перехват определяется как прибытие сил охраны на тот участок территории объекта, где они могут остановить продвижение нарушителей. Нейтрализация есть сочетание действий, останавливающих нарушителей перед тем, как они выполнят свою задачу. Эффективность выполнения функций сил охраны определяется временем развёртывания сил охраны, вероятностью развёртывания сил охраны на пути нарушителей и вероятностью успешного исхода столкновения сил охраны с нарушителями.

Таким образом, СФЗ должна выполнять функции обнаружения, задержки и ответного действия. Эти функции должны быть выполнены на протяжении интервала времени, меньшего, чем продолжительность времени, необходимого нарушителям для выполнения их задачи (рис.1.3).

Продолжительность времени выполнения нарушителями своей задачи зависит от эффективности их задержки системой физической защиты.

Нарушители могут начать выполнение своей задачи ранее подачи первого сигнала тревоги (момент tо). После подачи первого сигнала тревоги полученная информация должна быть зарегистрирована и проверена. Время окончания оценивания истинности сигнала тревоги на рис. 1.3 обозначено как tA; в этот момент информация о месте вторжения и численности нарушителей должна быть передана силам охраны.

После принятия окончательного решения об обнаружении начинается развёртывание сил охраны, имеющих необходимые ресурсы (численность и вооружение) для перехвата и нейтрализации нарушителей. Момент, в который силы охраны перехватывают и нейтрализуют нарушителей, обозначен как t1, а момент выполнения нарушителями их задачи обозначен как tC. Только в случае, когда время защиты (t1 – tо) меньше времени выполнения задачи нарушителями (tС – tо), СФЗ выполняет свою функцию.

  1.  Обнаружение и распознавание объектов

Для реализации функций обнаружения и различения объектов вторжения в системах безопасности широко используются устройства, основанные на различных физических принципах формирования тревожных сигналов. Высокая надёжность принятия решения о вторжении достигается логическим объединением сигналов, поступающих с различных средств обнаружения, образующих рубежи охраны. Наиболее эффективны системы, в которых для формирования сигналов используются независимые (ортогональные) свойства нарушителя – оптические и акустические сигналы, инфракрасный и сейсмический или радиоволновый сигналы. Для повышения достоверности принятия решения о вторжении на охраняемый объект применяются различные методы комбинирования сигналов от рубежей охраны. Объединение сигналов по принципу совпадения (схема "И") позволяет снизить вероятность ложной тревоги Рл. т, а объявление тревоги по сигналу любого из рубежей (схема "ИЛИ") позволяет снизить вероятность пропуска нарушителей Рпр. Вероятности ошибок системы с двумя ортогональными рубежами охраны приведены в табл. 1.2

При количестве рубежей больше двух возможны более сложные комбинации, одновременно снижающие и вероятность ложной тревоги и вероятность пропуска нарушителей.

Теория обнаружения, различения и оценивания сигналов разрабатывалась применительно к радиолокации. Развитие методов обнаружения позволяет с единых позиций рассмотреть не только радиолокацию, но и оптическую локацию (телевидение, инфракрасную технику).

Вместе с тем, проектирование систем обнаружения этих классов имеет отличия не только в длине волны, но и в способе формирования информационного сигнала:

радиолокационные системы обнаружения в большинстве случаев являются активными;

системы обнаружения инфракрасного диапазона используют как активный, так и пассивный режимы обнаружения;

телевизионные системы видимого диапазона длин волн занимают промежуточное положение, так как в видимом диапазоне собственное излучение тел при обычных (не слишком высоких) температурах отсутствует и для наблюдения необходима подсветка – естественная (солнечная) или искусственная.

К основным принципам теории обнаружения относятся:

  1.  принцип оптимальности: наилучшее правило принятия решения должно обеспечивать экстремум качества по принятому критерию, исходя из априорной информации о сигналах и помехах, а также из ограничений на доступные решения;
  2.  принцип накопления: суммирование сигналов по пространству, времени и длине волны – единственный и достаточный метод борьбы с шумом (некоррелированной помехой);
  3.  принцип компенсации: вычитание оценки фона – единственный и достаточный метод борьбы с коррелированной помехой.

Эти принципы лежат в основе проектирования как систем обнаружения вообще, так и систем видеонаблюдения в частности. Например, на основе принципа оптимальности осуществляется согласование размеров элемента разложения матрицы ПЗС с кружком рассеяния объектива для обеспечения максимума отношения сигнал/шум при ограниченной освещённости. Принцип накопления реализуется интегрированием фотоэлектронов в пределах времени кадра (от 20 мс и менее), площади элемента разложения (примерно, от 4×4 до 20×20 мкм) и интервала длин волн, к которым чувствительна матрица ПЗС (от 0.4 до 1 мкм). Принцип компенсации находит своё воплощение в телевизионных детекторах движения, использующих в своей работе различные модификации алгоритма вычитания из текущего изображения оценки фона по предыдущему ТВ-кадру.

Особенностью применения теории решений при разработке ТВ-систем обеспечения безопасности является трудность формализации характеристик наблюдаемых объектов и этапов принятия решений. Априорная неопределённость изображений при вторжении нарушителей весьма высока, хотя в этом случае на экране монитора появляются образы, имеющие вполне определённый смысл. Разнообразие нештатных ситуаций (не считая разнообразия постоянного во времени фона – ограждений и сооружений охраняемого объекта) не может быть сведено к небольшому набору классифицируемых образов с простыми параметрами неопределённости (масштаб, положение, поворот). Поэтому при построении систем видеоконтроля не часто удаётся воспользоваться готовыми решениями теории распознавания образов. Редким исключением является применение телевизионно-компьютерных систем определения номерных знаков автомобиля. В этих системах, благодаря применению нейроподобных алгоритмов распознавания ограниченного числа цифр и букв, удаётся достичь вероятности правильного распознавания до 98% при захвате телевизионного кадра с номерным знаком, занимающим существенную часть поля зрения телекамеры.

Процесс принятия решения оператором ТВ-системы включает в себя четыре взаимосвязанных этапа: обнаружение, классификацию, различение и опознавание. Под обнаружением подразумевается выделение объекта на фоне и отнесение его к классам объектов, представляющим потенциальный интерес. Классификация означает отнесение обнаруженного объекта к одному из широких классов (человек, транспортное средство). Различение означает отнесение наблюдаемого объекта к более узкому подклассу (грузовой автомобиль, легковой автомобиль). Наконец, на стадии опознавания можно установить тип объекта (марка автомобиля).

Априорная неопределённость изображений нарушителей приводит к необходимости установления связи параметров ТВ-системы с вероятностными характеристиками опознавания обнаруживаемых объектов.

Детальные исследования этих связей показали , что они зависят от множества факторов:

  1.  характеристики обнаруживаемого объекта (отношение сигнал/шум, контраст, угловой размер, градиент яркости на краях объекта, сложность контура, место на экране монитора, форма, ориентация, перспективные искажения, скорость движения, яркость изображения);
  2.  характеристики сюжета (яркость фона, интенсивность шума фона, скорость движения фона);
  3.  характеристики наблюдателя (тренированность, мотивировка действий, утомление, получение предварительного инструктажа, возраст, индивидуальные особенности, рабочая нагрузка, метод поиска, число наблюдателей и способ связи между ними, периферическая острота зрения);
  4.  тактические требования (площадь зоны поиска, допустимое время поиска с момента появления объекта, освещённость в помещении охраны и т. д.).

