Засоби прихованого відеоспостереження і відеозйомки (за матеріалами іноземної преси) (Хорев а

Хорев Анатолій Анатолійович,
доктор технічних наук, професор
Московський державний інститут електронної техніки
(Технічний університет), м.Москва

Телевізійна камера складається з декількох функціональних вузлів, що визначають її характеристики і, отже, можливість застосування в тих чи інших умовах.

Приймачі оптичного випромінювання більшості сучасних телевізійних камер виконуються на приладах із зарядним зв'язком (ПЗС). До переваг телевізійних камер на основі матриць ПЗС можна віднести: економічність в споживанні електроенергії (струм 90-200 мА при напрузі живлення 12 В), малі розміри і вага, здатність працювати не тільки у видимому, а й ближньому інфрачервоному діапазонах довжин хвиль, здатність отримувати кольорові зображення з хорошим дозволом при низькому рівні освітленості.

У малогабаритних камерах об'єктив і приймач випромінювання, як правило, конструктивно об'єднуються в один пристрій (рис. 1) [19].

Термін «винесений вхідна зіниця», «pin-hole», застосовують в тих випадках, коли площину діафрагми об'єктива збігається з вхідним зіницею, що знаходяться перед передньою лінзою об'єктива (в звичайних об'єктивах вхідний зіницю лінзі) [6]. Причому під виносом зіниці розуміється відстань від головної лінзи об'єктива до його передньої кромки.

Мал. 2. Схема телевізійної камери з об'єктивом «pin-hole».

У разі, коли у об'єктива винесено вхідний зіницю, зменшення отвори вхідного зіниці або розташування його в площині будь-яких загороджують предметів (сіток, щілин, і т. П.) Не приводить до зменшення кута поля зору об'єктиву, а лише знижує його светосилу.

Можливість установки перед передньою лінзою маленьких отворів, сіток або щілин забезпечує маскування камери для проведення прихованого спостереження.

Яку б форму не мав об'єктив «pin-hole», діаметр його вхідного отвору знаходиться в певній залежності від відстані між самим отвором і приймачем оптичного випромінювання (ПВІ). Британський фізик Релей висловив залежність оптимального діаметра отвору «pin-hole» d, мм, від відстані до площини проекції зображення l, мм, наступною формулою [3]

Крім виносу зіниці до основних характеристик об'єктива «pin-hole» відносяться фокусна відстань і відносний отвір [8].

Фокусна відстань об'єктива «pin-hole» f - це відстань від центру передньої лінзи об'єктива до його фокусної площини, на якій розміщується CCD (рис. 2).

Відносний отвір об'єктива q залежить від фокусної відстані f мм, і діаметра вхідної зіниці d 0. мм, і розраховується за формулою [8]

Діаметр вхідного зіниці d 0. через який проходить світловий потік, називається апертурною діафрагмою. Саме ця величина визначає дифракційну межу дозволу об'єктива. У об'єктивів типу «pin-hole» діафрагма відсутня, тому відповідно до критерію Релея граничне кутовий дозвіл об'єктива типу «pin-hole» 2 d. радий, можна розрахувати за формулою [1]

де l-довжина хвилі оптичного випромінювання, мкм; d 0 - діаметр вхідної зіниці об'єктиву, мм.

Величина, обернено пропорційна відносному отвору об'єктива, називається діафрагмовим числом F, або просто діафрагмою, тобто F = 1 / q.

Від відносного отвору об'єктива в значній мірі залежить освітленість ПВІ. Величина, що характеризує ступінь ослаблення об'єктивом світлового потоку, називається світлосилою об'єктива.

Геометрична світлосила J об'єктива пропорційна площі чинного отвору об'єктива [8]

З формули (4) випливає, що чим більше відносний отвір, тим більше освітленість матриці ПЗС. Таким чином, діафрагмування зменшує освітленість приймача випромінювання.

