Разработка проекта системы видеонаблюдения

В последнее время проблемы безопасности затрагивают все больше и больше предприятий. Не стала исключением и Восточно-Сибирская железная дорога. С увеличением объема железнодорожных перевозок возникла острая необходимость обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. С развитием цифровых технологий эта задача может быть решена внедрением системы видеонаблюдения (английская аббревиатура CCTV — Closed Circuit TeleVision — Системы замкнутого телевидения). За последние годы видеонаблюдение становится неотъемлемой частью комплексной системы безопасности объекта, поскольку современное оборудование позволяет не только наблюдать и записывать видео, но и программировать реакцию всей системы безопасности на возникновение тревожных событий.

В зависимости от типа используемого оборудования системы видеонаблюдения делят на аналоговые и цифровые. Аналоговые системы видеонаблюдения используют там, где необходимо организовать видеонаблюдение в небольшом числе помещений и информацию с видеокамер записывать на видеомагнитофон. Для обеспечения безопасности особо ответственных или территориально-распределенных объектов используют цифровые системы видеонаблюдения, которые, как правило, интегрируются в комплексные системы безопасности.

Цифровая система видеонаблюдения применяется в системах безопасности территориально-распределённых объектов, а также в комплексах управления безопасностью глобальных компаний. Сегодня цифровые технологии видеонаблюдения постепенно «теснят» аналоговые системы по функциональным и техническим характеристикам, но по своей цене они превосходят стоимости аналоговых систем видеонаблюдения.

Функции, характеристики и комплектация системы видеонаблюдения зависят от требований, предъявляемых заказчиком к безопасности объекта. Как правило, минимальная конфигурация такой системы включает в себя: видеокамеры, устройства обработки видеосигналов (квадраторы, мультиплексоры и др.), записывающее устройства (видеомагнитофоны, видеорегистраторы, видео рекордеры) и устройства отображения видеоинформации (видеомониторы). В более крупные системы видеонаблюдения устанавливают дополнительные управляющие и вспомогательные устройства — матричные коммутаторы, клавиатуры управления видеокамерами, видеопринтеры, усилители-распределители, модуляторы, телеметрические приемники и передатчики и другие охранные устройства.

Постановка задачи Руководством ЗАО «Инэкс Групп Сервис» мне было предложено разработать проект на систему видеонаблюдения за проходящими поездами на железнодорожной станции города Тайшет Иркутской области. В функции данной системы входит контроль за безопасностью движения поездов, за сохранностью стоящих поездов, предупреждения аварийных ситуаций, а также для фиксирования номеров поездов. В связи с этой задачей необходимо изучить составляющие систем видеонаблюдения и линий связи компонентов. Выбор оборудования согласовать с управлением станции, а также со службами НИС, ША, ШЧ.

1. Основные составляющие систем видеонаблюдения

Видеокамеры Камеры являются главным элементом любой системы видеонаблюдения, поскольку именно они формируют изображение, которое передается на видеомониоры, видорегистраторы, квадраторы, мультипплексоры или другое оборудование. В большинстве случаев выбор типа камеры наблюдения определяется, требованиями, которые предъявляются к системе видеонаблюдения. В то же время, чаще всего в CCTV применяются черно-белые камеры, имеющие, как правило, высокую чувствительность и разрешение. Цветные камеры наблюдения используют в системах CCTV объектов, для которых наблюдение в цвете является одним из главных требований. Они имеют более низкое по сравнению с черно-белыми камерами разрешение и чувствительность, но позволяют лучше идентифицировать объект наблюдения. Для повышения чувствительности цветные камеры наблюдения ряда производителей автоматически переходят в черно-белый режим при уменьшении освещенности.

Рисунок 1 — Пример видеокамеры Рисунок 2 — Пример видеокамеры При выборе конкретной модели камеры для CCTV следует знать основные характеристики камеры наблюдения, которые определяют ее функциональные возможности, назначение и цену.

ПЗС-матрица камеры наблюдения Наиболее важным элементом любой современной камеры, который формирует изображение, является матрица на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Она представляет собой прямоугольную полупроводниковую пластину с множеством самостоятельных светочувствительных ячеек на поверхности — пикселей. Изображение фокусируется объективом камеры на ПЗС-матрицу и попадающий на полупроводник свет возбуждает в нем электроны. Возбужденные электроны из каждого пикселя последовательно перемещаются в считывающее устройство и формируют видеосигнал, который в дальнейшем усиливается и обрабатывается электронной системой камеры наблюдения.

Формат ПЗС-матрицы Знание формата камеры наблюдения позволяет правильно выбрать для нее объектив. Формат — это округленное значение диаметра передающей трубки, которая дает такое же изображение, как и данная ПЗС-матрица (в дюймах). Существуют форматы 1″, 2/3″, ½″, 1/3″ и ¼″. Наиболее часто в камеры наблюдения устанавливают матрицы формата 1/3″. Чем больше размер матрицы по диагонали, при неизменном количестве пикселей, тем меньше их взаимное влияние, меньше уровень шумов и выше качество получаемого видеосигнала. В последнее время реже используется матрицы форматов 1″ и 2/3″ по причине дороговизны самих матриц и оптики, которая должна иметь соответственно большие размеры линз и оправ.

Разрешение камеры наблюдения Разрешение любой камеры измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ, TVL). При этом различают разрешение камеры наблюдения по горизонтали и по вертикали. Разрешение по горизонтали — это максимальное число вертикальных линий, которое способна передать камера, например, на видеомониторы. Оно определяется в первую очередь количеством пикселей по горизонтали в ПЗС-матрице, а также электронной схемой камеры. Как правило, этот параметр не превышает число пикселей в строке умноженное на 0,75. Разрешение по вертикали определяется телевизионным стандартом — способом кодирования изображения в электронном виде. В России используются стандарты ССIR (для черно-белых камер) и PAL (для цветных камер). Оба стандарта подразумевают 625 строк по вертикали.