Далее рассматривается роль главных из этих факторов – отношения сигнал/шум и размера опознаваемого объекта на экране монитора.

Под отношением сигнал/шум понимается отношение сигнала перепада между наблюдаемым объектом и фоном к среднеквадратичному значению шума.

Реальное отношение сигнал/шум для обнаруживаемого объекта меньше максимального при данной освещённости на величину контраста объекта относительно фона.

Размер объекта на экране монитора может измеряться и в сантиметрах, и в радианах, но для анализа вероятности опознавания объекта следует применить другую меру – число элементов разложения. Роль числа элементов в ТВ-изображении была подчёркнута основоположником электронного телевидения В. К. Зворыкиным, который сформулировал принцип достаточности точности при передаче видеоинформации. Согласно этому принципу, число элементов должно быть и не слишком большим, и не слишком малым. При чрезмерно большом числе элементов и ограниченной площади фотоприёмника изображение "тонет" в фотонном шуме; при слишком малом числе элементов резко сокращается число различимых образов.

В случае различения известного заранее числа сигналов число элементов разложения, приходящееся на изображение объекта, должно быть не менее числа классифицируемых объектов. При уменьшении числа элементов разложения (строк) на размер объекта необратимо теряется информация об объекте. Даже, казалось бы, простейшую задачу различения одноэлементного объекта от двухэлементного невозможно решить безошибочно. Это связано с неизбежными искажениями формы сигналов при накоплении и дискретизации оптического сигнала в матричном фотоприёмнике. Из-за таких искажений при уменьшении числа строк на объект вероятность опознавания объекта уменьшается. Конкретное значение уменьшения вероятности правильной классификации изображений при недостаточном отношении сигнал/шум и числе элементов разложения зависит от числа классифицируемых изображений и их отличий друг от друга. Примеры таких зависимостей приведены на рис 1.4.

Более высокая вероятность опознавания на рис 1.4,а связана с тем, что увеличение разнообразия в наборе сигналов сопровождается увеличением различия между сигналами изображений классифицируемых объектов. Рост достоверности опознавания является следствием того, что ошибка классификации убывает с увеличением разностного сигнала от изображений двух объектов при их одинаковых масштабах и наилучшем совмещении. При плохих условиях наблюдения отличить джип от лимузина значительно легче, чем один тип джипа от другого. Вместе с тем, большая априорная неопределённость в характере нештатной ситуации не снижает требований к разрешающей способности ТВ-системы, а увеличивает их. Это связано с тем, что часто оказывается необходимым не только грубо оценить сигнал, например классифицировать как "автомобиль", но и определить марку автомобиля, его номер, число пассажиров, их особые приметы. Сложность определения требуемой чёткости связана также с зависимостью формы отклика дискретных фотоприёмников от сдвига оптического изображения. Этот эффект приводит к тому, что даже если мелкие детали изображения в одном из кадров различаются, то в другом (при сдвиге сигнала) они могут не различаться.

Априорная неопределённость в числе разрешаемых образов и неинвариантность (shift variance) отклика фотоприёмников к сдвигу изображения приводят к отсутствию универсального требования к чёткости ТВ-изображения. Даже ГОСТ Р 51558-2000 "Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний" не содержит конкретных значений для разрешающей способности систем охранного телевидения, а лишь указывает на технические характеристики, которые должны быть проверены при сертификации систем.

В результате проектировщики ТВ-систем безопасности используют различные эмпирические правила, например критерии Джонсона, связывающие вероятность правильного решения с числом строк, приходящихся на размер объекта. Критерии Джонсона, усреднённые по всем классам объектов, имеют значения, приведённые в табл. 1.3.

Сторонникам применения критериев Джонсона свойственно стремление распространить результаты нечётко поставленных экспериментов с ограниченным набором изображений на все случаи жизни. Однако практика проектирования и эксплуатации ТВ-систем безопасности показала потребность корректировки этих критериев. Например, МВД Великобритании рекомендует иметь не менее 10% растра (порядка 50 строк) на высоту изображения обнаруживаемого человека.

В задаче различения сигналов всегда требуется большая чёткость, чем при обнаружении. Необходимое увеличение чёткости зависит от степени неопределённости в наблюдаемом изображении. Так, если необходимо опознать личность известного оператору человека, то, по рекомендациям МВД Великобритании, его изображение должно занимать 50% растра; идентификация индивидуальных признаков неизвестной личности требует увеличения размера изображения человека до 120% растра (рис. 1.5)

Подавляющее большинство применяемых в настоящее время охранных ТВ-систем не являются оптимальными с точки зрения теории решений, поскольку поле зрения и параметры разложения обычно задаются независимо. Число строк в растре определяется стандартом, в котором работает аппаратура (PAL, SECAM, NTSC). Поле зрения, как правило, выбирается из условия перекрытия определённого участка территории охраняемого объекта.

Оптимальный выбор поля зрения (место установки телекамеры и фокусное расстояние объектива) должен осуществляться, исходя из обеспечения чёткости, гарантирующей заданную вероятность правильного решения. На практике такое требование приводит к увеличению числа телекамер в контролируемой зоне по сравнению с предусмотренным в исходных требованиях на систему. Дополнительным средством увеличения качества принимаемых решений является использование телекамер, снабжённых объективами с переменным фокусным расстоянием. При этом проектировщика, руководствующегося принципом "дадим заказчику не то, что он просит, а то, что ему нужно", подстерегает опасность спроектировать систему с завышенными техническими характеристиками. Для исключения подобной крайности следует обратиться к уравнению (В.1), корректное решение которого позволяет найти компромисс между требованиями экономики и безопасности.

  1.  Телевизионные камеры

Системы охранного телевидения существенно отличаются от систем телевещания соотношением количества передающих ТВ-камер и устройств отображения. В системах вещательного телевидения число приёмников изображения на несколько порядков превосходит число телекамер. При обеспечении безопасности объектов многочисленные телекамеры выступают в роли периферийных устройств, а ядром системы ТВ-наблюдения являются так называемые системообразующие блоки, подключённые к одному монитору или нескольким. Изучение телевизионных комплексов для обеспечения безопасности можно начать с рассмотрения системных блоков. Такой подход более понятен пользователю системы, в то время как проектировщик должен иметь чёткое представление о процессе зарождения видеоинформации. Общепринятую концепцию "глаз является вынесенной частью мозга" мы распространяем на современные системы прикладного телевидения, где телекамера становится вынесенной частью компьютера. Именно эта часть компьютера ответственна за ряд качественных показателей СФЗ, входящих в уравнение безопасности (В.1). Поэтому после обсуждения общих вопросов физической защиты объектов в 1 следует детальное рассмотрение телевизионных камер и их основных характеристик.

Сердцем большинства современных телевизионных камер для систем безопасности являются твердотельные матричные фотоприёмники, причём более 95% камер в настоящее время реализуется на матричных приборах с зарядовой связью (ПЗС). Фотоприёмник телекамеры преобразует многомерный оптический сигнал (функцию пространственных координат, времени и длины волны) в одномерный электрический сигнал (функцию времени). Такое преобразование основано на реализации главных принципов телевидения: накопления потока фотонов, дискретизации и развёртки изображения.

  1.  Классификация телевизионных камер

Выбор конкретного типа телевизионной камеры для СФЗ является сложной задачей.