Основними недоліками об'єктивів «pin-hole» в порівнянні зі звичайними є значно менша світлосила і більш низька роздільна здатність. Крім того, у об'єктивів «pin-hole» зазвичай відсутня автодіафрагма. Це ускладнює роботу телекамери при великих перепадах освітленості на об'єкті. Тому в сучасних камерах застосовується електронний затвор, діапазон зміни якого досить широкий.

Зображення фокусується об'єктивом камери на матрицю ПЗС, яка складається з безлічі світлочутливих елементів -пікселов. Зовнішній вигляд матриць ПЗС представлений на рис. 3 [17, 36].

Таблиця 1. Співвідношення формату матриці ПЗС і її розмірів

Формат матриці,
дюйм

Для отримання кольорового зображення використовують світлочутливі елементи, кожен з яких складається з чотирьох пікселів. На кожен піксель наноситься світловий фільтр, що пропускає світло відповідного діапазону довжин хвиль з певною колірною схемою RGB (червоний - зелений - синій). Фільтри розташовуються групами по чотири, так що на два зелених доводиться по одному синьому і червоному.

До основних параметрів матриці ПЗС відносяться: формат, чутливість і дозвіл.

Матриці ПЗС випускаються прямокутної форми із співвідношенням сторін 4: 3. Розмір матриці ПЗС визначається її форматом. Формат - це діагональний розмір видикона, що формує зображення, еквівалентну зображенню, що формується матрицею ПЗС. Формат вимірюється в дюймах і приймає значення 1/2 ", 1/3", 1/4 "і т.п. (1 дюйм дорівнює 2,54 см). Найбільш часто в камери прихованого спостереження встановлюють матриці формату 1/3" і 1/4 ".

Співвідношення формату матриці ПЗС і її розмірів показано в табл. 1 [12].

Формат матриці визначає кут огляду телевізійної камери 2W, град,

де L - діагональ матриці, мм;
f - фокусна відстань об'єктива, мм.

З однаковими об'єктивами телевізійна камера на основі матриці формату 1/2 "має більший кут огляду, ніж камера з матрицею формату 1/3".

Для збільшення кута огляду телевізійна камера з матрицею малого формату повинна мати об'єктив з малим фокусною відстанню. При цьому якість телевізійного зображення буде визначатися світлосилою об'єктива, тобто кількістю світла, яке буде проходити через нього і потрапляти на ПВІ. Чим вище світлосила об'єктива, тим менше потрібно часу експозиції для отримання зображення необхідної якості.

Розміри чутливого елемента (пікселя) сучасних мініатюрних матриць ПЗС складають від 4,75 до 12 мкм [16].

Наступний важливий параметр телевізійної камери - її чутливість. Цей параметр визначає якість роботи камери в умовах слабкого освітлення.

Найбільш часто під чутливістю розуміють мінімальну освітленість об'єкта (scene illumination), при якій відношення сигнал / шум на виході матриці ПЗС при максимальному часу експозиції одно деякої граничної величини (наприклад, при відношенні сигнал / шум, рівному одиниці).

У цьому випадку чутливість залежить не тільки від характеристик самої матриці ПЗС, а й від коефіцієнта яскравості об'єкта, і характеристик об'єктива (зазвичай вказують мінімальну освітленість на об'єкті, виміряну при коефіцієнті яскравості об'єкта 0,75 та фіксованого діафрагму).

У деяких випадках під чутливістю розуміють мінімальну освітленість безпосередньо матриці ПЗС (image illumination), при якій відношення сигнал / шум на її виході при максимальному часу експозиції одно порогової величиною.

У видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах електромагнітних хвиль спектральную освітленість матриці ПЗС E * l. лк / мкм, можна розрахувати за формулою [7]

де r l - спектральний коефіцієнт яскравості об'єкта;
E l - спектральна освітленість об'єкта, лк / мкм;
t0, l - спектральний коефіцієнт пропускання об'єктива;
t ф, l - спектральний коефіцієнт пропускання світлофільтра.