Чувствительность камеры наблюдения Чаще всего под чувствительностью камеры понимают минимальную освещенность зоны наблюдения, при которой на выходе камеры формируется видеосигнал с амплитудой 1 В и определенной глубиной модуляции при установленном отношении сигнал/шум. Кроме этого, если указано относительное отверстие объектива, при котором замерена чувствительность, то можно пересчитать количество света, падающее на ПЗС матрицы для объективов с различным относительным отверстием и сравнить чувствительность камер наблюдения. При оценке чувствительности, также надо учитывать отражательную способность объекта, т.к. светлые предметы в темноте видны лучше, чем темные.

Автоматическая регулировка усиления ПЗС-матрица камеры наблюдения не всегда формирует сигнал достаточной амплитуды, поэтому наличие в камере автоматической регулировки усиления (АРУ) позволяет довести выходной сигнал до уровня 1 В. Однако следует учитывать, что, усиливая видеосигнал, АРУ в равной степени усиливает и шумы, оставляя соотношение сигнал/шум неизменным.

Автодиафрагма и автоэлектронный затвор В большинстве случаев камеры наблюдения работают в условиях часто меняющейся освещенности объектов наблюдения. Поэтому для получения качественного видеосигнала с камеры необходимо поддерживать на определенном уровне количество квантов света, попадающих на ПЗС-матрицу в период между двумя последовательными считываниями. В этом случае автодиафрагма камеры наблюдения меняет освещенность ее ПЗС-матрицы, изменяя размер входного отверстия оптической системы объектива. А электронный затвор камеры изменяет время, за которое накапливается заряд в ПЗС-матрице. Таким образом, регулируя время накопления заряда от 1/50 с. до 1/100 000 с., можно отрабатывать изменения освещенности в 2000 раз.

Отношение сигнал/шум Соотношение сигнал/шум говорит о качестве выходного видеосигнала камеры наблюдения. Оно измеряется в децибелах (дБ) и численно равно десятичному логарифму отношения амплитуды напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению напряжения фона, умноженному на 20. Визуально шум проявляется в виде «снега» на изображении с камеры. При отношении сигнал/шум 45 дБ шум практически не заметен.

Высокое соотношение сигнал/шум камеры наблюдения, а, следовательно, и качественная видеокартинка, достигаются достаточным уровнем освещенности объекта наблюдения, светосильной оптикой, использованием высококачественной матрицы ПЗС и цифровой фильтрацией шумов в электронных схемах камеры наблюдения.

Компенсация встречной засветки В системах наблюдения очень часто необходимо передать темные участки изображения на ярком фоне. Например, если навстречу камере наблюдения выезжает автомобиль с включенными фарами, то на изображении будут видны только два ярких пятна от фар. Наличие в камере компенсации встречной засветки позволяет устранить этот недостаток. В простейшем случае электронная система камеры наблюдения устанавливает автодиафрагму, электронный затвор и АРУ не по средней освещенности изображения, а по его части. Это может быть центр или область, которая задается программно. Тогда на видеомонитор будут передаваться два предельно ярких пятна от фар, а также изображение автомобиля при нормальной контрастности. Некоторые камеры наблюдения имеют АРУ, которая при обработке сигнала устраняет или ослабляет очень яркие участки изображения, поэтому все изображение будет примерно одинаковой яркости. В отличие от аналоговых, цифровые камеры наблюдения имеют электронный затвор, который выборочно выставляет различные времена экспозиции для различных частей изображения, поэтому все изображение получается одинаковой яркости и со всеми деталями.

Эффект заплывания изображения камеры При встречной засветке некоторые области ПЗС-матрицы камеры наблюдения оказываются очень сильно освещенными. Количество накопленного в этих областях заряда может оказаться таким, что он будет перетекать в соседние участки матрицы, вызывая эффект заплывания изображения. Для устранения этого эффекта созданы специальные ПЗС-матрицы, которые не накапливают заряд больше определенной величины.

Баланс белого Для того чтобы камера наблюдения точно передавала цвет объекта, независимо от источника освещения объекта, видеосигнал обрабатывается системой баланса белого. Параметры настройки баланса белого могут устанавливаться автоматически или вручную. При автоматическом балансе белого камера наблюдения определяет эти параметры однократно и потом использует их при дальнейшей работе. Если освещение объекта часто меняется в течение суток, то применяют камеры наблюдения с автоматическим отслеживанием баланса белого. Такие камеры непрерывно корректируют параметры настройки баланса белого.

Гамма-коррекция Многие видеомониторы обладают нелинейной зависимостью яркости свечения люминофора ЭЛТ от напряжения видеосигнала, поступающего с камеры наблюдения. Система гамма-коррекции камеры изменяет исходный видеосигнал так, чтобы компенсировать эту нелинейность. В результате изображение получается с верной контрастностью.

1.1 Трансфокаторы для видеокамер

Трансфокатор — это объектив с переменным фокусным расстоянием, состоящий из собственно объектива и расположенной перед ним телескопической насадки переменного увеличения. Плавное изменение фокусного расстояния трансфокатора в заданном диапазоне достигается механическим перемещением оптических компонентов телескопической насадки. Трансфокатор CCTV позволяет многократно приближать область сильно удаленного объекта видеонаблюдения для получения его детального изображения.

Рисунок 3 — Трансфокатор для видеокамеры Наблюдение за движущимися объектами Как правило, трансфокаторы CCTV устанавливаются на видеокамеры, размещенные на поворотном устройстве. Такая комбинация видеокамеры и трансфокатора позволяет эффективно наблюдать за движущимися объектами. При этом трансфокатор обеспечивает изображение объекта видеонаблюдения как общим планом, так и всех его деталей.

Угол обзора Угол обзора видеокамеры определяется значением фокусного расстояния трансфокатора и размером CCD фоточувствительной матрицы видеокамеры. Поэтому каждый трансфокатор рекомендуется применять с CCD матрицей того размера, для которого он предназначен. Видеокамеры массового производства имеют матрицы размером 1/3 и ½ дюйма.

