Основные технические характеристики камер видеонаблюдения

На рынке ТСБ встречаются следующие форматы матрицы:

• 1/3,6” – ширина – 4мм, высота – 3 мм, диагональ – 5 мм - как правило, применяется в миниатюрных цилиндрических видеокамерах общего применения.
• 1/3” – ширина 4,8 мм, высота 3,6 мм, диагональ – 6 мм – самый массовый формат матрицы на рынке. Устанавливается на всех видеокамерах общего применения, камерах для специальных условий эксплуатации без предъявления требований машинного зрения.
• 1/2" – ширина 6,4 мм, высота – 4,8 мм, диагональ – 8 мм – устанавливается на видеокамерах с разрешением 4К общего применения при необходимости обеспечить высокую детализацию при значительных коэффициентах электронного увеличения масштаба. Чаще применяется в камерах машинного зрения.
• 1” – ширина 12,8 мм, высота – 9,6 мм, диагональ – 16 мм – применяется в камерах машинного зрения.
• Если учесть, что дюйм равен 25,4 мм, остается гадать, каким образом дюймовый размер матрицы связан с ее измерениями в миллиметрах.

Стоит обратить внимание, что с увеличением формата матрицы увеличивается угол зрения камеры при одном и том же фокусном расстоянии объектива. В целом условно можно сказать, что чем больше формат матрицы, тем камера лучше. Но и однозначно дороже. Насколько это улучшение влияет на решение конечной потребительской задачи и стоит ли оно удорожания, зависит от самой задачи. В большинстве случаев не влияет, и рынок в качестве самого массового стандарта выбрал 1/3”.

Следующий обязательный параметр в характеристики видеокамеры – ее разрешающая способность. Для аналоговых видеокамер (для сигнала стандарта PAL) она может быть указана в телевизионных линиях. Максимальное разрешение для этого стандарта 720х576 линий. Для аналоговых стандартов AHD, ТVI, CVI принято указывать в пикселах (pix). Могут указываться буквенными обозначениями, при этом количество пикселов может и не указываться. Поэтому приводим значение этих обозначений ниже:

• 960 Н – 1280х720 pix
• HD - 1280х720 pix и выше - 1 Мpix и выше.
• Full HD – 1920x1080 pix - 2 Mpix
• 4К – 2592x1520 pix

С одной стороны, этот параметр выступает чуть ли не главным в продвижении своей продукции производителями видеокамер. С другой – этот же параметр нередко является одной из основных вех обмана потребителя со стороны рынка. Причем, зачастую сам рынок искренне верит в собственные заверения.

Потребитель искренне считает, что чем больше в абсолютных величинах (количество пикселов) показатель разрешающей способности, тем больше деталей изображения он увидит на экране.

В действительности все обстоит не так. Этот показатель является, пожалуй, наименее важным, если речь идет о прямом видеонаблюдении – непосредственно с камеры изображение транслируется на монитор, который в режиме реального времени наблюдает оператор. Но это, как раз, и есть ситуация, напрямую работающая на безопасность, когда максимально сокращается время между замеченной угрозой и принятием адекватных мер для ее предотвращения.

И этот же параметр является исключительно важным для записанной видеоинформации и для задач машинного зрения.

Что касается прямого видеонаблюдения. Каким бы высоким не было разрешение изображения, человеческое зрение воспримет только то, которое способно воспринять. У нас в глазу тоже есть «матрица» - сетчатка, на которую объектив – глазной зрачок – проецирует картинку с экрана. И на разрешение нашей глазной «матрицы» мы уже повлиять не можем. Что дано природой, то и имеем. У совы эта характеристика несравненно выше, чем у нас – она видит мышь в траве с высоты метров 30-50. Мы с такого расстояния мышь никогда не разглядим. Нам для пропитания Всевышний дал мозг, а сове – огромную сетчатку.

Почему высокое разрешение не всегда заметно

Наглядный пример – в «фотошопе» мы можем задать фотографии любое разрешение в границах изначального. Но для отправки по электронной почте или для размещения на сайте мы сознательно ограничиваем его величиной не более 100 точек/дюйм, чтобы сократить объем письма и время загрузки фото на сайт. И отобразится на экране компьютера наша фотография на полном экране. При этом визуально мы не увидим никакой разницы с той же фотографией, но представленной в разрешении 300 точек/дюйм (такое разрешение у нас запросит какое-нибудь СМИ для печати нашего фото в журнале). Если бы экран нашего компьютера имел метровую диагональ, мы бы эту разницу увидели. Но для стандартных 17 – 19 дюймов не видим.

