Kamera CCTV - budowa, parametry i funkcje

Podstawowym elementem kamery monitoringu wizyjnego CCTV decydującym o jakości obrazu jest przetwornik CCD, który przetwarza sygnał świetlny (obraz obiektu) na sygnał elektryczny. W kamerach cyfrowych sygnał elektryczny otrzymywany z przetwornika CCD jest zamieniany na postać cyfrową i dalej poddawany obróbce w procesorze sygnałowym DSP.

1. Przetworniki obrazowe

Podstawowym elementem każdej kamery CCTV jest przetwornik obrazowy CCD (Charge Coupled Device). Dzięki zastosowaniu tego typu przetworników współczesne kamery CCTV cechują się miniaturowymi gabarytami oraz brakiem zniekształceń geometrycznych. Wielkość zastosowanego przetwornika może być pierwszym kryterium podziału kamer:
- 2/3" to przetwornik o wymiarach 6,6 x 8,8mm (przekątna 11mm),
- 1/2" to przetwornik o wymiarach 4,8 x 6,4mm (przekątna 8mm),
- 1/3" to przetwornik o wymiarach 3,7 x 4,9mm (przekątna 6mm),
- 1/4" to przetwornik o wymiarach 2,7 x 3,6mm (przekątna 4mm).
Zapis ułamkowy pochodzi od dawniej stosowanych lamp analizujących. Liczba określała średnicę zewnętrzną lampy. Pole obrazowe lampy o średnicy 1" miało przekątną 16mm i właśnie ta wartość stanowi podstawę dalszych określeń.

Najnowsze przetworniki obrazowe CCD mają coraz mniejsze rozmiary przy coraz lepszych parametrach. I tak czasy przetworników 2/3" już minęły, podobnie rzecz się ma z przetwornikami 1/2". Obecnie na rynku dominują przetworniki 1/3" i coraz częściej pojawiają się 1/4". W nowoczesnych przetwornikach piksele są coraz mniejsze i dzięki temu jest możliwe ich znaczne zagęszczenie na małej powierzchni. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż do małych przetworników są potrzebne mniejsze obiektywy. Aczkolwiek zastosowany obiektyw większy, przez co osiąga się nawet lepszą jakość obrazu (zniekształcenia optyczne rosną wraz z oddalaniem się od osi optycznej obiektywu).

Obecnie na rynku kamer telewizyjnych przeważają przetworniki obrazowe SONY. Na rynku spotyka się również nieco słabsze (mniejsza czułość i większe szumy) przetworniki firmy Sharp oraz przetworniki firmy Panasonic.

Najczęściej spotykanymi przetwornikami na rynku są Super HAD CCD. Mają one 2-krotnie lepszą czułość, niż tradycyjny przetwornik CCD. Ten efekt został osiągnięty dzięki dodatkowej soczewce na powierzchni każdego elementu światłoczułego.

Ulepszoną wersją jest przetwornik Super HAD 2. On z kolei charakteryzuje się 2 razy lepszą czułością od wersji Super HAD. W tym przetworniku poprawiono również czułość w zakresie koloru niebieskiego. Dzięki równomiernej charakterystyce w całym zakresie światła widzialnego przetwornik lepiej odwzorowuje kolory.

Następnym przetwornikiem CCD firmy Sony jest Ex-view charakteryzujący się 4-krotnie lepszą czułością w zakresie bliskiej podczerwieni (800-900nm). Dzięki tej właściwości przetwornik może być z powodzeniem stosowany do obserwacji nocnych. Wskazane jest przy tym stosowanie obiektywów dedykowanych do pracy z podczerwienią.

Przetworniki obrazowe

Przetwornik obrazowy 1/3" CCD Sony

Przetwornik obrazowy 1/3" CMOS Exmor Sony

Sony produkuje również przetworniki obrazowe CMOS. Jednym z nich jest Exmor stosowany na przykład w kamerach megapikselowych. W stosunku do przetwornika CCD charakteryzuje się 2-krotnie lepszą czułością. Przetwornik CMOS Exmor firmy Sony wykorzystuje tzw. technologie tylnego podświetlania. Polega ona na zamianie warstw w przetworniku, dzięki czemu przewody nie zasłaniają czujników. Światło pada bezpośrednio na czujniki i w ten sposób otrzymuje się większy poziom sygnał. To z kolei wymaga mniejszego wzmacniania. Stąd też przetwornik ten ma również mniejsze szumy. Przetwornik Exmor umożliwia osiągnięcie lepszej jakości obrazu przy słabym oświetleniu.