Коефіцієнт пропускання світла об'єктивом залежить від кількості елементів в його оптичній схемі, від марки оптичного скла і від якості обробки поверхонь. Для практичних розрахунків значення коефіцієнта пропускання можна прийняти рівним 0,85 для високоякісних об'єктивів, 0,785 - для стандартних і 0,6 - для дешевих об'єк
єктів з оптичними елементами з пластмаси.

Чутливість більшості сучасних монохромних телевізійних камер - близько 0,01-1 лк (при F1,2). Для ефективної роботи найбільш чутливих камер цілком достатньо місячного світла (табл. 2).

Твір освітленості матриці ПЗС (E *) на час її освітлення (t) називається «експозицією» (Н). У Міжнародній системі одиниць (СІ) експозицію висловлюють в лк * с (люксах на секунди) [10].

Експозиція повинна бути такої величини, щоб дозволити світочуливого елементу отримати кількість світла, потрібне для забезпечення необхідного відносини сигнал / шум на виході матриці ПЗС. Чим більше світлочутливість матриці, тим менша потрібна експозиція.

З чутливістю тісно пов'язаний параметр відношення «сигнал / шум» (signal to noise) або скорочено - с / ш (s / n). Ця величина вимірюється в децибелах:

де Uc - амплітуда сигналу;
s ш - середньоквадратичне значення амплітуди шуму.

Наприклад, з / ш = 60 дБ, означає, що амплітуда сигналу в 1000 разів більше рівня шуму. Для отримання зображення хорошої якості необхідно забезпечити ставлення сигнал / шум на виході камери близько 46-50 дБ. При відношенні сигнал / шум близько 30 дБ на екрані монітора видно перешкоди у вигляді безладних точок ( «сніг» або «брижі»), а при 20 дБ зображення практично неможливо розпізнати [2].

Нерідко чутливість камери вказують для «прийнятного» рівня сигналу, під яким мається на увазі такий рівень сигналу, при якому відношення сигнал / шум складає 24 дБ. Це - емпірично визначений граничне значення відносини сигнал / шум, при якому зображення ще можна розпізнати.

Важливою характеристикою матриць ПЗС є їх спектральна чутливість. У більшості випадків чутливість чорно-білих камер істотно (у порівнянні з людським оком) зрушена в інфрачервоний діапазон (рис. 4). Спектральна чутливість кольорових камер близька до спектральної чутливості людського ока (рис. 5).

Протягом доби освітленість на контрольованому об'єкті, як правило, зазнає суттєвих змін. Для підтримки постійної експозиції при зміні рівня освітленості матриці ПЗС використовують вбудований в камеру автоматичний електронний затвор (electronic shutter) або об'єктив з автоматичною діафрагмою (autoiris).

Мал. 4. Спектральна чутливість чорно-білої матриці ПЗС.

Мал. 5. Спектральна чутливість кольорової матриці ПЗС.

Важливий параметр телевізійної камери - дозвіл. Цей параметр визначає можливості камери по відтворенню дрібних деталей зображення: чим вище дозвіл, тим менші за розміром об'єкти можна розпізнати на зображенні. Дозвіл вимірюється в телевізійних лініях (ТВЛ) і залежить як від числа пікселів в матриці, так і від параметрів блоку обробки зображень телевізійної камери.

Дозвіл камер визначається експериментально за спеціальною телевізійної тест-таблиці, в якій зображені групи чорних і білих ліній, відстань між якими відповідає певному вирішенню. За дозвіл камери приймається дозвіл тієї групи, в якій лінії розпізнаються окремо. Тому одиниця вимірювання роздільної здатності і називається телевізійної лінією.

Дозвіл по вертикалі у всіх камер обмежена телевізійним стандартом -625 рядків телевізійної розгортки. Основна відмінність камер полягає у розв'язанні по горизонталі, і саме воно зазвичай вказується в технічних характеристиках камери.