Когда высокое разрешение действительно полезно

Высокое разрешение в фотографии дает две ключевые возможности:

• печать очень больших форматов,
• большое пространство для кадрирования, т.е. можно выделить из общего поля даже небольшой фрагмент и представить его в виде полноценного фото привычного формата с приемлемым для печати разрешением. То есть оставшееся после кадрирования разрешение все равно находится на пределе или выше возможностей нашего глаза.

То же самое происходит и с видео.

Первое, что стоит представлять, разрешение Full HD начинает быть заметно на изображении с диагональю не менее 27 дюймов (речь идет именно об одиночном изображении, а не мультикартинки от нескольких камер на мониторе с большой диагональю). А разрешение 4К начинает проявляться при диагонали изображения не менее 39 дюймов.

Влияние размера изображения на эффективность наблюдения

А теперь посмотрите, какого размера изображения с видеокамер находятся в распоряжении оператора системы видеонаблюдения. Если учесть, что смысл прямого видеонаблюдения состоит в одновременном контроле нескольких зон (например, контроль периметра), просмотр в любом случае будет вестись в режиме мультиэкрана. Какой бы щедрый ни оказался заказчик, при любом самом большом экране, который оператор в состоянии охватить взглядом, изображения от каждой камеры, даже, если их будет всего четыре на экране, не превысит 12-15 дюймов по диагонали. В реальности же , чем больше монитор, тем больше видеокамер на него стремятся вывести, и размер каждой картинки не превышает новогоднюю открытку.

Поле зрения и распознавание объектов

Степень распознавания человеческим глазом определяется тем реальным полем зрения (шириной наблюдаемой зоны), которая отображается на совершенно конкретном размере экрана. Разрешение камеры тоже, конечно, играет роль. Точнее играло, потому что на сегодняшний день оно всегда превышает достаточное. Как разрешение 100 точек на дюйм обеспечивает любой компьютерный монитор.

Итак, для размера изображения объекта с диагональю 12-15 дюймов необходимо следующее поле зрения, чтобы:

• заметить человека – 20 метров,
• опознать знакомого человека – 5 метров,
• опознать незнакомого человека – 2 метра,
• прочесть номер машины – 2,5 метра.

А вот машинное зрение способно «прочесть» номера машин одновременно в 3-4 -х полосах движения. Но нам такое не дано. Поэтому, для машинного зрения 4К – это всегда благо. А нам для визуального просмотра оно явно избыточно.

Если же говорить о видеозаписи, то высокое разрешение предоставляет очень большие возможности. Можно установить единственную камеру с разрешающей способностью 4К, охватывающую поле зрения шириной в 50 метров. Визуально мы на экране 15-дюймового монитора увидим, разве что некие мелкие обозначения человеческих фигурок. Но можем электронным увеличением отобразить на экране не все поле, а только пару метров. Оставшегося разрешения может вполне хватить, чтобы увидеть на экране не просто человека, но и описать его в мельчайших деталях. Но…только это уже запись. Событие уже случилось. А если это было именно опасное событие?

Логичный вопрос – а почему нельзя сделать электронное увеличение в процессе прямого наблюдения? Можно! Только, во-первых, мы на время такого увеличения теряем отображение всей сцены. А если имел место именно отвлекающий маневр? И второе. Мы уже потеряли на нашем очень высоком разрешении, а, значит, IP-технологиях 3-5 секунд. Мы и так наблюдаем уже свершившееся событие. Прибавим время на привлечение внимания и все манипуляции с аппаратурой на сам процесс электронного увеличения. В зависимости от характера опасности, возможно, наблюдать уже будет нечего. А то и не кем.

И еще, о чем стоит не забывать. Если камера имеет высокое разрешение, то и весь тракт передачи, записи и отображения должен поддерживать разрешение никак не ниже. Больше – пожалуйста. Начиная с объектива. Если объектив пропустит только 2 Мpix, то на выходе камеры 4К, на которую он установлен, получим никак не более 2 Mpix. То же касается и всего тракта передачи со всей магистральной аппаратурой, и регистратора, к которому камера подключена, и компьютерных мощностей, призванных работать с сигналом высокого разрешения. А с ростом разрешающей способности стоимости всей такой аппаратуры растут гораздо ощутимей, нежели стоимость самой камеры. Вот почему имеет смысл осуществлять прямое видеонаблюдение в достаточном для этого разрешении, а видеозапись в идеале осуществлять на борту видеокамеры с последующим скачиванием при необходимости.

