Kamery


"Kamera" składa się z: przetwornika "CCD" ("C"harged "C"oupled "D"evice), który przetwarza obraz obiektu na sygnał elektryczny, obiektywu oraz zestawu urządzeń elektronicznych, które dokonują obróbki sygnału elektrycznego. Podstawą do osiągnięcia dobrej jakości obrazu jest dokładność wykonania przetwornika oraz jakość i prawidłowy dobór obiektywu. Automatyka kamery może skorygować sygnał tylko w pewnych granicach, dlatego należy traktować ją jako pożyteczne uzupełnienie.

"W kamerach cyfrowych" wyposażonych w "DSP" ("D"igital "S"ignal "P"rocessing) zamiana sygnału świetlnego na elektryczny odbywa się w sposób tradycyjny, następnie jednak sygnał elektryczny zamieniany jest na postać cyfrową i dalej poddawany obróbce w procesorze sygnałowym. Pojawiają się nowe możliwości takie jak: detekcja ruchu, programowany backlight, zdalne sterowanie przez złącze RS–232, datownik, generator opisu, czy menu ekranowe. Generalnie takie kamery charakteryzują się lepszym kontrastem, często posiadają możliwość redukcji efektu rozmycia jasnych punktów obrazu (efekt taki występuje, kiedy obserwujemy obraz z punktami o bardzo dużej jasności, które są widziane wtedy jako smuga). W najbardziej rozbudowanych kamerach z DSP możliwa jest detekcja zmiany oświetlenia oraz elektroniczny zoom.

"Podstawowe parametry kamer"

"Rozmiar przetwornika." Definiuje wielkość geometryczną przetwornika, wyrażany jest w calach. Spotykane są kamery o przetworniku 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3” i 1/4” 1/6”.

"Czułość kamery." Oświetlenie przetwornika obrazu niezbędne do wytworzenia określonej amplitudy całkowitego (kolorowego) sygnału wizyjnego, przy określonej wartości stosunku sygnał/szum. Najbardziej kontrowersyjny i "manipulowany" parametr określający kamery. Większość producentów nie podaje "w jakich warunkach został on zmierzony." Ważne jest to, że pomiar czułości powinien być wykonany przy wyłączonej automatycznej regulacji wzmocnienia (ang. AGC), musi być podana albo informacja, że czułość ustalono przy pomiarze oświetlenia na przetworniku, lub że czułość ustalono przy pomiarze oświetlenia na obiekcie, lecz wtedy należy jeszcze podać jasność zastosowanego obiektywu oraz współczynnik odbicia światła na obiekcie.

"Rozdzielczość" kamery określa zdolność rozróżniania drobnych szczegółów na ekranie. Jest podawana w liniach telewizyjnych. Rozdzielczość jest określana zarówno dla pionu, jak i dla poziomu. Rozdzielczość zależy od ilości pikseli przetwornika CCD, przy czym nie jest to zależność jednoznaczna. Podobnie jak w przypadku monitorów, ten parametr jest luźno powiązany z rozdzielczością, czy rzeczywistą ilością linii (ta jest definiowana przez standard sygnału i nie zależy od jakości kamery), raczej jest to oszacowanie zdolności do przenoszenia informacji o kolorze czy stopni szarości w połączeniu w połączeniu w ilością piksli samego przetwornika. Niektórzy producenci zamiast tego parametru podają tylko ilość pikseli. Pod względem "rozdzielczości" kamery można podzielić na:"

  • kamery o małej rozdzielczości około 240 - 380 linii telewizyjnych (najczęściej kamery CMOS),
  • kamery o standardowej rozdzielczości około 420 - 480 linii telewizyjnych,
  • kamery o podwyższonej rozdzielczości około 600 linii telewizyjnych.

"Stosunek sygnał/szum." Mówi o zdolności kamery do generacji obrazu wymaganej jakości, pośrednio jest związany z czułością, wyrażany jest w dB (AGC wyłączona)

"Temperatura pracy." Maksymalny zakres zmian temperatur, w którym kamera może bezawaryjnie pracować, utrzymując założone parametry. Zazwyczaj od 10 - + 45 stopni C.