2. Procesory sygnałowe DSP

Sygnał wizyjny otrzymany na wyjściu przetwornika obrazowego jest przekazywany do procesora sygnałowego DSP (Digital Signal Processor). Tam jest poddawany wielu procesom mającym na celu m.in. poprawę jakości, czy otrzymanie dodatkowych informacji. To algorytmy procesora sygnałowego decydują o cyfrowej redukcji szumów, czy automatycznej regulacji wzmocnienia. W procesorze DSP następuje wyostrzanie obrazu i są przeprowadzane procedury sens-up mające na celu zwiększenie czułości kamery. W procesorze są przeprowadzane operacje mające na celu detekcję ruchu i zapewnienie stref prywatności. Ponadto cyfrowa obróbka sygnału stwarza możliwość łatwego wprowadzania dodatkowych informacji do sygnału, np. data, opisy, menu ekranowe.

Obecnie najpowszechniej stosuje się procesory DSP serii Effio firmy Sony. Effio (Enhanced Features and Fine Image Processor) to zaawansowany technologicznie procesor sygnałowy DSP, którego głównym zadaniem jest poprawa jakości obrazu oraz zwiększenie funkcjonalności analogowych kamer telewizji przemysłowej. Kamery analogowe z takim procesorem mogą dostarczać obrazy o rozdzielczości powyżej 650 TVL. Zapewniają dobry współczynnik sygnału do szumu oraz lepsze odtwarzanie barw.

Procesory Effio są w stanie obsługiwać wiele funkcji dodatkowych, wśród których można wymienić:
- Szeroki zakres dynamiki WDR (Wide Dynamic Range),
- Redukcja szumów dwu i trójwymiarowych (2D and 3D noise reduction),
- Menu ekranowe OSD,
- Detekcja ruchu,
- Sterowanie DC /Video,
- Cyfrowy zoom,
- Spowolniona migawka SensUp,
- Wykrywanie przekroczenia zdefiniowanej linii (np. przejście przez ogrodzenie),
- Wykrywanie przekroczenia zdefiniowanego obszaru (niedozwolone parkowanie),
- Maskowanie stref prywatności,
- Zapobieganie prześwietleniu obrazu HLC (High Light Compensation),
- Adaptacyjna reprodukcja odcieni obrazu ATR.

Doskonała reprodukcje kolorów procesorów Effio Sony przy różnych źródłach światła
w szerokim zakresie temperatur barwowych od 1800K do 10500K.

W użyciu są cztery procesory DSP serii Effio Sony:
1. Effio-E to wersja podstawowa, zastąpiona procesorem Effio-E2. Ten procesor jest wyposażony m.in. w ATR, 2D-DNR, HLC, detekcję ruchu, strefy prywatności.
2. Effio-S to rozbudowana wersja procesora. Dodatkowo jest wyposażona w funkcję SensUp (DSS) i cyfrową stabilizacje obrazu (DIS).
3. Effio-P to najbardziej rozbudowana wersja procesora Effio. W stosunku do wersji Effio-S ma jeszcze funkcję szerokiego zakresu dynamiki (WDR).
4. Edhanced Effio-E to rozbudowana i udoskonalona wersja procesora Effio-E. Jest wyposażona w adaptacyjne sterowanie podświetleniem podczerwienią, co zwiększa trwałość diod LED IR.