Фокусное расстояние Трансфокаторы CCTV бывают с ручным и дистанционным управлением фокусным расстоянием. Так трансфокаторы с ручным управлением применяются в системах, где при монтаже видеокамеры еще не известен угол обзора и впоследствии требуется однократная точная настройка границ видеонаблюдения. Трансфокаторы с дистанционным управлением фокусным расстоянием устанавливаются на видеокамеры, управляемые оператором, поскольку они позволяют настраивать угол обзора при слежении за движущимся объектом.

Кратность увеличения Одной из основных характеристик трансфокатора CCTV является кратность увеличения, определяемая отношением максимального фокусного расстояния к минимальному. Наиболее совершенные оптические трансфокаторы имеют кратность изменения фокусного расстояния 30 и более раз. В сочетании с цифровым увеличением изображения в видеокамере результирующая величина этого параметра может достигать нескольких сотен.

Светосила Другой не менее важной характеристикой трансфокатора CCTV является светосила (апертура), которая определяется отношением фокусного расстояния трансфокатора к диаметру его передней линзы. Чем выше апертура, тем больше света пропускает трансфокатор и тем при меньшей освещенности видеокамера обеспечивает качественное изображение объекта. Высококлассные трансфокаторы имеют относительное отверстие F1,0 -F1,4.

Диафрагма С помощью диафрагмы регулируется диапазон светопропускания трансфокатора CCTV, что обеспечивает постоянный уровень освещенности CCD матрицы видеокамеры. Регулировка диафрагмы трансфокатора может осуществляться в ручном или автоматическом режиме. Трансфокаторы с ручной регулировкой диафрагмы применяются, как правило, для комнатных видеокамер CCTV. На уличные видеокамеры CCTV устанавливают трансфокаторы с автоматической диафрагмой, поскольку при значительных изменениях освещенности они обеспечивают высокое качество изображения. В зависимости от способа управления трансфокаторы с автодиафрагмой делятся на трансфокаторы управляемые постоянным током (DC) и трансфокаторы с управлением по видеосигналу (Video). Также производятся трансфокаторы с дистанционным управлением фокусом, регулировка диафрагмы которых осуществляется оператором с пульта.

1.2 Квадраторы системы видеонаблюдения

Квадраторы (quad compressor) предназначены для одновременного отображения на экране монитора видеонаблюдения изображений от нескольких, обычно 4 видеокамер, в режиме реального времени. Квадратор делит экран монитора видеонаблюдения на четыре прямоугольные области, в каждой из которых помещается изображение от видеокамеры, подключенной к соответствующему видеовходу квадратора. Одновременно с выводом видеоинформации на монитор, квадрированные изображения через квадратор поступают на видеомагнитофон. Как правило, квадраторы устанавливают в небольшие системы видеонаблюдения офисов, магазинов, гаражей, автостоянок и пр.

Цифровая обработка аналогового видеосигнала Поступающий в квадратор аналоговый видеосигнал сначала оцифровывается, а затем сжимается до размера соответствующей области экрана. На выходе квадратор формирует аналоговый видеосигнал, в котором представлены видеосигналы всех четырех квадрантов. Современные квадраторы, как правило, оцифровывают видеосигналы и выдают окончательное изображение размером 512×512 или 1024×1024 пикселей. Ввиду того, что картинок на экране четыре, количество пикселей каждого изображения в четыре раза меньше, чем полноэкранного. И, следовательно, качество каждого изображения, которое передается на монитор видеонаблюдения и записывается на видеомагнитофон, заметно хуже, чем полноэкранного.

Квадраторы, переключаемые в полноэкранный формат, обрабатывают видеосигнал по-разному. В наиболее простых моделях квадраторов одно из четырех ранее оцифрованных изображений просто растягивается на весь экран. В более дорогих моделях в полноэкранном режиме видеосигнал оцифровывается с максимальным возможным для данной модели разрешением.

1.3 Мультиплексоры / видео мультиплексоры

Мультиплексоры — это устройства, предназначенные для работы в составе системы видеонаблюдения. Классические мультиплексоры выполняют мультиплексирование (переключение) по времени входящих на них видеосигналов с нескольких камер видеонаблюдения и формируют два типа выходных видеосигналов: один для просмотра на мониторе видеонаблюдения, другой для записи на видеомагнитофон (видеорекордер).

Рисунок 4 — Пример мультиплексора Видеосигналы, поступающие с выхода мультиплексора на видеомонитор, одновременно формируют на его экране изображения со всех видеокамер. Так если к мультиплексору подключено 16 видеокамер, то на экране видеомонитора будут отображаться видеоизображения с каждой видеокамеры, по одному в каждом из 16 окон. В то же время оператор может выбрать любую видеокамеру для полноэкранного отображения ее видеоинформации на видеомониторе.

Одновременно с этим, на выходе мультиплексора, подключенного к видеомагнитофону, формируются разделенные по времени мультиплексированные видеосигналы со всех видеокамер, выбранных для записи. В этом случае принцип работы мультиплексора аналогичен принципу работы последовательного коммутатора. При этом мультиплексор обрабатывает видеосигналы таким образом, что каждый следующий кадр, посылаемый на видеомагнитофон или устройство цифровой записи, исходит от следующей, как правило, по порядку подключенной к нему видеокамеры. Мультиплексоры, позволяющие либо производить обработку видеоизображений (мультиплексирование) для записи на видеомагнитофон, либо просматривать изображения подключенных видеокамер, получили название — симплексный видеомультиплексор.

Дуплексные мультиплексоры Архитектура и принцип работы симплексного мультиплексора не позволяют ему выполнять одновременно две вышеперечисленные функции. Одновременное выполнение этих задач реализуют дуплексные мультиплексоры, представляющие собой два мультиплексора в одном корпусе. Один мультиплексор предназначен для записи видеоинформации на видеомагнитофон или устройство цифровой записи, а другой для воспроизведения на видеомониторе «живого» видео или ранее сделанных видеозаписей.