Do "wielkości przetwornika" musi być dopasowany obiektyw. W zasadzie im większy przetwornik, tym lepsza jakość obrazu. Wiąże się to z możliwością ulokowania większej liczby punktów reagujących na impuls świetlny (pikseli). Równocześnie, wiele zastosowań wymaga miniaturyzacji kamery. Obecnie już przy przetworniku 1/4” można osiągnąć wystarczającą rozdzielczość. Należy pamiętać, iż rozmiar przetwornika wymusza użycie obiektywu takiego samego lub większego. Na przykład do przetwornika 1/2” można stosować obiektyw 1/2”, a także większy np. 1”."



"Widok przetwornika CCD"

"



"Definicja punktu, czyli piksela."

"Zasilanie kamer" jest realizowane za pośrednictwem zewnętrznego zasilacza 12V, typowy pobór prądu waha się od 100mA do 250 mA. Czasami są spotykane kamery zasilane napięciem 5V lub wyposażone we wbudowany zasilacz sieciowy. W przypadku wyposażenia kamery w obiektyw z Auto–IRIS’em należy pobór prądu zwiększyć o ten, pobierany przez obiektyw, który zazwyczaj nie przekracza 40¸ 80mA. Szczególna uwagę radzimy zwrócić na dobór zasilacza do kamer bezprzewodowych, zasilacz o zbyt małej mocy często jest przyczyną złej pracy układu. Połączenie kamery z monitorem może być realizowane za pomocą przewodu, najczęściej koncentrycznego o impedancji 75omów , jeśli odległość jest rzędu 100- 800 metrów lub skrętką w zakresie 10- 70 metrów. Generalnie przewód koncentryczny jest bardziej odporny na zakłócenia. Skrętkę należy stosować tylko w razie konieczności.

"Elementy regulacyjne w kamerach." Możliwości regulacji występują w kamerach wyższej klasy, pozwalają na dopasowanie się do warunków otoczenia, dzięki czemu dobry obraz można uzyskać nawet w trudnych warunkach. Proste, kompaktowe kamery bez możliwości jakichkolwiek regulacji, są przydatne w otoczeniu o małej zmienności oświetlenia i małej głębi ostrości.

"Automatyka w kamerach." Tak zwana "elektroniczna przesłona" (EAI lub EI) znajduje zastosowanie w warunkach mało zmiennego oświetlenia.

"Automatyczna przesłona" (Auto IRIS) umożliwia dobranie stałej ilości światła padającego na przetworniki, niezależnie od warunków oświetlenia. Migawka elektroniczna ustawia się na 1/50s, natomiast obiektyw z AI jest przymykany i otwierany stosownie do natężenia oświetlenia. Kamera i obiektyw z AI są w stanie pracować poprawnie w warunkach bardzo dużych zmian oświetleniem, gdzie zwykła kamera jest bezużyteczna.

Kamera z AI jest wyposażona w specjalne wyjście sterujące obiektywem z AI. W zależności od sygnału na tym wyjściu obiektyw zamyka lub otwiera przesłonę utrzymując ilość światła padającego na obiektyw na stałym poziomie. Pozwala to także otrzymać dobra ostrość w całym polu obserwacji.

Sterowanie Auto IRIS’em może odbywać na dwa sposoby:

"Video - IRIS", stosujemy mechaniczną przesłonę w obiektywie, sterowaną sygnałem proporcjonalnym do oświetlenia. Kamera posiada wyjście sygnału o wartości proporcjonalnej do oświetlenia. Ten sygnał steruje wzmacniacz silnika obiektywu, który otwiera i zamyka przesłonę. Obiektyw z Video - AI posiada dwa potencjometry:"

  • "Level", służący do ustalenia poziomu jasności który ma być utrzymany,
  • "ALC", pozwalający ustawić szybkość reakcji na zmiany oświetlenia.

"DC IRIS", sterujemy obiektyw sygnałami stałoprądowymi. Kamera posiada wyjście sygnału bezpośrednio sterującego silnikiem obiektywu z DC-IRIS’em, który otwiera i zamyka przesłonę. W przypadku obiektywu z DC-AI oba potencjometry znajdują się w kamerze. Ponieważ obiektywy typu DC są tańsze warto sprawdzić, czy kamera posiada sterownik umożliwiający ich wykorzystanie.