Jednak i inne produkują swoje procesory sygnałowe. Przykładem może być firm CNB mająca w swojej ofercie trzy procesory DSP:
1. Monalisa - procesor wyposażony w funkcję SBLC, czyli poprawioną kompensację światła padającego z tyłu. Procesor doskonale odwzorowuje kolory i daje dobrą jakość obrazu przy słabym oświetleniu. Możliwe jest sterowanie po RS485.
2. Monalisa II dodatkowo ma SensUp, cyfrowy zoom, stop klatkę, stabilizację obrazu, eklipsę, 2D+3D-DNR oraz sterowanie obiektywami z moto zoomem.
3. Blue-I obsługuje przetworniki Double Scan i Super HAD II. Jest wyposażony w WDR, X-WDR, SensUp, cyfrowy zoom, stop klatkę, stabilizację obrazu, eklipsę, 3D-DNR. Ma cyfrowe wyjście wideo.

3. Parametry kamer telewizyjnych

Czułość kamery CCTV

Czułość kamery monitoringu wizyjnego CCTV określa jej zdolność widzenia przy słabym oświetleniu. Najczęściej jest podawana w luksach (lx) przy określonym otworze względnym przysłony obiektywu (F). Różni producenci stosują jednak różne warunki pomiarów i stąd jest to jeden z najbardziej nieporównywalnych parametrów.

W praktyce spotyka się następujące sposoby określania czułości kamery CCTV:
- czułość użytkowa, przy której osiąga się określony odstęp sygnału wizyjnego od szumów,
- czułość pełnego sygnału wizyjnego, przy której sygnał wizyjny osiąga wartość 1Vpp niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum,
- czułość -6dB, przy której amplituda części wizyjnej sygnału osiąga wartość 0,35V niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum.

Należy pamiętać, że różnice w wynikach pomiarów kamer przy różnych definicjach mogą dochodzić nawet do 100 razy. Niestety producenci bardzo często nie podają metody pomiaru, co poważnie dezorientuje w kwestii oceny. Najczęściej ten fakt wynika z chęci poszczególnych producentów do "prześcignięcia" firm konkurencyjnych. Na rynku spotyka się nawet tanie kamery CCTV, dla których producenci podają czułość poniżej 0,0001lx. Oczywiście nie precyzują sposobu określania tej czułości...

Z reguły czułość kamery CCTV dzień/noc pracującej w trybie monochromatycznym jest większa niż kamery kolorowej. Dostępna w wielu kamerach funkcja Sens-up potrafi istotnie poprawić czułość kamery. Przy uwzględnianiu czułości kamer należy pamiętać, że bardzo duże czułości kamer najczęściej w praktyce nie są potrzebne. Czasami nawet mogą być niewskazane, zwłaszcza przy silnym oświetleniu obserwowanych obiektów. W celu przybliżenia wymogów dotyczących czułości kamer poniżej podano przykładowe poziomy oświetlenia przy różnych źródłach światła:
- oświetlenie powierzchni ziemi przez księżyc w pełni w pogodną noc wynosi 0,1-0,2 luksa,
- oświetlenie uliczne zapewnia z reguły kilka luksów,
- pomieszczenie od zacienionej strony w środku dnia ma oświetlenie rzędu 300 luksów,
- oświetlenie słoneczne terenu na zewnątrz przy zachmurzonym niebie to około 5000 luksów.

Rozdzielczość kamery CCTV

Rozdzielczość kamery CCTV 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. Rozdzielczość pozioma i pionowa są zawsze mniejsze niż odpowiednia ilość pikseli przetwornika. Jednak niektórzy producenci podają tylko ilość pikseli; najczęściej w celu ukrycia rzeczywistej rozdzielczości kamery.

Rozdzielczość przetwornika obrazowego CCD 960H Sony z procesorem Effio

Spotykane obecnie rozdzielczości wynoszą od około 480 do 700 linii. Przy czym w przypadku kamer dzień/noc rozdzielczość kamery podczas pracy w trybie czarno-białym jest z reguły wyższa niż podczas pracy w trybie koloru.

Stosunek sygnał/szum

Stosunek sygnał/szum (S/N) określa zdolność kamery do generacji obrazu dobrej jakości, pośrednio jest związany z czułością kamery.

​

Powyższa tabela określa zależność pomiędzy współczynnikiem szumów, a jakością obrazu. Oprócz pogorszenia jakości obserwowanego obrazu szumy zwiększają ilość ilość wymaganej powierzchni dyskowej do zapisu poszczególnych klatek. Stąd też powszechnie stosuje się różnego rodzaju układy redukcji szumów.