Работа мультиплексора в компьютерной сети Практически все дуплексные мультиплексоры имеют сетевые карты и могут подключаться к сети Ethernet. При этом будет возможен просмотр на компьютере видеозаписей и видеофрагментов, хранящихся на мультиплексоре, с возможностью их передачи по электронной почте, последующим сохранением и печатью.

В то же время, через порт RS-485, который присутствует у всех мультиплексоров, дуплексные мультиплексоры можно объединять в сеть и управлять ими с помощью одной клавиатуры. В конечном итоге можно построить систему видеонаблюдения, объединяющую до нескольких сотен видеокамер.

Триплексные мультиплексоры Для того чтобы одновременно производить запись видеоинформации, а также просматривать на одном мониторе видеонаблюдения комбинацию из «живого» видео и сделанных ранее видеозаписей, применяются триплексные мультиплексоры.

Современное программное обеспечение и триплексный мультиплексор обеспечивает одновременное видеонаблюдение на видеомониторе «живого» видео до 64 камер, высококачественную цифровую запись на жесткий диск информации с этих камер и воспроизведение ранее записанных видеофрагментов.

Компьютерное управление видеокамерами

Используя компьютер и сетевой триплексный мультиплексор, оператор системы видеонаблюдения может контролировать подсоединённые к мультиплексору поворотные устройства и камеры, производить перефокусировку объектива, формировать и активировать предустановки видеокамер. Иными словами, все, что раньше делалось с помощью клавиатуры управления, теперь выполняется с помощью триплексного мультиплексора и персонального компьютера. Экранное меню мультиплексора позволяет производить поиск видеофрагментов по сигналу тревоги, времени, дате, номеру видеокамеры.

Достоинства современных триплексных мультиплексоров Настройка мультиплексора и управление камерами видеонаблюдения через LAN-сеть [Ethernet/ Internet];

Цифровая запись видео, просмотр «живого» изображения и видеозаписи, сделанной ранее, производится одновременно;

Настройка качества записи для каждой подключенной камеры;

Прямое и реверсивное воспроизведение видеозаписей с различной скоростью;

Мгновенный доступ к видеозаписям, быстрый поиск по дате, времени, номеру камеры, сигналу тревоги;

Автоматическое включение записи по сигналу тревоги;

Одновременный просмотр изображения на двух мониторах в мультиэкранном формате;

Встроенный детектор движения, программируемый для каждой камеры.

Синхронизация кадров в мультиплексоре Получая на видеовходы сигналы от различных видеокамер, мультиплексор должен выстроить во времени цепочку по одному кадру от каждой видеокамеры в заданном порядке. Все входящие видеосигналы обрабатываются в мультиплексоре цифровым сигнальным процессором и синхронизируются им в единую последовательность кадров. Ввиду того, что сигналы от различных видеокамер могут приходить на мультиплексор не одновременно, кадры, имеющие задержку относительно обрабатываемого сигнала, могут быть процессором пропущены. Поэтому достаточно часто в мультиплексоры устанавливают по два процессора синхронизации сигналов на четные и нечетные кадры, в результате чего производится цифровое запоминание и правильная их синхронизация без пропусков.

1.4 Многофункциональные матричные коммутаторы

При создании крупной системы видеонаблюдения (CCTV) или при расширении уже действующей системы, специалисты в области видеонаблюдения используют, как правило, матричные коммутаторы.

При большом числе устройств системы видеонаблюдения — телекамер, мониторов, устройств видеозаписи, мультиплексоров и др. — возникает задача централизованного управления и контроля работы оборудования, которую решают матричные коммутаторы. Современные коммутаторы позволяют автоматически отслеживать ситуацию на объекте, выводить изображение с камер наблюдения на заданные видеомониторы или устройства видеозаписи, и оперативно перенаправлять сигналы тревоги с охранных датчиков по заранее запрограммированным алгоритмам. В большинстве случаев матричные коммутаторы позволяют создать удобную и легко наращиваемую систему видеонаблюдения.

Назначение матричного коммутатора в системе видеонаблюдения Если говорить упрощенно, то матричные коммутаторы позволяют перенаправить любой входящий сигнал на любой свой выход. Теоретически матричный коммутатор можно представить в виде двухмерной матрицы: вертикальные строчки которой определяют входы, а горизонтальные — выходы на компоненты системы видеонаблюдения. Количество элементов такой матрицы будет определять число возможных вариантов соединения оборудования в системе. Элементы матричного коммутатора представляют собой электронные переключатели, которые дают возможность в любой момент времени соединять между собой элементы системы видеонаблюдения, сохраняя при этом режим согласования нагрузки. Например, соединить телекамеры, подключенные ко входу матричного коммутатора, с мониторами системы видеонаблюдения, которые подключены к его выходам. При этом изображение от одной камеры матричный коммутатор может вывести сразу на несколько мониторов или выводить последовательно на один монитор изображения с нескольких видеокамер. Кроме этого, матричные коммутаторы переключают сигналы тревоги с охранных датчиков, а также выполняют многие другие заранее запрограммированные функции.

Где используются матричные коммутаторы Как правило, матричные коммутаторы устанавливают в системы видеонаблюдения с числом телекамер более 16. В своем составе матричные коммутаторы имеют блоки управления телекамерами, мультиплексорами, устройствами цифровой видеозаписи, а также они оснащены входами и выходами для подключения охранной сигнализации. Кроме этого матричные коммутаторы могут иметь аудио входы/выходы, программное обеспечение для управления с компьютера и позволяют наращивать число входов/выходов путем добавления модулей.

Простота расширения и наращивания системы видеонаблюдения При использовании матричного коммутатора, система видеонаблюдения легко наращивается, поскольку число дополнительных входов увеличивается за счет добавления дополнительных модулей коммутатора. При этом различные модули могут быть объединены в единую систему, даже если они находятся на территориально удаленных объектах. В этом случае число устройств, подключаемых к матричному коммутатору, может быть огромным — до нескольких тысяч на входах и до нескольких сотен на выходах.