Существует много факторов, которые необходимо принять во внимание: требуемые вероятностные характеристики СФЗ, техническая документация производителя, условия эксплуатации, ценовые ограничения. Постоянное расширение номенклатуры предложений на рынке, совершенствование технических параметров и функциональных возможностей телекамер создаёт дополнительную неопределённость на этапе параметрического синтеза СФЗ. Для каждого конкретного случая проектировщик должен выбрать одну конкретную из множества моделей телекамер, которые классифицируются по следующим признакам.

1. Независимо от технических характеристик все телевизионные камеры можно разделить на две группы, принципиально отличающиеся по способу обработки сигнала, – аналоговые и цифровые. Основу современных аналоговых ТВ-камер составляют три микросхемы: ПЗС-матрица, синхрогенератор и аналоговый видеотракт. Более совершенные цифровые (DSP) ТВ-камеры включают в себя также АЦП, цифровой процессор обработки видеосигнала и управления режимами матрицы и ЦАП. Современные технологии позволяют совместить на одном кристалле все эти устройства, обеспечивая на выходе телекамеры стандартный аналоговый видеосигнал.

2. По разрешающей способности все телевизионные камеры делятся на камеры стандартного и камеры высокого разрешений. В камерах стандартного разрешения используются матрицы с числом элементов 500 582, обеспечивающие разрешающую способность 380 линий для чёрно-белых и 330 линий для цветных моделей. Камеры с высоким разрешением строятся на матрицах с числом элементов 752 582, обеспечивающих разрешающую способность 580 линий для чёрно-белого и 450 линий для цветного вариантов исполнения.

3. Определение параметров телекамеры часто начинают с размера фотоприёмника, определяющего чувствительность телекамеры и тип используемой оптики. При равном числе элементов разложения чувствительность ТВ-камеры пропорциональна площади фотоприёмника, однако увеличение площади влечёт за собой удорожание матрицы и объектива. Для классификации матриц ПЗС с различными размерами (табл. 2.1) используют понятие "формат ПЗС", тесно связанное с понятием "оптический формат". Оптический формат – диаметр изображения в фокальной плоскости объектива с гарантированным качеством, выраженный в дюймах. Этому диаметру соответствует несколько меньшая длина диагонали матрицы ПЗС.

Таблица 2.1

4. По типу видеосигнала на выходе ТВ-камеры можно разделить на чёрно-белые и цветные. Использование информации о цветовой структуре наблюдаемого сюжета при достаточном освещении позволяет повысить достоверность различения объектов. При дефиците освещённости на объекте современные цветные телекамеры автоматически могут переходить в режим формирования чёрно-белого изображения, увеличивая тем самым свою чувствительность в несколько раз.

5. По стандарту разложения телекамеры также можно разделить на две большие группы. В Европе в соответствии с рекомендациями МККР (CCIR) в охранном телевидении используется вещательный стандарт разложения (625 строк, 50 полей в секунду). В США телевизионное оборудование для СФЗ соответствует стандарту EIA RS170 (525 строк, 60 полей в секунду). Европейское цветное ТВ-оборудование соответствует стандарту PAL, американское – NTSC.

6. В зависимости от решаемой функциональной задачи различают телевизионные камеры общего применения, камеры среднего и высшего классов. Камеры общего применения формируют приемлемое изображение в "тепличных" условиях, характеризуются минимальным набором регулировок, дешевизной и используются на объектах категорий Б, В (см. табл.1.1). Камеры среднего класса имеют улучшенные технические параметры и используются на объектах категории Б. Камеры высшего класса имеют наилучшие показатели чувствительности, разрешающей способности, рабочего диапазона освещённости, большое количество дополнительных функций и регулировок и несмотря на высокую цену широко применяются на объектах категории А.

2.2.1. Параметры телевизионных камер. Чувствительность

Чувствительность.

Важнейшей характеристикой телекамеры, характеризующей её способность преобразовывать кванты света в электрический сигнал, является чувствительность, т. е. нижняя граница рабочего диапазона освещённостей. В системах охранного телевидения она определяется в виде параметра, доступного для измерения пользователем: чувствительность – это минимальная освещённость на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения. Измерение чувствительности телекамеры производится при известных контрасте испытательной таблицы (примерно 90%), цветовой температуре источника света, светосиле объектива и при максимальном усилении видеотракта (включённой автоматической регулировке усиления). Как правило, производители телекамер под чувствительностью понимают минимальную освещённость тест-таблицы, при которой амплитуда полного видеосигнала составляет 1 В.

Иногда для уточнения понятия минимальной освещённости используют так называемую "шкалу IRE" (аббревиатура от названия Institute of Radio Engineers). В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0.7 В принимается за 100 единиц IRE. Полный видеосигнал со стандартной амплитудой 1В содержит 0.3 В синхросигнала и 0,7В сигнала изображения. Различные производители указывают чувствительность телекамер для разных значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком уменьшении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого (usable picture).

Чувствительность телекамеры зависит от крутизны её светосигнальной характеристики, представляющей собой зависимость выходного сигнала от освещённости сцены – чем больше крутизна, тем больше чувствительность при выбранном пороге (рис. 2.10).

В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня произ-водители фотоприёмников в качестве параметра, характери-зующего чувствительность, часто используют другие показатели. Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение выходного сигнала при заданном уровне освещённости, типе источника, светосиле объектива и уровне шума. Другим широко используемым параметром является крутизна светосигнальной характеристики – выходное напряжение, нормированное на экспозицию В/(лк·с). Размерность этой характеристики отражает действие закона взаимозаместимости освещённости и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС, в то время как освещённость (число фотонов в секунду) и время накопления могут быть разными.

Для определения основных параметров телевизионной системы необходимо знание чувствительности телекамер в виде минимально допустимой освещённости матрицы ПЗС, так как в этом случае можно учесть светосилу используемого объектива, расстояние до объекта, его контраст и т. д. Освещённость на объекте Ео и на матрице Ем. связаны соотношением

    (2.1)

где : ko – коэффициент отражения объекта (тест-таблицы в белом); τ – коэффициент пропускания света объективом; m – отношение фокусного расстояния объектива к расстоянию до объекта; F – отношение фокусного расстояния f объектива к диаметру D его входного зрачка.

Общее ослабление света объективом связано с квадратом его относительного отверстия (апертуры F) и коэффициентом пропускания τ.

На практике освещённости на объекте и на матрице отличаются на порядок. Фундаментальным фактором, ограничивающим чувствительность, является шум, имеющий по крайней мере два источника: шум квантовой структуры света и собственный шум телекамеры. При идеальной нешумящей телекамере её чувствительность зависит только от фотонного шума – флуктуаций числа фотонов относительно среднего значения. В силу независимости фотонов в потоке света количество фотонов в элементе разложения в конкретном кадре подчинено статистике Пуассона. В результате достижимое отношение сигнала к фотонному шуму пропорционально корню квадратному из числа фотонов, принятых телекамерой от объекта наблюдения (в первом приближении из рассмотрения исключена зависимость энергии излучения, коэффициентов отражения и квантового выхода от длины волны). Сюжет в поле зрения ТВ-камеры характеризуется коэффициентами отражения объекта kо и фона kф; способность фотоприёмника к накоплению определяется площадью элемента разложения Δ2, квантовым выходом ŋ, усреднённым по длине волны, и временем накопления Тн . Для телекамер, используемых в составе СФЗ, важно также задать пороговое отношение сигнал/шум Ψпор, обеспечивающее заданную достоверность принятия решения наблюдателем.