На дозвіл камери, головним чином, впливає розмір матриці ПЗС і кількість світлочутливих елементів. Прийнято вважати, що надійно передається кількість ліній, що не перевищує 3/4 від числа осередків. Тобто, при розмірі матриці 520 елементів дозвіл становитиме 390 ТВЛ.

Від фокусної відстані і діаметру вхідної зіниці об'єктиву, а також від розміру елемента ПЗС залежить ймовірність впізнання об'єкта [9].

Портативні телевізійні камери випускаються в звичайному і мініатюрному виконанні (рис. 6 і 7 [27, 33]).

Камера TEL PH (рис. 6а) має дозвіл 570 ТВЛ по горизонталі (Г) і 480 ТВЛ по вертикалі (В). Чутливість камери 0,00002 лк (F1,4).

Коефіцієнт посилення 8-38 дБ забезпечує відношення сигнал / шум 52 дБ [33].

Мініатюрні камери можна таємно встановити практично в будь-якому місці, навіть в квітковому горщику.

До основних недоліків таких систем відносяться жорсткі обмеження на габарити і масу апаратури і невелика ємність акумуляторів, що обмежує час непре-
ривной записи [5].

Установка камери в побутові радіо- і електроприлади займає значно менше часу, ніж установка її в захисну конструкцію. Камери встановлюються, як правило, в прилади, місце розташування яких в приміщенні залишається постійним, наприклад, телевізор, музичний центр, СВЧ-піч і т.д. При установці камери в радіо- і електроприлади, постійно живляться від мережі 220 В, 50 Гц, час її роботи практично не обмежена. При установці камери в невеликі за розміром прилади, наприклад, електрогодинники, важливу роль відіграють розміри камери.

Таблиця 3. Основні характеристики мініатюрних телевізійних камер

F1,4.
Коефіцієнт посилення 8-38 дБ.
Відношення сигнал / шум 52 дБ

Незважаючи на невеликі розміри, ці системи мають досить хорошими характеристиками.

Для передачі зображень в основному використовується діапазон частот від 800 до 2500 МГц. Але можуть використовуватися і інші діапазони частот, наприклад, 270-330 МГц; 5725-5875 МГц; 10,5 ГГц [11, 25, 35].

Напруга живлення 12В. Потужність передавача - перемикається 50/200 мВт. При даній потужності гранична дальність передачі інформації становить до 1300 м на відкритому просторі, до 200 м - в місті [21].

При розмірах 15x15x20 мм телевізійна система здатна передавати звук і зображення з роздільною здатністю 380 ТБ-ліній на відстань від 50 до 100 м.

Мал. 29. Портативні телевізійні передавачі, закамуфльовані під м'які іграшки.

Для прийому телевізійних сигналів використовуються спеціальні телевізійні приймачі (рис. 32) [24-26]. Телевізійні приймачі мають вбудовані мікропроцесори, що дозволяють автоматизувати ряд операцій з пошуку та прийому сигналів. Зовнішній вигляд деяких з них наведено на рис. 30 і 31 [33].

Стандартний кольоровий або чорно-білий

PAL або NTSC / 400 TVL

Частотний діапазон аудіосигналу

1050 МГц; 1140 МГц; 1220 МГц

Ширина спектра сигналу

Швидкість передачі інформації

<5 мкВ (при с/ш = 6 дБ)

74 хв на 4 Gb SD карту пам'яті

Характеристики типової системи передачі телевізійних зображень наведені в табл. 6 [35].

SIM-Milan Pro TX

SIM-Blackbird TX 240 Crypto

SIM-Blackbird Pro TX 01

Частотний діапазон, МГц

270 - 330;
760 - 830

220 - 2500
5725 - 5875

Максимальна швидкість передачі даних, Мбіт / с

Вид модуляції сигналу

На рис. 33 приведена одна з таких систем [32]. Діаметр отвору складає від 2,5 до 4,75 мм. В системі використовуються 7 "і 11" лінзи. Кут поля огляду системи може змінюватися від 15 ° до 55 °. Можлива зміна лінії візування в межах 15 °.