Генерация текстовой информации, накладываемой на видеосигнал Для идентификации устройств в системе видеонаблюдения и записей в видеоархиве, многие матричные коммутаторы имеют генератор текста, который позволяет добавлять текст к видеоизображению. Генератор текста может накладывать на изображение телекамеры текущую дату и время, идентификационный номер телекамеры и другую информацию.

Программирование матричных коммутаторов Поскольку матричные коммутаторы оснащены микропроцессорами, они позволяют решать достаточно сложные задачи по управлению системой видеонаблюдения. При этом коммутаторы обладают широкими возможностями программирования различных функций.

Как правило, матричные коммутаторы системы видеонаблюдения программируются на следующие функции: последовательность вывода сигналов от телекамер на мониторы, алгоритм работы в случае срабатывания датчиков охранной сигнализации, система паролей для получения информации изменения настроек системы видеонаблюдения, программы управления поворотными устройствами и трансфокаторами телекамер.

Управление матричными коммутаторами Несмотря на то, что матричные коммутаторы работают с большим числом устройств и обладают широким спектром регулировок, они просты в настройке и имеют дружественный интерфейс. В больших системах матричные коммутаторы работают с выносными клавиатурами и могут управляться несколькими операторами. Для исключения разногласий при одновременном управлении с различных пультов предусмотрена система паролей и приоритетов. Выносные клавиатуры выпускаются в различных конфигурациях и позволяют управлять не только матричным коммутатором, но и телекамерами, устройствами записи и др.

Ряд производителей оснащают матричные коммутаторы портом для подключения к компьютеру, через который коммутаторы могут управляться дистанционно по сети. Многие матричные коммутаторы можно настраивать и без использования компьютера, однако использование программного обеспечения, совместимого с операционной системой Windows, значительно упрощает их конфигурирование.

Управление поворотными устройствами и трансфокаторами телекамер через коммутатор Если камера оснащена телеметрическим приемником, то через матричные коммутаторы можно дистанционно управлять ее поворотным устройством, трансфокатором, а также фокусом и диафрагмой. При этом матричные коммутаторы могут иметь (в комплекте или опционально) специальный модуль управления, который обменивается с телеметрическим приемником камеры цифровой информацией. Настройку телекамер выполняют по заданной программе или вручную, с помощью имеющихся на клавиатурах джойстиков или кнопок.

1.5 Сетевые видеосерверы

Видеосервер — это устройство, предназначенное для работы в составе аналогово-цифровой системы видеонаблюдения и преобразования аналогового видеосигнала в цифровой формат для последующей передачи его по компьютерной сети или записи на жесткий диск или другой цифровой носитель информации.

Рисунок 5 — Видеосервер (вид спереди) Рисунок 6 — Видеосервер (вид сзади) Видеосерверы применяются там, где уже работает аналоговая система видеонаблюдения, если есть необходимость в передаче изображения с одной или нескольких аналоговых камер по сети или записи его на жесткий диск. Можно включить видеосервер в систему видеонаблюдения сети магазинов, аэропорта, вокзала, банка, крупного офисного помещения или детского сада. Оператор системы видеонаблюдения или ответственный сотрудник фирмы может просматривать поступающее на видеосервер изображение через корпоративную или глобальную сеть практически из любой точки, а также управлять по сети поворотным устройством и трансфокатором подключенной к видеосерверу видеокамеры.

Архитектура и принцип работы видеосервера В видеосервере реализованы все необходимые для обработки и передачи видеоизображения компоненты. В зависимости от разрешения картинки и пропускающей способности сети, видеосервер может передавать по сети Ethernet видеоизображение со скоростью до 25 кадров в секунду в формате PAL. На вход видеосервера поступают аналоговые сигналы от одной или нескольких аналоговых видеокамер, которые затем оцифровываются и сжимаются. В состав видеосервера входит веб-сервер, который позволяет передавать потоковое видео или последовательность кадров по сетям LAN/WAN/Internet.

Рисунок 7 — Принцип работы видеосервера Видеосервер — это комплексное устройство, которое включает в себя следующие блоки обработки/передачи изображения (рис. 8): блок оцифровки изображения, блок сжатия, веб-сервер, интерфейсы для подключения к сети и последовательные порты.

Рисунок 8 — Строение видеосервера Оцифровка аналогового видеосигнала Изображение с аналоговой видеокамеры сначала поступает в блок оцифровки видеоизображения — на интегрированную в видеосервер плату видеозахвата, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Типом платы видеозахвата определяется такой параметр, как стандарт сигнала цветности (PAL/NSTC), с которым работает видеосервер. Плат видеозахвата может быть несколько, и от этого зависит, сколько камер можно подключить к видеосерверу.

Сжатие видеоизображения в видеосервере Оцифрованный видеосигнал передается в блок компрессии, где происходит преобразование видео в один из форматов сжатия. Процесс сжатия может быть реализован в видеосервере аппаратно или программно. Видеосерверы с программной реализацией сжатия дешевле, но в них обработка сигнала происходит с задержкой, которая обусловлена повышенной нагрузкой на центральный процессор. В приложениях, где необходимо создание системы видеонаблюдения реального времени, лучше использовать видеосервер с аппаратной реализацией компрессии.

Центральный процессор видеосервера Вычислительным ядром видеосервера является центральный процессор, осуществляющий операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечающий за выполнение программ веб-браузера и встроенного программного обеспечения (например, драйверов для позиционеров Pan/Tilt/Zoom, осуществляющих управление поворотным устройством камеры и фокусным расстоянием объектива).

Подключение видеосервера к сети Прямое подключение видеосервера к локальной сети осуществляется через интерфейс для Ethernet. Чаще всего видеосерверы имеют 10BaseT или 100BaseTX интерфейс для подключения к сети.

Управление поворотными устройствами видеокамер через видеосервер Последовательные порты (R-232 и RS-485) позволяют управлять через видеосервер позиционерами Pan/Tilt/Zoom или подключать к видеосерверу периферийное оборудование (например, видеомагнитофон длительной записи). Если необходимо установить удаленное соединение видеосервера с сетью Internet, то через последовательный порт можно также подключить модем.