Учет этих параметров и формулы (2.1) позволяет найти выражение для предельной чувствительности, т. е. пороговой освещенности сцены для реальной ситуации обнаружения и опознавания малоконтрастных объектов:

  (2.2)

где N=2*1012 – потенциально доступное ПЗС количество фотонов на 1 см2 в 1 секунду при равномерном спектре и освещённости в видимом диапазоне 1 лк. При большой разнице в коэффициентах отражения объекта и фона в числитель формулы (2.2) вместо коэффициента отражения фона kф следует подставлять полусумму коэффициентов отражения объекта и фона.

Управление численными значениями большинства входящих в формулу (2.2) параметров либо недоступно, либо может осуществляться в небольших пределах. Так, светосила лучших современных асферических объективов (F = 0.8…0.75) в ближайшем будущем вряд ли будет заметно увеличена. Квантовый выход большинства серийных ПЗС приближается к 0.5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК. Площадь элемента разложения в матрицах ПЗС имеет тенденцию к уменьшению, а параметры микролинз близки к теоретическому пределу. Подстановка типовых значений характеристик наблюдаемых сцен и матриц ПЗС позволяет получить оценку предельной чувствительности телекамеры в реальных условиях: Епор = 0.2лк, что хуже паспортных данных, приводимых в спецификациях. Более подробно этот вопрос рассмотрен в 2.5.

Чувствительность телекамер ограничивается не только фотонным шумом, но и рядом дополнительных факторов.

Во-первых, происходит рассеяние света в объективе (см. рис. 2.11). Часть фотонов света, падающих на входной зрачок объектива, рассеивается и создаёт дополнительный фон. Этот фон снижает контраст полезного объекта и вносит дополнительный фотонный шум.

Во-вторых, в ПЗС всегда присутствуют собственные шумы – считывания, темнового сигнала и т. д. Кроме того, чувствительность матриц ПЗС снижается из-за свечения транзисторов выходного устройства. Это явление впервые наблюдалось в охлаждаемой астрономической ПЗС камере и было расценено как уникальное. С тех пор чувствительность матриц ПЗС возросла в 100 раз и этот эффект вносит вклад в снижение чувствительности телекамер на ПЗС аналогично рассеянному в объективе свету.

Постоянный рост чувствительности телекамер сконцентрировал внимание производителей и пользователей на этом параметре, отодвинув на второй план другой важный параметр – отношение сигнал/шум. Однако его роль для практики первостепенна, поскольку именно отношением сигнал/шум определяется вероятность правильного опознавания изображений, потенциальная разрешающая способность и количество градаций яркости, воспроизводимых телевизионной системой.

Понятие "отношение сигнал/шум" основано на измерении отношения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума. Различия в форме записи отношения сигнал/шум связаны с использованием линейной либо логарифмической шкалы.

Два способа задания этого параметра связаны соотношением

Здесь под Uс понимается амплитуда сигнала, а под Uш – среднеквадратичное значение шума. Именно отношение сигнала к среднеквадратичному значению шума при номинальной амплитуде видеосигнала (0.7 В или 100 IRE) и приводится в спецификациях на телекамеры. В практике телевизионных измерений осциллографическим методом пиковое значение шума определяется по размаху "шумовой дорожки" на уровне чёрного. Обычно шум считают гауссовским и для перехода к среднеквадратичному значению используют пик-фактор, равный 6.

Рассмотрим подробнее составляющие шума ТВ-камеры на ПЗС. Уровень шумов ПЗС принято оценивать среднеквадратичным числом шумовых электронов σ, представляющем собой среднеквадратичное отклонение числа носителей в каждом зарядовом пакете.

Шумы ПЗС имеют несколько независимых причин, вследствие чего среднеквадратичное число шумовых электронов ПЗС определяется геометрической суммой составляющих: σ= √∑iσ2 i

2.2.2. Параметры телевизионных камер. Шумы

Фотонный шум.

Как указано ранее, этот шум является следствием дискретной природы света. Среднеквадратичное отклонение (СКО) числа фотонов от среднего значения равно корню квадратному из среднего значения. Для максимальных сигналов СКО фотонного шума в элементе матрицы ПЗС достигает сотен электронов.

Шум темнового сигнала.

Если объектив телекамеры закрыть непрозрачной крышкой, то в осциллограмме выходного сигнала наряду с сигналом синхронизации будет присутствовать темновой сигнал. Основной причиной темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия, при которой темновой ток экспоненциально уменьшается при снижении температуры. Количество термогенерированных электронов Nt также подчиняется статистике Пуассона, и их среднеквадратичное отклонение (СКО) от среднего значения равно √Nt. В телекамерах для СФЗ ПЗС-матрицы принудительно не охлаждаются, вследствие чего среднеквадратичным значением шума темнового сигнала (до 20 электронов (е)) пренебречь нельзя.

Шум переноса.

Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется, она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса является функцией количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (ε). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то СКО шума переноса можно вычислить по формуле:

σ= √ 2εnN.

Например, для неэффективности переноса 10,.–5, 500 переносов (центр матрицы ПЗС) и числа электронов в пакете 25 тысяч (максимальный сигнал) СКО шума переноса составит 16 е.

Шум считывания.

Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания присутствует в изображении при отсутствии света на входе телекамеры и не зависит от шума темнового сигнала. Типичное значение СКО шума считывания составляет 20 е и теоретически может быть снижено на порядок. Ограничением здесь является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд элемента в условиях большой освещённости. Для устранения этого противоречия можно разместить в матрице ПЗС два выходных устройства: одно для малых, а другое для больших зарядов, и переключать их в зависимости от условий наблюдения. Поэтому можно ожидать в дальнейшем появление новых ПЗС с уменьшенным шумом выходного устройства.

Шум сброса (kTC-шум).

Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд, для чего используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры Т, ёмкости узла считывания С и его СКО с учётом заряда электрона q и постоянной Больцмана k вычисляется по формуле:

σ= √kTC/q .

Для типичного значения ёмкости С, равной 0.1 пф, при комнатной температуре СКО шума сброса составляет около 130 е. Этот шум полностью подавляется двойной коррелированной выборкой (ДКВ), которая эффективно устраняет и низкочастотные помехи, вносимые цепями питания.

Рассмотренные компоненты шума являются первой причиной ограничения потенциально достижимого отношения сигнал/шум. С другой стороны, оно ограничено ёмкостью элемента ПЗС, которая в типовых матрицах со строчным переносом составляет примерно 50 000 электронов. Поэтому в ТВ-камерах, серийно выпускаемых для СФЗ, максимальное отношение сигнал/шум при большой освещённости не превышает 50 дБ.

Отношение сигнал/шум является объективной характеристикой изображения, связанной с субъективной оценкой его качества. Экспертная оценка субъективного ухудшения качества при увеличении уровня шума по пятибалльной шкале, рекомендованной Международным консультативным комитетом по радиотехнике (МККР), приведена в табл. 2.2.