4. Funkcje kamer telewizyjnych CCTV

W celu uzyskania na wyjściu kamery telewizyjnej dobrego obrazu należy odpowiednio dobrać dwa czynniki. Po pierwsze jest to czułość przetwornika obrazowego CCD. Po drugie jest to ilość światła padającego na przetwornik. O ilości światła padającego na przetwornik decyduje poziom oświetlenia obserwowanych obiektów oraz przysłona obiektywu. W praktyce jednak najczęściej mamy wpływ jedynie na czułość przetwornika oraz ustawienie przysłony.

Często w kamerach występują dodatkowe możliwości regulacji niektórych parametrów. Umożliwiają one na dopasowanie się do trudnych warunków otoczenia, dzięki czemu można uzyskać dobry obraz. Proste, kompaktowe kamery CCTV bez możliwości jakichkolwiek regulacji, są przydatne w otoczeniu o małej zmienności oświetlenia i małej głębi ostrości.

Automatyczna przysłona AI

Kiedyś czułość przetwornika była praktycznie stała. Jedynym czynnikiem umożliwiającym regulację "naświetlenia" była automatyczna przysłona (AI) obiektywu. Obiektywy musiały więc zapewniać bardzo duże zakresy regulacji przysłony. Zakres ten często zawierał się w granicach od F 1,4 do F 360. Jest to bardzo szeroki zakres, zważywszy na fakt, iż na przykład w fotografii stosuje się przysłonę do F 22. Tak znaczne zamykanie otworu przysłony wymagało znacznej precyzji mechanizmów regulujących, ponadto prowadziło do różnych zniekształceń obrazu.

W praktyce występują dwa sposoby sterowania automatyczną przysłoną. W systemie AI Video przysłona w obiektywie jest sterowana sygnałem wizyjnym. W systemie AI DC obiektyw jest sterowany sygnałem stałym. Kamera posiada wyjście sygnału bezpośrednio sterującego silnikiem obiektywu, który otwiera i zamyka przysłonę. W przypadku obiektywu z AI DC w kamerze znajduje się potencjometr LEVEL służący do regulacji poziomu sygnału sterującego. Obiektywy AI DC są tańsze, warto zatem sprawdzić, czy kamera posiada sterownik umożliwiający ich wykorzystanie.

Elektroniczna migawka AES

Nowoczesne rozwiązania przetworników CCD są wyposażone w elektroniczną regulację czułości. Polega ona na tym, iż element reaguje na światło tylko przez ściśle określony czas. Stąd też - przez analogię do aparatów fotograficznych - funkcję tę nazywa się elektroniczną migawką (Electronic Shutter). Podczas powstawania kolejnych obrazów kamera reaguje na światło tylko przez pewien - ściśle określony - czas wyznaczany przez impulsy znieczulające. Uzyskiwana w praktyce zmiana czułości zawiera się w granicach od 1 (pełna czułość) do 1/2000. W przypadku pełnej czułości przetwornika CCD czas naświetlania kolejnego obrazu wynosi 1/50 sekundy (częstotliwość ramki obrazu telewizyjnego). Dla minimalnej czułości przetwornika czas ten skraca się do 1/100.000 sekundy. I te dane są najczęściej podawane przez producentów kamer. Takie zmiany czułości (czasów naświetlania) kamer telewizyjnych są zupełnie wystarczające do pracy przy niezbyt dużych zmianach warunków oświetlenia (np. wewnątrz pomieszczeń). W przypadku automatycznej elektronicznej migawki AES (Automatic Electronic Shutter) czas otwarcia jest ustawiany automatycznie w zależności od ilości światła padającego na przetwornik; zmiana następuje w zakresie od 1,50s do 1/100000s. I chociaż sama elektroniczna migawka nie zawsze wystarcza przy bardzo dużych wahaniach oświetlenia (np. na zewnątrz), to jednak prowadzi do znacznego zmniejszenia wymagań stawianych obiektywom z automatyczną przysłoną.