Обновление программного обеспечения видеосервера и хранение информации Флэш-память служит для хранения программного обеспечения, управляющего работой видеосервера: операционной системы, управляющих программ, различных приложений и пользовательских HTML-страниц.

ОЗУ видеосервера ОЗУ служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении программ. В большинстве видеосерверов некоторая часть ОЗУ (от 2 до 8 Мб) представляет собой так называемый видеобуфер, куда записываются текущие видеокадры.

Передача и хранение видеоинформации Суммарная скорость передачи данных зависит от нескольких факторов, таких как количество подключенных к видеосерверу видеокамер и выбранный уровень качества видеоизображения, а также от способа подключения видеосервера к сети. Существенное влияние на этот параметр может оказать реализованный в видеосервере алгоритм сжатия. Например, MPEG-4 или Wavelet позволяют передавать высококачественное изображение даже по низкоскоростным сетям, тогда как JPEG предъявляет довольно высокие требования к полосе пропускания.

Оцифрованный и сжатый видеосигнал может храниться на жестких дисках и картах флэш-памяти, что значительно облегчает (по сравнению с записью на магнитной ленте) процесс поиска информации. При заполнении диска устаревшая видеоинформация может удаляться, освобождая место для новых кадров.

Количество подключаемых к видеосерверу видеокамер Число каналов видеосервера может варьироваться для разных моделей от одной до шестнадцати. Этот параметр зависит от числа интегрированных в видеосервер плат видеозахвата.

Алгоритм сжатия Используемый в видеосервере алгоритм сжатия определяет качество видеоизображения и влияет на скорость передачи видео по сети. Для получения оцифрованного потока с полосой пропускания 64 Кб — 2 Мб в видеосерверах используются алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном или вейвлет-преобразовании. Видеосерверы, сжимающие видео в формат Wavelet (например, видеосерверы DX-VS1UE компании Mitsubishi Electric), обеспечивают гораздо больший коэффициент сжатия, чем видеосерверы, использующие алгоритм JPEG или MJPEG, обеспечивая высокое качество видео при относительно небольшом объеме передаваемых данных.

Скорость передачи видеоизображения видеосервером

Это параметр зависит от разрешения передаваемых кадров, используемого алгоритма сжатия и количества подключенных к видеосерверу камер. В технических характеристиках на видеосерверы, как правило, приводится таблица соответствия разрешения кадра и скорости передачи видеоизображения. Например, кадры с разрешением 640×480 пикселей могут передаваться со скоростью 5 кадров в секунду, тогда как скорость передачи видео с более низким разрешением может достигать 25 кадров в секунду.

Поддерживаемые сетевые протоколы

Видеосерверы поддерживают большинство стандартных интернет-протоколов — TCP/IP, UDP, SMTP, IGMP, ARP, RAPP, FTP и другие. В некоторых видеосерверах реализованы дополнительные сетевые функции, такие как Auto-Negotiation, которая оптимизирует скорость передачи видеопотока по сети, а также функция многоадресной передачи (видео сервер VN-A1U компании JVC).

Программное обеспечение видеосервера Просмотр видеоизображения и управление видеокамерой при наличии видеосервера можно осуществлять с любого сетевого компьютера, на котором установлен стандартный веб-браузер. Тем не менее, многие фирмы-производители поставляют вместе с видеосерверами эксклюзивное программное обеспечение, помогающее удаленно просматривать видеоинформацию, осуществлять настройку различных параметров камер, а также обновлять управляющее программное обеспечение видеосервера. Как правило, такое программное обеспечение совместимо только с видеосерверами и другим сетевым оборудованием того же производителя. Например, компания JVC Professiоnal комплектует свой видео сервер VN-A1U программным обеспечением, которое отображает для администратора все сетевые устройства видеонаблюдения.

1.6 Декоративные, защитные и уличные термокожухи и кожухи для видеокамер

Кожухи предназначены для защиты видеокамер от пыли, атмосферных осадков, вандалов и обогрева видеокамеры зимой. В зависимости от условий эксплуатации видеокамеры, применяются декоративные, уличные кожухи и термокожухи, а так же специальные кожухи для работы в экстремальных условиях.

Рисунок 9 — Термокожух Декоративные кожухи Эти кожухи устанавливают на видеокамеры, работающие в помещениях. Они предназначены для скрытия видеокамеры под видом, как правило, плафона освещения. Так, например, сферические кожухи (купола) с затемненным или зеркальным окном позволяют скрыть не только видеокамеру, но и направление видеонаблюдения. При установке видеокамеры на подвесном потолке, ее защитный кожух будет иметь малые габариты, поскольку большая часть видеокамеры находится над подвесным потолком. Пылезащитные кожухи защищают видеокамеру и ее объектив от оседания пыли, копоти и прочих мелкодисперсных частиц.

Рисунок 10 — Декоративный кожух Антивандальные кожухи

Устанавливаются на видеокамеры, работающие в местах с высокой вероятностью их повреждения или уничтожения. Как правило, в такие кожухи помещают видеокамеры, выполняющие видеонаблюдение на вокзалах, особо ответственных объектах или в зоне складов. Антивандальные кожухи изготавливают из твердых сплавов и они имеют ударопрочное бронестекло. Некоторые комнатные кожухи оснащают нагревателями, которые препятствуют запотеванию стекла и предназначены для работы в неотапливаемом или влажном помещении.

Уличные кожухи

На видеокамеры, работающие вне помещения, устанавливают специальные уличные кожухи, которые защищают видеокамеру CCTV от дождя, снега, пыли, а зимой от низких температур, поскольку видеокамеры большинства производителей работают в диапазоне от -10 до +40 ° С.