Качество телевизионного изображения зависит от числа m воспроизводимых градаций (пороговых перепадов яркости, различаемых глазом), которое ограничивается только шумом. В первом приближении при уровне шума, не зависящем от интенсивности сигнала, число градаций определяется пороговым отношением сигнал/шум (входящим также в формулу (2.2)):

m = Ψ/Ψпор + 1

Таблица 2.2

                      

Отношение сигнал/шум измеряют либо непосредственно, либо определяют его взвешенное значение, учитывающее различную чувствительность зрения к деталям различного размера. В соответствии с рекомендацией 567 МККР при оценке отношения сигнал/шум в черно-белых телекамерах взвешивание осуществляется с помощью фильтра нижних частот, имеющего постоянную времени 0.33 мкс. В цветных телекамерах взвешивающий фильтр имеет дополнительный подъём частотной характеристики на частоте 4.5 МГц. В силу уменьшения мощности шума на выходе фильтра взвешенное отношение сигнал/шум всегда больше, чем невзвешенное.

Спектральная чувствительность телевизионной камеры характеризует возможность её работы с источниками излучения различных длин волн. Для оценки интенсивности видимого излучения широко используются фотометрические величины (единица освещённости – люкс), учитывающие различную чувствительность зрения человека К(λ) к спектральным компонентам белого света (рис. 2.12).

Спектральную характеристику телекамер всегда стараются сделать близкой к спектральной характеристике зрения. Однако рабочий диапазон длин волн у кремниевых ПЗС значительно шире и охватывает диапазон от ближнего УФ до ближнего ИК. Для более длинных волн кремний прозрачен и поглощение квантов света в нём не происходит (рис. 2.13)

Из-за различий спектральных характеристик зрения и фотоприёмников для оценки чувствительности за пределами видимого диапазона используются энергетические величины (единица облучённости – ватт/см2). Основная особенность системы энергетических величин – это их независимость от характеристик приёмников света и обусловливающая их универсальность.

Для вычисления освещённости Е (лк), создаваемой источником с произвольной спектральной характеристикой мощности излучения S(λ), учитывают спектральную характеристику зрения К(λ):

     (2.3)

Численный коэффициент в (2.3) определяется тем, что 1 Вт электро-магнитного излучения на длине волны 0.555 мкм соответствует 683 лм светового потока. Так как фотоприём в телевидении осуществляется не глазом, а твердотельной матрицей с иной спектральной характеристикой, то интегрирование белого света в пределах от 0.38 до 0.78 мкм без учёта весовой функции зрения даёт иное значение соотношения освещённости и облучённости: 1 Вт белого света соответствует 220 лм.

Преобразование света в ПЗС носит квантовый характер, поэтому для оценки спектральной чувствительности облучённость должна быть пересчитана в плотность потока фотонов. Учёт спектральной характеристики зрения в (2.3) даёт численное значение "эффективных" фотонов в 1 лм: N1 ≈ 4∙1015фот/лм. Для белого света без учёта весовой функции зрения К(λ) в том же спектральном диапазоне 0.38…0.78 мкм общее количество фотонов примерно в три раза больше: N2 ≈ 1.3∙1016 фот/лм. Эта цифра хорошо известна всем специалистам в области телевидения из фундаментального труда В. К. Зворыкина "Телевидение". Расширение спектрального диапазона чувствительности фотоприёмника ещё больше увеличивает число фотонов в белом свете с равномерной плотностью мощности при условии, что в пределах диапазона чувствительности зрения световой поток по-прежнему равен 1 лм. Тогда полное количество потенциально доступных фотоприёмнику фотонов будет зависеть от ширины этого спектрального диапазона. Для типичных ПЗС этот диапазон равен 0.4…1.06 мкм и число фотонов в этом диапазоне достигает N3 ≈ 2∙1016. Это соответствует, примерно, 2∙1012фотонов, потенциально доступных ПЗС в 1 с на 1 см2 при освещённости 1 лк (см. формулу (2.2)). Для неравномерного спектра излучения источника света (см. 3.3) характеристика плотности потока фотонов связана со спектральной плотностью мощности излучения, отражённого объектом, соотношением

где h – постоянная Планка; с – скорость света.

Полное количество фотонов, преобразованное матрицей ПЗС в электрический сигнал, вычисляется с учётом спектральной характеристики прибора η(λ):

Поэтому проектирование телевизионных систем, предназначенных для работы с источниками искусственного освещения, необходимо проводить с учётом различий в спектральной чувствительности зрения и телекамер на ПЗС. В задачах скрытого наблюдения такие различия определяют выбор типов фотоприёмников и источников освещения.

2.2.3. Параметры телевизионных камер. Разрешающая способность

При работе ТВ-камер с источниками освещения различного спектрального состава полезно оценить облучённость матрицы ПЗС, соответствующую выходному сигналу 1 В и заполнению потенциальных ям всех элементов разложения [19]. Такой подход приводит к ориентировочному значению требуемой световой мощности около 5 мВт/м2, что для видимого излучения эквивалентно освещённости фотоприёмника примерно 4 лк. Поэтому увеличение площади матрицы при том же числе элементов позволяет собрать больше световой энергии, чем повысить чувствительность (табл. 2.3). Значение суммарной световой мощности (power output) часто используется в светотехнических расчётах при использовании источников ИК-подсветки.

Таблица 2.3

Из таблицы видно, что для компенсации дефицита суммарной мощности, возникающего вследствие малой площади фотоприёмника, необходимо использовать более светосильные объективы.

Разрешающая способность. Разрешающей способностью называется максимальное количество линий, которое может быть обнаружено на изображении испытательной таблицы при заданной достоверности обнаружения.

Если количество различимых линий ограничено только шумом, а не связано с недостатками аппаратуры отображения, то такую разрешающую способность называют потенциальной. На практике разрешающую способность часто определяют не по уровню шума, а по уменьшению глубины модуляции до определённого уровня, например 10%.

Максимальное количество разрешаемых линий на телевизионном растре связано с уменьшением коэффициента передачи сигнала с увеличением пространственной частоты. Зависимость глубины модуляции сигнала от пространственной частоты называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ).

При стандартных измерениях ЧКХ зависимость глубины модуляции от пространственной частоты снимается по максимально контрастным оптическим мирам и при освещённостях фотоприёмника, которые обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум от крупных деталей изображения (рис 2.14, а). Максимальная разрешающая способность из графика на этом рисунке определяется по пересечению ЧКХ с пороговым уровнем

δ = Ψпор/Ψmax

При пониженных значениях освещённости Е и отношения сигнал/шум разрешающая способность уменьшается.

Уменьшение глубины модуляции сигнала с высокой пространственной частотой обусловлено несколькими причинами: дифракцией в оптической системе, конечным размером элемента разложения фотоприёмника, потерями фотоэлектронов при накоплении (диффузия носителей в подложке ПЗС) и развёртке (неэффективность переноса зарядов).

Частотно-контрастная характеристика матрицы ПЗС является преобразованием Фурье от пространственного распределения чувствительности одного элемента разложения.

Если элементы матрицы имеют форму примыкающих друг к другу квадратов со стороной Δ и распределение чувствительности внутри элемента постоянно, то ЧКХ матрицы КΔ описывается выражением

КΔ(m) = sin πm/bM      (2.4)

где M - число элементов матрицы в выбранном направлении; b - фазовый множитель, равный 1 при наихудшей фазе испытательной миры относительно дискретной структуры матрицы и равный 2 при наилучшей фазе.

Особенностью этой частотной характеристики являются два момента. Первый - частотная характеристика обрывается скачком и не существует на частотах выше частоты Найквиста. Второй - существенная зависимость частотной характеристики от фазы испытательного сигнала относительно дискретной структуры элементов матрицы (рис 2.15).