Poza tym spotykane są jeszcze inne układy automatyki, bądź ustawienia kamery:
"BACKLIGHT" - automatyczna regulacja intensywności oświetlenia za obserwowanym obiektem.
"AGC" (Automatic Gain Control) - automatyczna regulacja wzmocnienia, utrzymuje stały poziom sygnału wyjściowego zwiększając tym samym odstęp sygnał–szum, obraz jest bardziej wyraźny lecz traci na naturalności. Wyłączenie powoduje poprawę naturalności, ale zwiększenie zaszumienia.
"MES" (Manual Electronic Shutter) - ręczna elektroniczna migawka, możliwe ustawienia to: 1/50s, 1/120s, 1/250s, 1/500s, 1/1000s, 1/2000s, 1/5000s, 1/10000s oraz 1/12000s.
"AES" (Atomatic Electronic Shutter) - automatyczna elektroniczna migawka, czas otwarcia jest ustawiany w zależności od ilości światła docierającego do przetwornika, zmiana następuje w zakresie od 1,50s do 1/100000s.
"GAIN" – ustawienie szybkość reakcji przesłony na zmiany oświetlenia.
"BLC" (Back Light Compensation) - funkcja pozwalająca poprawić jakość prześwietlonego obrazu, włącza się w momencie kiedy powyżej 50% centralnej części przetwornika jest prześwietlonych.
"EKLIPSA" - pozwala zasłonić prześwietlone punkty, podobnie jak poprzednia funkcja także i ta zwiększa wyrazistość obrazu.
"WB" (White Balance) funkcja pozwalająca na korektę obrazu w związku z różnym rodzajem oświetlenia, w najprostszej postaci sprowadza się ona do przełącznika IN (światło sztuczne) - OUT (światło naturalne)."



"Elementy regulacyjne w kamerach"

"Czułość kamer w zakresie podczerwieni." Typowa kamera czarno-biała jest czuła na promieniowanie z zakresu widzialnego przez oko ludzkie (400 - 770nm) oraz z przylegającego do niego zakresu podczerwieni (770 - 850nm). W zakresie podczerwieni czułość ta jest jednak mniejsza, dlatego przydatność kamer do obserwacji w podczerwieni jest nieco ograniczona. Ten problem jest częściowo eliminowany w specjalnych kamerach o maksymalnej czułości przesuniętej ku podczerwieni 850nm - 1000nm. Są to kamery termowizyjne, niestety cena ich jest bardzo wysoka. Oprócz tego są dostępne także kamery, których czułość jest zbliżona dla obu tych zakresów. Ciekawym typem kamer są kamery kolorowe, które po zmierzchu przestawiają się na tryb czarno-biały wykorzystując zalety tych kamer do obserwacji w podczerwieni (np. kamera TC-3604-08AT, czułość 0,5/0,05).

"Kamera przewodowa czy bezprzewodowa." Kamery bezprzewodowe posiadają wbudowany nadajnik pracujący w zakresie 900, 1200, 1500, 2400 MHz, a czasem także innym. Połączenie przewodowe wybieramy tam, gdzie zależy nam na pewności transmisji i uniemożliwieniu podsłuchu. Dodatkowymi argumentami są, możliwość bezproblemowej pracy wielu kamer w jednej instalacji oraz brak konieczności uzyskiwania pozwoleń na korzystanie z częstotliwości. Generalnie stosowanie kamer bezprzewodowych jest ograniczone do zastosowań nieprofesjonalnych. Podstawową wadą tego rozwiązania jest wrażliwość na czynniki zewnętrzne, np. zakłócenia elektromagnetyczne. Należy pamiętać, iż ze względu na ograniczoną szerokość pasm stosowanych przez kamery bezprzewodowe, w jednym systemie może pracować do 8 takich kamer. Według ustawy Prawa Telekomunikacyjnego każda instalacja radiowa wymaga pozwolenia (art. 3.4." używanie urządzeń radiowych wymaga pozwolenia radiowego). Na dzień 22.04.02 pasmo 2,4GHz również wymaga pozwolenia, dopiero prowadzone są prace nad ułatwieniami w tym zakresie.