Рисунок 11 — Защитный термокожух В условиях русской зимы на уличные видеокамеры устанавливают уличные кожухи с подогревом (термокожухи). Эти термокожухи имеют встроенные нагреватели с термостатом, включающимся при низких температурах. Для улучшения теплоотвода при высоких температурах термокожухи некоторых моделей имеют вентилятор с автоматическим включением при +30 ° С. Все уличные кожухи обеспечивают защиту видеокамеры CCTV от дождя, с разной степенью проникновения внутрь влаги, например, с защитой от потоков воды сверху с отклонением в пределах до 60 ° по вертикали или обеспечивающие полную защиту от струй воды любого направления.

Рисунок 12 — Пример установки видеокамеры в термокожух Прозрачность окна кожуха обеспечивает постоянно включенный нагреватель, который препятствует запотеванию стекла летом и образованию на нем льда зимой. Специальные омыватели наружной поверхности стекла очищают его от пыли и грязи, а через контакты заземления корпуса уличного кожуха устраняется статический электрический заряд, усиливающий образование конденсата. Козырек уличного кожуха защищает стекло от прямого солнечного света днем и от переохлаждения ночью. Классификация степеней защиты от пыли и воды приведена в приложении 2.

Основные характеристики на защитные кожухи

Размеры кожуха определяют максимальный размер помещаемой в него видеокамеры с объективом. Вес кожуха учитывается, если видеокамера устанавливается на поворотное устройство. По степени защиты, кожухи классифицируются международным стандартом и имеют в названии модели двухразрядные номера: IP <�первая цифра><�вторая цифра>. При этом первая цифра показывает степень защиты от проникновения посторонних предметов (практически всегда стоит максимальный уровень защиты 6), вторая — степень проникновения влаги. Так, например, кожухи с классом защиты IP65 — отлично защищены от механических воздействий, а также от проникновения потоков воды. Мощность нагревателя, устанавливаемого в такой термокожух, выбирается из условия, что при низких температурах на улице (для России нижний предел составляет -45 °C) внутри термокожуха должна поддерживаться оптимальная для работы видеокамеры температура. При этом, если мощности встроенного в термокожух нагревателя не хватает, устанавливают дополнительный нагревающий элемент.

Защита камер от механических воздействий и потоков воды Защитный термокожух представляет собой компактное устройство, состоящее из съемной, удерживаемой на петлях основной части, и элементов для подводки кабелей. Износоустойчивые прокладки термокожуха обеспечивают надежную защиту камеры от попадания пыли и воды.

Поддержание оптимального микроклимата внутри термокожуха Поскольку большинство камер имеют ограниченный диапазон рабочих температур, термокожух должен обеспечивать необходимый для ее нормальной работы температурный режим. При этом, выбирая термокожух, следует учитывать, что он должен согревать камеру при низких температурах и не допускать ее перегрева при высоких. Например, термокожух Videotec HEM 26K1 имеет встроенный обогреватель мощностью 40 Вт, который автоматически включается при температуре ниже 14 °C и выключается при температуре более 20 °C. Солнцезащитный козырек термокожуха препятствует попаданию прямых солнечных лучей на объектив камеры, а также защищает саму камеру от перегрева, если она установлена на открытом месте.

Дополнительное оборудование для термокожуха Защитные термокожухи могут комплектоваться вентилятором, источником питания и соединительной коробкой. При этом вентилятор способствует улучшению теплообмена при высоких температурах. Он автоматически включается при высокой температуре и выключается при низкой. Источник питания обеспечивает подачу 12 В постоянного тока и 24 В переменного тока.

Все это позволяет устанавливать термокожух с телекамерой на улице, где термокожух обеспечивает стабильную работу камеры в российских климатических условиях, с диапазоном температур от -45 до +60єC.

1.7 Алгоритмы сжатия видео изображения

видеосервер термокожух чувствительность диафрагма В современных технологиях CCTV наметилась устойчивая тенденция к переходу на цифровое оборудование и сетевые системы видеонаблюдения. Возрастающая популярность цифрового оборудования объясняется не только его высокой функциональностью и удобством хранения видеоинформации, но и реализованной в нем возможностью дистанционного видеонаблюдения и управления как цифровой системой видеонаблюдения в целом, так и отдельными ее составляющими.

Для удобства хранения и передачи по сети видеоизображение подвергают сжатию. Если локальная сеть, с которой работает цифровая система видеонаблюдения, обеспечивает ограниченную полосу пропускания, то целесообразно сократить объем передаваемой информации, посылая меньшее количество кадров в секунду или снизив разрешение кадров. Используемые в цифровых системах видеонаблюдения алгоритмы сжатия обеспечивают разумный компромисс между этими двумя решениями. Для получения оцифрованного потока с полосой пропускания 64 кбит — 2 Мбит (в такой полосе пропускания потоки видеоданных могут работать параллельно с другими потоками данных) применяются алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании сигнала (JPEG, MJPEG, MPEG2, MPEG4, H.263), а также Wavelet и JPEG2000. Эти алгоритмы сжатия видео изображений служат для адаптации цифровых потоков к передаче по компьютерным сетям. На других страницах раздела описаны алгоритмы сжатия, наиболее популярные в цифровых системах видеонаблюдения.

Практически все применяемые в видеонаблюдении алгоритмы сжатия базируются на технологии сжатия с потерями (алгоритм сжатия JPEG 2000 имеет защищенное патентами приложение, которое осуществляет сжатие без потерь), когда после декомпрессии получить изображение первоначального качества практически невозможно. Однако устройство человеческого зрения таково, что при невысокой степени сжатия искажения на полученной картинке не влияют или мало влияют на восприятие. Было установлено, что любое изображение содержит в себе избыточную информацию, не воспринимаемую человеческим глазом. Эта избыточность вызвана сильными корреляционными связями между элементами изображения — изменения от пикселя к пикселю в пределах некоторого участка кадра можно считать несущественными. Кроме того, известно, что человеческий глаз более чувствителен к яркости картинки, чем к цветности. Этот эффект на начальном этапе компрессии используют практически все алгоритмы сжатия, и объем информации на этой стадии сокращается до 2 раз без потери качества картинки.