  1.  Регулировки телевизионных камер

Телевизионное наблюдение объектов в системах безопасности характеризуется отсутствием априорной информации о ракурсе наблюдения объекта и об условиях его освещения (интенсивность и спектральный состав источника света). Поэтому возникает необходимость управления процессами накопления и усиления сигналов в телекамерах. Для избавления оператора системы безопасности от рутинной работы по регулировке ТВ-камеры её адаптация к постоянно изменяющимся условиям наблюдения должна выполняться автоматически. Именно необходимость постоянной ручной подстройки видиконов стала препятствием на пути массового использования электронно-лучевых передающих камер в системах безопасности. В телекамерах на ПЗС благодаря широкому использованию микропроцессорной техники удалось реализовать ряд методов адаптации, обеспечивших автоматическую работу телекамер в условиях большой неопределённости сюжета. Это привело к созданию устройств, в которых автоматически регулируются (адаптируются) параметры оптической части, фотоприёмника, а также аналогового и цифрового видеотрактов.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

Является исторически первым методом адаптации телевизионного оборудования к изменению внешних условий. Единственная цель АРУ – стабилизация амплитуды видеосигнала на выходе телекамеры. При малых освещённостях усиление автоматически увеличивается, при больших – автоматически уменьшается. Диапазон изменения коэффициента усиления измеряется в децибелах и носит название "глубина АРУ". В современных телекамерах этот параметр лежит в пределах 12…30 дБ.

Изменение коэффициента усиления отражается на результирующей характеристике свет-сигнал ТВ-камеры; чем больше усиление – тем круче её наклон и, следовательно, больше амплитуда сигнала на выходе. Поэтому чувствительность телевизионной камеры измеряется и специфицируется большинством производителей при максимальном усилении видеотракта (включённой АРУ). Увеличение коэффициента усиления видеотракта приводит не только к возрастанию сигнала, но и к росту шума в выходном сигнале. Поэтому для увеличения отношения сигнал/шум необходимо максимально использовать возможности оптики и освещения. Так, в телекамерах, предназначенных для наблюдения внутри помещения, АРУ обычно выключается, а паспортное отношение сигнал/шум достигается за счёт увеличения светосилы объектива.

В телекамерах, размещаемых вне помещений, из-за большого диапазона изменения освещённости функция АРУ всегда активизируется. При этом необходимо учитывать конечную скорость изменения усиления: постоянная времени цепи АРУ составляет, как правило, 1–2 с.

Регулировка экспозиции

Работа телевизионных камер в составе СФЗ характеризуется очень широким диапазоном изменения освещённости. На широте Санкт-Петербурга в безоблачный солнечный день освещённость объекта может достигать 100 000 лк. Белые ночи (когда Солнце заходит за горизонт не более чем на 6о) соответствуют освещённости 0.1 лк. В тёмную облачную ночь естественная освещённость объектов может уменьшаться до тысячных долей люкса. Таким образом, диапазон изменения освещённости в естественных условиях близок к миллиарду. Ни один фотоэлектрический преобразователь не имеет столь широкого динамического диапазона, поэтому необходима адаптация телекамеры к изменению освещенности на объекте. Такая адаптация основана на законе взаимозаместимости освещённости и времени накопления и реализуется двумя способами. В первом способе перед ПЗС устанавливают объектив с автоматически регулируемой диафрагмой, во втором – автоматически регулируют время накопления в фотоприёмной матрице. Объективы с автоматической регулировкой диафрагмы рассмотрены далее в 3; ниже анализируются достоинства и недостатки электронного управления процессом накопления в ПЗС.

Управление процессом накопления в зависимости от типа матрицы может осуществляться различными способами. В матричных ПЗС с кадровым переносом для устранения зарядов, образованных светом, на все фазные электроды секции накопления подаётся потенциал обогащения. В результате потенциальные ямы не образуются и генерированные светом заряды рекомбинируют, растекаясь по подложке. Напряжение, создающее потенциальные ямы, подаётся лишь в течение малой части времени кадра. В матричных ПЗС со строчным переносом может использоваться режим сброса избыточных зарядов в подложку с помощью подачи импульсов сброса в течение всей нерабочей части времени кадра. Конкретное значение времени накопления выбирается так, чтобы при любой освещённости в ярких деталях сцены экспозиция обеспечивала число фотоэлектронов, немногим меньшее, чем ёмкость потенциальной ямы. Режим управления накоплением заряда в ПЗС за счёт сокращения времени подачи напряжений на фазные электроды называется "электронным затвором". Эффективное время накопления в режиме электронного затвора является одной из основных характеристик ТВ-камеры и может меняться в пределах от 1/50 до 1/100 000 с как вручную, так и автоматически.

Достоинствами метода являются его простота и надёжность, а также уменьшение влияния темновых токов и их шумов. Особо следует подчеркнуть уменьшение искажений, вызванных смазом подвижных объектов. В то же время реализованный к настоящему времени в серийных телекамерах диапазон перестройки времени накопления не позволяет перекрыть возможный диапазон изменения освещённости при наружном наблюдении. Поэтому автоматическое управление чувствительностью ПЗС используется, как правило, при размещении ТВ-камер в помещении. При наружном наблюдении ТВ-камеры обычно работают с временем накопления 1/50 с, а адаптация к уровню освещённости осуществляется с помощью автоматической регулировки диафрагмы объектива (см. 3.2). Исключением из этого правила являются ТВ-системы для регистрации номеров движущихся автомобилей – для решения этой задачи необходимо время накопления не более 1/1000 с.

Баланс белого

Для правильного воспроизведения цвета объекта необходимо, чтобы видеосигналы основных цветов на выходе ПЗС в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении. Для этого ТВ-камеры оснащаются системой баланса белого, основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры. В цветных телекамерах для охранного телевидения роль датчика цветовой температуры играет матрица ПЗС. Поскольку цвет имеет большое значение при опознавании объектов, остановимся на этом вопросе несколько подробнее.

Спектральный состав дневного света от восхода до захода Солнца подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и предвечерние часы в составе солнечного света содержится значительно больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем в середине дня. Такие колебания находятся также в зависимости от атмосферных условий, времени года и географической широты места установки ТВ-камеры.

  1.  Сравнение характеристик телевизионных камер

Отсутствие нормативных документов, обязывающих производителей специфицировать параметры телекамер по единой методике, создаёт почву для многочисленных спекуляций. Наиболее часто рекламной манипуляции подвергается важнейший параметр ТВ-камеры – её чувствительность. Совершенствование технологии ПЗС-матриц и микропроцессорных устройств обработки видеосигнала сопровождается улучшением всех качественных показателей телекамер. Однако рост чувствительности не беспределен из-за квантовой природы света: картину никогда не удастся нарисовать с помощью одного фотона. Разработчик системы безопасности должен уметь находить соответствие между параметрами системы в целом с некоторыми – часто мифическими – цифрами, указываемыми в рекламе производителя. Выбирая телекамеру, необходимо определить её чувствительность при строго фиксированном множестве параметров аппаратуры и освещения наблюдаемой сцены.

  1.  Целесообразно задать следующую совокупность величин:
  2.  светосилу объектива;
  3.  время накопления;
  4.  размер элемента разложения;
  5.  глубину АРУ;
  6.  коэффициенты отражения испытательной таблицы в "белом" и "чёрном";
  7.  спектральную характеристику источника света и ТВ-камеры (ПЗС плюс объектив);
  8.  требуемое отношение сигнал/шум.