"Problemy synchronizacji odchylania." Komfort podglądu kamer za pośrednictwem zmieniacza jest znacząco redukowany, szczególnie przy krótkich czasach przełączania, przez występujący “zaskok” synchronizacji w monitorze. Jest to spowodowane tym iż każda kamera, mimo iż generuje sygnały synchronizacji odchylania o tej samej częstotliwości, to jednak są to zawsze sygnały o różnych fazach. W przypadkach, kiedy ten problem ma istotne znaczenie dla pracy układu warto zastanowić się nad zastosowaniem kamer o zewnętrznej synchronizacji za pośrednictwem sieci energetycznej, np. firmy Philips LTC0500 i LTC0600. Dodatkowa regulacji przesunięcia fazowego, pozwala na synchronizację kamer nawet przy zasilaniu z różnych faz. Innym rozwiązaniem jest spięcie kamer dodatkowym przewodem którym sygnał synchronizujący jest rozsyłany do każdej kamery. Najczęściej sygnałem synchronizującym jest sygnał wizji, odchylania pionowego, odchylania poziomego albo poziomego i poziomego."



"Dodatkowa synchronizacja kamer jest potrzebna przy krótkich czasach przełączania kamer"

"Problem uziemienia w kamerach." Błędy w prowadzeniu masy mogą prowadzić do pogorszenia jakości, np. pojawienia się pasów pochodzących od przydźwięku sieci. Masy sygnałowe powinny łączyć się w urządzeniu typu zmieniacz. Nie należy łączyć ze sobą mas sygnałowych np. przy kamerach. Bardzo ważne jest także rozdzielenie masy zasilania od masy sygnałowej, czyli unikanie wykorzystywania w tym celu jednego przewodu.
Osobnym tematem jest uziemianie metalowych obudów zewnętrznych, które jest obowiązkowe, jeśli kamera jest zasilana napięciem przemiennym 220V. Ze względu na różnice faz, jest niedopuszczalne łączenie masy sygnałowej z obudową kamery, dlatego zalecane jest stosowanie obudów pozwalających na galwaniczną izolację mas sygnałowych (w tym obudowy kamery) od masy obudowy.
W przypadku stosowania grzałek należy rozważyć, czy ze względu na jakość obrazu nie doprowadzić do obudowy napięcia przemiennego lub stałego niestabilizowanego, którym zasilimy grzałkę, a samej obudowie nie zainstalować prostownika i stabilizatora zasilającego samą kamerę. Takie rozwiązanie zmniejszyć wpływ wahań napięcia wywoływanego włączaniem grzałki.

"Typy mocowań obiektywów w kamerach." Spotykane są dwa: C oraz CS. Podstawową różnicą jest inna odległość obiektywu od powierzchni przetwornika. Zazwyczaj kamery i obiektywy posiadają mocowanie typu CS, które jest bardziej uniwersalne, gdyż po dodanie pierścienia pośredniczącego umożliwiają montaż do urządzenia z mocowaniem typu C. Odwrotne przejście jest niemożliwe."

"Aby wykręcić lub wyregulować pierścień wewnętrzny kamery trzeba najpierw poluzować wkręt mocujący specjalnym kluczykiem."
"Wyposażenie typowej kamery: podkładka pod śrubę mocującą, pierścień pośredniczący do obiektywu, wtyczka do podłączenia sterowania przysłoną obiektywu - IRIS, kluczyk do aretowania pierścienia wewnętrznego kamery."

"Normy szczelności." Normy "IPxy" definiują odporność obudowy kamery na wpływ warunków zewnętrznych. x - jest liczba określająca odporność mechaniczną, a y - to liczba określająca odporność na zawilgocenie. Obudowy wystarczająco odporne na wilgoć i zapylenie mają oznaczenie IP65 lub IP66. Obudowy całkowicie wodoodporne noszą oznaczenie IP67 lub IP68. Większość obudów kamer kompaktowych jest nieodporna na wodę.

"Dobór kamery." Według normy "EN 50132-7" Kryteria wyboru powinny brać pod uwagę następujące czynniki:"

  1. zestaw kamerowy powinien spełniać wymagania użytkowe dla wszystkich podanych warunków środowiskowych;
  2. powinien uwzględniać przepisy bezpieczeństwa użytkowania związane z obiektem.

Punkty do rozważenia przy doborze kamer to:

  1. balans bieli kamer telewizji kolorowej;
  2. przysłona elektroniczna - w związku ze zjawiskiem degradacji obrazu przy nadmiernym poziomie oświetlenia;
  3. długie czasy naświetlania - w związku z "rozmazaniem" konturów obiektów poruszających się;
  4. czułość widmowa - w związku z typem oświetlenia;
  5. synchronizacja zewnętrzna;
  6. zasilanie rezerwowe.