Современные алгоритмы сжатия: классификация Существующие на сегодняшний день алгоритмы сжатия классифицируются по следующим параметрам.

Потоковые и статические алгоритмы сжатия Потоковые алгоритмы сжатия работают с последовательностями кадров, кодируя разностную информацию между опорными кадрами (алгоритмы сжатия семейства MPEG, алгоритм сжатия JPEG 2000), тогда как статические алгоритмы сжатия работают с каждым изображением в отдельности (алгоритмы сжатия JPEG и MJPEG).

Алгоритмы сжатия с потерями и без потерь данных Рисунок 13 — Пример потери качества изображения при сжатии Если получившееся после декомпрессии изображение полностью (с точностью до бита) идентично исходному, значит используемый алгоритм сжатия осуществляет компрессию без потерь. В CCTV, как правило, используются алгоритмы сжатия с потерями данных. В зависимости от степени сжатия, различают:

Сжатие без заметных потерь с точки зрения восприятия. Как отмечалось выше, в силу своих физиологических особенностей человеческий глаз менее чувствителен к цветоразностной составляющей изображения, чем к яркостной. При невысоких коэффициентах компрессии алгоритмы сжатия дают картинку, которая воспринимается глазом как точная копия оригинала, тогда как данный алгоритм сжатия работает с потерями данных, и полученное после декомпрессии изображение не совпадает с исходным.

Сжатие с естественной потерей качества характеризуется появлением воспринимаемых глазом, но незначительных искажений изображения. Это проявляется в уменьшении детализации сцены, а алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании, могут продуцировать незначительные блочные искажения картинки. Базирующиеся на вейвлет-преобразовании алгоритмы сжатия дают размытость вблизи резких границ, однако такие артефакты даже при довольно больших коэффициентах сжатия мало влияют на процесс зрительного восприятия картинки.

Сжатие с неестественной потерей качества характеризуется нарушением самой важной с точки зрения восприятия характеристики изображения — контуров. При высоких коэффициентах компрессии алгоритм сжатия JPEG вносит в картинку блочные искажения, которые сильно влияют на восприятие изображения человеческим глазом, в то время как алгоритмы сжатия, использующие вейвлет-преобразование, делают изображение «затуманенным», с размытыми контурами, не изменяя их формы. Поэтому алгоритмы сжатия типа Wavelet обеспечивают более высокие по сравнению с алгоритмом JPEG коэффициенты сжатия.

Таблица 1 — Основные характеристики наиболее распространенных алгоритмов сжатия

2. Специальная часть

2.1 Описание объекта наблюдения

Протяженность станции 15 км, ширина станции составляет 3 км. Железнодорожные пути разбиты на участки, называемые парками:

Нечетный сортировочный парк Нечетный отправочный и транзитный парк Нечетный отправочный парк Нечетный парк приема Парк местной работы Четный сортировочный парк Четный приемочный парк Четный парк отправления-прибытия Объектом видеонаблюдения являются железнодорожные пути, где поезда простаивают в ожидании сортировки и отправления, а также проходят обслуживание и проверку.

Расположение данных парков показано на рисунке 14.

2.2 Требования к системе

Руководством железнодорожной станции Тайшет, а также службами НИС, ШЧ, ША были выдвинуты следующие требования:

Система должна передавать изображение на большое расстояние без потери качества;

При выборе оборудования необходимо учесть недостаточную освещенность объекта в ночное время;

Установка оборудования (в том числе и камер видеонаблюдения) должна быть произведена с учетом работающих на объекте служб (НИС, ШЧ, ША);

Камеры видеонаблюдения должны иметь возможность просмотра расстояния 50 метров;

Видеокамеры должны быть установлены в следующих парках:

Нечетный сортировочный парк Нечетный отправочный парк Четный сортировочный парк Четный парк отправления-прибытия Система должна функционировать при температуре от -40оС до +60оС;

Необходимо учесть возможность использования одной камеры несколькими операторами;

Система должна быть интегрирована в сеть передачи данных железной дороги;

Система должна иметь возможность расширения (модернизации) системы видеонаблюдения;

Видеокамеры должны быть защищены от повреждений, в том числе, в какой-то мере, и от вандалов;

Видеокамеры должны иметь возможность удаленного управления;

Линии передачи видеоизображения должны быть защищены от помех.

2.3 Выбор оборудования и обоснование выбора

Видеокамеры Цифровые видеокамеры было решено не использовать ввиду их высокой стоимости. Производители видеокамер совершенствуют не только цифровые, но и аналоговые видеокамеры.

Так как имеет место недостаточная освещенность в ночное время, то необходимо использовать видеокамеры с возможностью ночной съемки. отличным выбором является аналоговая видеокамера Computar GANZ ZC-NH403P.

Рисунок 14 — Видеокамера Computar GANZ ZC-NH403P (вид спереди) Рисунок 15 — Видеокамера Computar GANZ ZC-NH403P (вид сзади) Рисунок 16 — Видеокамера Computar GANZ ZC-NH403P (вид сбоку) Данная модель камеры была выбрана из-за поддержки функции «день и ночь». Благодаря функции автоматического переключения дневного и ночного режимов, она способна выбрать оптимальный режим съемки и обеспечить максимальное качество изображения при любых условиях освещенности.

При дневном свете камера воспроизводит четкие цветные изображения. Система отслеживания баланса белого обеспечивает идеальную передачу цветов. При уменьшении яркости освещения камера автоматически переключается в ночной режим. При этом она достигает чувствительности в 0,03 Люкс (30 IRE, F 1.2), обеспечивая черно-белые изображения высокой контрастности. Цифровое управление диафрагмой позволяет получать равномерно освещенные кадры и, с использованием функции компенсации заднего света, на всех кадрах становятся различимы все детали изображения.

В камере используется цифровой сигнальный процессор, управляющий подстройкой функций камеры и объектива к изменяемым условиям освещенности. Настройка камеры производится с помощью встроенного экранного меню.