Одновременное указание всех этих условий измерения чувствительности в технической документации встречается крайне редко.

Ниже рассмотрены основные отклонения в трактовках понятия "чувствительность" и приведены примеры корректного сравнения параметров телекамер.

  1.  Если под чувствительностью понимается минимально допустимая освещённость объекта наблюдения, то сравнение ТВ-камер должно производиться при одинаковой светосиле их объективов. Например, чувствительность одной и той же камеры с просветлённым асферическим объективом F0.8 будет в 10 раз лучше, чем с малогабаритным пластмассовым объективом F2.0.
  2.  Оценка перспективности использования телекамеры должна опираться на значение её чувствительности для стандартного времени накопления 20 мс. Схемотехника современных телекамер позволяет увеличить время накопления до 1 с при стандартной частоте смены полей на мониторе 50 Гц. Повышение чувствительности здесь приобретается ценой такого же уменьшения чувствительности к движущимся объектам. Но охранные системы обычно предназначены для обеспечения быстрого реагирования на появление нарушителя, а не для оценки нанесенного им ущерба.
  3.  При прочих равных условиях чувствительность ТВ-камеры пропорциональна площади элемента разложения. Поэтому чувствительность телекамер с матрицами формата 1/4" и 1/3" не может превосходить чувствительность телекамер с матрицами формата 1/2". При группировании сигналов n соседних элементов по горизонтали и вертикали отношение сигнал/шум возрастает в √n раз, а чёткость (эффективное число элементов разложения) ухудшается в n раз. В ряде применений такой режим может оказаться полезным. Но уменьшение разрешающей способности телекамеры приводит к уменьшению вероятности опознавания объектов. Поэтому при оценке перспективности использования телекамеры по критерию чувствительности следует опираться на её значение для требуемой гарантированной чёткости.
  4.  Сравнение чувствительности телекамер должно производиться при одинаковом максимальном усилении видеотракта (глубине АРУ). При одинаковых значениях пороговой освещённости и размахе видеосигнала на выходе лучшей чувствительностью обладает ТВ-камера, производитель которой заявил эти параметры при меньшем усилении видеотракта.
  5.  Чувствительность телекамер в паспортных данных указывают для большого контраста объекта относительно фона – обычно 75…85%. Сюжеты, характерные для СФЗ, обладают существенно меньшим контрастом. Пересчёт чувствительности ТВ-камер к единым условиям контраста тестового изображения должен производиться на основе формулы (2.2)
  6.  Чувствительность телекамер указывают в люксах, приводя или не приводя характеристику источника света. Обычно при испытаниях используются источники с цветовой температурой 3200 К (2800 К). При переходе от искусственного освещения к естественному заявленное значение пороговой чувствительности в люксах увеличивается, т. е. чувствительность ухудшается примерно в 2 (3) раза. Для того чтобы измеренная в люксах чувствительность телекамеры не изменялась при смене типа освещения, измерения следует проводить с использованием отрезающего ИК-фильтра. Если такие данные отсутствуют, то разработчик должен учесть, что у телевизионной системы, работающей при естественном освещении, реальная чувствительность ниже заявленной в спецификации. Также необходим учёт спектральных характеристик фотоприёмников. При одинаковой заявленной чувствительности в люксах ТВ-камеры на матрицах с кадровым переносом благодаря большему квантовому выходу в ИК-области будут чувствительнее камер на матрицах со строчным переносом.
  7.  Сравнение телекамер должно производиться при одинаковом пороговом отношении сигнал/шум. Для пороговой освещённости, указываемой в паспорте, обычно задаётся приемлемое качество изображения (usable picture), соответствующее уменьшению амплитуды видеосигнала в 2–5 раз. Опираясь на типовое значение отношения сигнал/шум при большой освещенности и на диапазон автоматического регулирования усиления в телекамере, можно показать, что при сигнале 20…50 IRE отношение сигнал/шум составляет 2…5. Обычно для надёжной классификации изображений необходимое отношение сигнал/шум должно быть не менее 10. В результате, при использовании телекамер с паспортной чувствительностью при сигнале 20…50 IRE приходится вводить поправку на чувствительность, увеличивая заявленное значение пороговой освещенности от 2 до 5 раз.
  8.  Сравнивая между собой камеры, выполненные на одних и тех же матрицах ПЗС можно видеть, что, несмотря на заявленные одинаковые разрешающие способности, четкость формируемых ими изображений различна. Некоторые камеры, выполненные на матрицах высокого разрешения, имеют нечеткое, изображение, другие камеры, наоборот, приятно удивляют филигранной прорисовкой мелких деталей. Тем не менее, формально, разрешающая способность камеры, формирующей нечеткое изображение, соответствует значению, указанному в паспорте. Итак, мы подошли к главному вопросу: что такое четкость? Она определяется площадью под кривой частотно контрастной характеристики системы "камера-объектив", т. е. не просто предельным разрешением, а тем, как это разрешение достигается и что при этом делает система. При апертурной коррекции эта кривая приподнимается, как показано на рисунке 2.18, и четкость изображения заметно повышается. В 1948 г. Отто Шаде ввел понятие "эквивалентного числа строк" (NE), определяемого как квадрат площади под кривой ЧКХ. Величину NE в спецификациях не указывают, но она является хорошей количественной характеристикой визуально воспринимаемой четкости изображения.

Для оценки реальной четкости изображения часто используется параметр "глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения", равный отношению размахов сигналов от мир с числом штрихов, равным максимальному разрешению и с минимальным числом штрихов (крупная деталь изображения). Видно (рис.2.28), что амплитуда сигнала на частоте 550 линий в камере с симметричным апертурным корректором заметно превосходит эти значения в камерах с корректором по первой производной и, тем более, в камере без корректора.

К сожалению, параметр "глубина модуляции" называемый иногда "амплитуда частотно-контрастной характеристики на частоте максимального разрешения" не приводится в рекламных проспектах и паспортах на телевизионные камеры. Реальную разрешающую способность телевизионной камеры можно оценить, только наблюдая формируемое изображение в процессе ее испытания.

Таким образом, правильный учёт особенностей специфицирования различными производителями параметров телекамер позволяет реализовать потенциальные возможности последних при создании СФЗ.

  1.  Работа телевизионной системы в составе СФЗ

Телевизионная система в составе СФЗ предназначена выполнять следующие задачи:

  1.  оперативное наблюдение за зонами объекта;
  2.  видеозапись событий на объекте в зонах наблюдения;
  3.  видеозапись и экстренное предоставление видеоинформации по тревожным ситуациям;
  4.  видеоохрану на объекте в выделенных зонах наблюдения;

В состав телевизионной системы входят:

  1.  телевизионные камеры в качестве источников видеоинформации;
  2.  видеомониторы в качестве средств визуализации;
  3.  матричный видеокоммутатор (коммутаторы) в качестве средства распределенного управления потоком видеоинформации;

4) видеомультиплексор (видеомультиплексоры) в качестве средств цифровой обработки видеосигналов с целью их временного уплотнения для дальнейшей видеозаписи;

5) специализированные видеомагнитофоны для аналоговой видеорегистрации текущей информации;

6) устройства цифровой видеозаписи в качестве средства видеорегистрации тревожных событий;

7) видеодетекторы движения в качестве средств телевизионной охраны.