Automatyczna regulacja wzmocnienia AGC

Automatyczna regulacja wzmocnienia AGC (Automatic Gain Control) utrzymuje stały poziom wyjściowego sygnału wizyjnego niezależnie od intensywności oświetlenia. Przy stosowaniu tej funkcji obraz jest bardziej wyraźny, lecz traci na naturalności. Przy słabym oświetleniu włączona automatyczna regulacja wzmocnienia umożliwia utrzymanie jasnego obrazu. Jednak duże wzmocnienia wzmacnia również szumy, przez co stają się one bardziej widoczne. W normalnych warunkach oświetleniowych AGC powinna być włączona, takie rozwiązanie powoduje automatyczne dobieranie optymalnej czułości kamery.

W wielu kamerach istnieje możliwość wyłączenia AGC za pomocą wyłączników typu DIP lub za pomocą menu ekranowego OSD. Często bywa też możliwa regulacja zakresu, w jakim sygnał może być wzmacniany. W niektórych kamerach występuje możliwość przełączania sposobu działania AGC. Można wybierać pomiędzy wyłączeniem OFF i różnymi zakresami działania, np. LOW, MEDIUM i HIGH.

Ważna jest też szybkość działania automatycznej regulacji wzmocnienia. Zbyt szybka może powodować wrażliwość na zmiany jasności powodowane ruchem obserwowanego obiektu. Zbyt wolna automatyczna regulacja wzmocnienia AGC może powodować, że po zgaszeniu światła kamera nie będzie widzieć przez dłuższy czas.

Automatyczny balans bieli AWB

Automatyczny balans bieli AWB (Automatic White Balance) to układ służący do właściwego przedstawiania koloru białego niezależnie od warunków oświetlenia. Zapewnia otrzymanie naturalnych barw obrazu (eliminacja przebarwień) przy różnych rodzajach oświetlenia (światło dzienne i różne rodzaje źródeł światła sztucznego).

Cyfrowa redukcja szumów DNR

Stosowana powszechnie cyfrowa redukcja szumów zmniejsza zaszumienie obrazu. Działanie tej funkcji polega na porównywaniu poszczególnych pikseli w kolejnych klatkach i wykrywaniu małych i losowych zmian, które są charakterystyczne dla szumów.

W wielu kamerach istnieje możliwość wyboru stopnia redukcji szumów. Może to być OFF, LOW, MEDIUM oraz HIGH. Należy pamiętać o możliwości wyboru, ponieważ zbyt duża redukcja szumów zmniejsza wyrazistość szczegółów oraz wprowadza smużenia szybko poruszających się obiektów. Ogólnie rzecz ujmując należy kierować się zasadą, że przy scenach statycznych można spokojnie zwiększać DNR, zaś przy scenach dynamicznych DNR należy zmniejszać.

Jednak postęp techniki daje się zauważyć i w tej dziedzinie. W ostatnich czasach pojawiły się skomplikowane algorytmy redukcji szumów. O ile w przypadku algorytmów oznaczanych jako 2D-DNR jest analizowana jedna klatka obrazu, to przy 3D-DNR podczas redukcji szumów analiza działa również w czasie i procesor analizuje także kolejne klatki obrazowe.

Systemy redukcji szumów DNR w Effio

Redukcja szumów 2D-NR w przetworniku Effio-E Sony

Redukcja szumów 2D+3D-NR w przetwornikach Effio-P i Effio-S Sony

Analiza sąsiednich klatek umożliwia odróżnienie szumu od ruchu obiektu i procesor ten eliminuje smużenia poruszających się obiektów.

Szeroki zakres dynamiki WDR

Szeroki zakres dynamiki WDR (Wide Dynamic Range) to funkcja eliminująca prześwietlenia i niedoświetlenia ze scen z silnie zróżnicowanym oświetleniem. Prawdziwy WDR jest spotykany tylko w droższych kamerach i wymaga stosowania specjalnych przetworników z podwójnym skanowaniem (Double Scan). Pierwsze skanowanie jest zoptymalizowane na jasne partie obrazu, a drugie na ciemne. Z obu tych obrazów jest sumowany jeden obraz wynikowy, który prawidłowo oddaje jasne i ciemne fragmenty obserwowanej sceny.

Szeroki zakres dynamiki WDR w procesorze Effio-P Sony