Тактика использования ТВ-оборудования на объекте, как правило, сводится к следующему:

  1.  все телевизионные камеры подключаются к видеомультиплексорам;
  2.  все телевизионные камеры подключаются к матричному коммутатору;
  3.  выделенные камеры подключаются к видеодетекторам движения;
  4.  канал "тревожного" монитора матричного видеокоммутатора подключается к цифровому видеорегистратору;
  5.  сигналы тревог от аппаратуры охранной сигнализации подключаются к матричному коммутатору через встроенный интерфейс;
  6.  сигналы тревог видеодетекторов движения подключаются через релейные интерфейсы к матричному коммутатору.

Пример функциональной схемы телевизионной системы наблюдения представлен на рис. 4.13.

В режиме дежурного наблюдения мониторы, расположенные на постах охраны, подключаются к видеовыходам матричного коммутатора. Все мониторы матричной системы имеют идентификационные номера. Для каждого из мониторов определяется перечень разрешенных к просмотру на данном мониторе телевизионных камер. Tаким образом решается вопрос разграничения прав оператора на зоны визуального наблюдения. Оператор выбирает телевизионную камеру, зону наблюдения которой он хочет отобразить на мониторе средствами управления матричного видеокоммутатора – клавиатурами или компьютерными эмуляторами клавиатур. Все клавиатуры имеют идентификационные номера, которые одновременно служат адресом клавиатуры на линии.

Программирование клавиатур позволяет определить перечни разрешенных к выбору камер и мониторов, а также кнопок, разрешенных к нажатию на данной клавиатуре. Настройка этих перечней позволяет ограничить доступ оператора к видеоинформации, циркулирующей в СФЗ.

В результате:

система защищена от случайного или сознательного нажатия кнопок, которые могут привести к ее перепрограммированию;

система защищена от случайного или сознательного выбора "чужого" монитора для управления наблюдением на нем;

система защищена от выбора видеосигналов телевизионных камер, не подлежащих наблюдению на данном рабочем месте.

Видеомультиплексоры и подключенные к ним видеомагнитофоны как средства постоянной и круглосуточной видеорегистрации осуществляют видеозапись всех телевизионных камер системы в мультиплексном режиме на видеоленту, что позволяет создавать видеоархивы событий на объекте. Видеомультиплексоры и видеомагнитофоны функционируют в одном согласованном часовом режиме. Детектор активности мультиплексора устанавливается в режимы приоритетной или эксклюзивной видеозаписи камеры с активностью в поле зрения. Как правило, производится установка системы видеозаписи в режим 24 ч без включения детектора активности на выбранных камерах. В этом случае на запись поступает равное количество видеоинформации от камер, замена видеолент осуществляется один раз в сутки. Записанную видеокассету помещают в библиотеку видеоархива, где она хранится установленное время. В обязанности ответственного за видеоархив входит учет видеолент и периодическая их перемотка в обе стороны (периодичность – не реже одного раза в неделю).

Заключение

Применение телевидения в системах физической защиты имеет огромные перспективы благодаря следующим аспектам. Во-первых, телевизионная система повышает вероятность достижения главной цели СФЗ – защиты охраняемого объекта. Во-вторых, благодаря регулярной структуре фотоприёмников телевидение обладает минимальными затратами на каждый переданный бит информации. Телевизионные системы способны передавать образы нештатных ситуаций в реальном времени и обеспечить силы охраны информацией такого количества и качества, которые в корне могут изменить тактику охраны объекта.

Замкнутые системы телевидения, сигнал которых не доступен массовому потребителю, а является достоянием крайне ограниченного круга пользователей, играют огромную роль в жизни общества, внедряясь в промышленность, оборону и охрану всевозможных объектов. Охранное телевидение сегодня – это целая индустрия, охватывающая производство, монтаж и эксплуатацию сложных технических комплексов, входящих в состав СФЗ. Благодаря своей массовости охранные телевизионные системы позволили стимулировать и финансировать ряд новых информационных технологий. Именно прикладные, а не вещательные, телевизионные системы являются олицетворением новой волны твердотельного телевидения, радикально отличающегося от электронно-лучевого благодаря высокой своей надёжности в работе и адаптации к условиям наблюдения. Важнейшей характеристикой телевизионных систем стала их неразрывность с компьютером: если к концепции "глаз – это вынесенная наружу часть мозга" давно привыкли, то сейчас стало очевидным, что телекамера – это вынесенная наружу часть компьютера. Понятие твердотельного телевидения как технологической основы видеоинформатики со временем потеряет актуальность, но в настоящее время эта технологическая революция ещё не завершена. Примером может служить массовое использование в охранной технике видео-магнитофонов, использующих, как и во времена расцвета электронно-лучевого телевидения, магнитную ленту. Пока удельная стоимость регистрации бита информации при аналоговой видеозаписи на магнитную ленту остаётся рекордно низкой. Однако развитие твердотельной технологии, уже весьма совершенной в части фотоприёмников и видеопроцессоров, позволит в ближайшем будущем создать дешёвые огромные массивы памяти, измеряемой терабитами. В сочетании с эффективными методами сжатия видеоинформации это позволит завершить переход к полностью твердотельному компьютеризированному охранному телевидению.

Новые технологии телевидения сегодня – это не только микроэлектроника и программное обеспечение, это ещё и системотехника. Проектирование и эксплуатация современных телевизионных систем выходит далеко за рамки создания телекамер и устройств отображения видеоинформации. Системы физической защиты являются важнейшим приложением телевидения в силу взаимного положительного влияния их друг на друга: именно они привели к появлению новых системообразующих блоков – видеомультиплексоров, матричных коммутаторов и интегрированных цифровых систем консервации видеоинформации.

Развитие телевизионных систем для СФЗ идёт в направлении увеличения потоков информации и интеллектуализации техники на основе повышения сложности обработки. Вместе с тем, широкое внедрение компьютеров не исключает роли человека в принятии окончательного решения. Использование интерактивного режима работы неизбежно в силу большой априорной неопределённости сюжетов и необратимости процессов, порождаемых ошибочными решениями. В целом, развитие телевидения для СФЗ являет собой пример повышения эффективности системы благодаря как совершенствованию технологии, так и математизации проектирования с использованием вероятностных моделей.

Существование этих тенденций устраняет опасения того, что из-за появления однокристальных телекамер профессия телевизионного инженера выродится и перестанет быть массовой и проблемной. Методы системотехники постоянно развиваются, а создатель системы всегда будет располагать своим весьма индивидуальным набором априорной информации и ограничениями на её реализацию. Творческое применение изложенных в пособии принципов построения охранных телевизионных систем позволит специалистам создавать и эффективно использовать конкурентоспособный продукт на рынке систем физической защиты.

Список литературы

  1.  Никитин В.В., Цыцулин А.К. Охранное телевидение: цели, проблемы, средства.Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов
  2.  Твердотельное телевидение/ Л. И. Хромов, Н. В. Лебедев, А. К. Цыцулин, А. Н. Куликов. – М.: Радио и связь
  3.  Ковалёв М.С. Новый стандарт "Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний" ГОСТ Р 51558-2000// Системы безопасности, связи и телекоммуникаций – 2000г.
  4.  ГОСТ Р 50725-94 "Соединительные линии в каналах изображения"

5. Хадсон Р. Инфракрасные системы.

6. П.Демидов. Волоконная оптика в замкнутых ТВ охранных системах. "Алгоритм безопасности" №3, 2002г.