И еще один очень важный параметр выбора камеры видеонаблюдения, заслуживающий отдельного внимательного рассмотрения – это чувствительность. Измеряется в люксах (лк). В характеристиках видеокамеры будет фигурировать, например, такая величина – 0,001 лк – одна сотая люкса. Или 0,1 лк. А бывает и 0,00001 лк. Некоторые особо рьяные рекламщики могут и вовсе написать – 0,000 лк, предполагая, что их камера видит в кромешной темноте за счет встроенной ИК-подсветки.

Что такое люкс и освещённость

Некий источник света – солнце, фонарь……свет звезды в ночи – излучает некий световой поток, измеряемый в люменах. Световой поток, приходящийся на единицу площади освещаемого источником света объекта, носит название освещенности. И измеряется освещенность в люксах (лк)

1 люкс = 1 люмен/1 м2 .

И освещенность измеряется в люксах, и чувствительность камеры тоже измеряется в люксах. Хотя, освещенность объекта – величина, зависящая от внешних факторов, а чувствительность камеры – величина постоянная при одной и той светосиле объектива – на этом моменте мы остановимся ниже более подробно в силу его важности.

Распространённые заблуждения о чувствительности

Если набрать в поисковике зарос «что такое чувствительность камеры видеонаблюдения», на первой странице вы можете вообще не обнаружить правильного определения. В лучшем случае где-то в самом низу. Кто-то первый дал свое видение этого понятия, а остальные старательно переписывали со своими стилистическими изменениями, никак не меняющими сути заблуждения.

Итак, массово вам предложат под чувствительностью камеры понимать минимальную освещенность объекта в люксах, при которой он четко отображается на экране.

Можно обеспечить одну и ту же освещенность для белого халата и темно-серой фуфайки. Вероятно, первый ГОСТ на системы видеонаблюдения и подразумевал нечто подобное, предложив в качестве эталонной цели человека ростом 170 см, одетого в белый хлопчатобумажный халат. Предлагаются даже некие примеры минимальной освещенности. Например, 0,1 лк – лунная ночь, а 0,01 лк – звездная ночь. Но все мы знаем, как предметы «исчезают в ночи» с удалением от глаза (и от камеры тоже). И прекрасно на неосвещенной дороге вдруг видим световозвращающий жилет сотрудника ГАИ. При одной и той же освещенности одни объекты наш глаз видит, а друге нет. Точно так же обстоят дела и с камерой.

Итак, правильным будет такое определение. Чувствительность видеокамеры определяется минимальной освещенностью матрицы после прохождения светового потока через объектив, при которой полезный сигнал с сенсора укладывается в допустимое соотношение сигнал/шум.

В соответствии с этим определением понятно, что заявляемая ушлыми рекламщиками чувствительность видеокамеры в 0 люкс – это глупость полная. Если на сенсоры матрицы вовсе не поступает свет, никакого электрического сигнала он не даст.

Выражение «четко отображается» может иметь сколь угодно много трактований. Справедливости ради надо сказать, что допустимое соотношение сигнал/шум тоже может по-разному определяться разными производителями. Фирма «Sony» указывало для своих камер величину в 45 дБ. Следует понимать, что если это соотношение ниже, то изображение с камеры не может считаться приемлемым. В реальности для какого-нибудь фильма это действительно так. Но для задачи «обнаружить», «идентифицировать», «сопровождать» это с избытком. Отечественный производитель камер именно для условий экстремально низкой освещенности указывал для своих камер величину в 20 дБ. И всех это устраивает. Главное, что появляется определенность, подкрепленная цифрой.

Влияние объектива, светосилы и диафрагмы на чувствительность

Важный момент для понимания. Камера работает не с освещенностью объекта, а с яркостью – с тем световым потоком, который, отразившись от объекта наблюдения, пройдя путь от него до камеры, далее через объектив, попадает на матрицу.

Сначала при самом отражении произойдет ослабление светового потока в соответствии с коэффициентом отражения. Так, для упомянутой выше фуфайки он составляет…К=0,2. То есть, световой поток сразу ослабнет в 5 раз. А далее с увеличением расстояния освещенность будет падать по квадратичному закону – обратно пропорционально квадрату расстояния. И у объектива будет составлять Е = Е объекта х К отр../R2

Е – освещенность у объектива (но еще не на матрице)

Е объекта – освещенность объекта

К отр. – коэффициент отражения

R – расстояние от объекта до объектива камеры.

Дальше вступает в дело объектив со своими параметрами. В данном случае нас интересует его светосила – параметр, характеризующий его пропускную способность.

Есть понятие геометрической светосилы и физической. Геометрическая светосила определяется выражением:

Q= (d/f)2

Где d – диаметр входного зрачка объектива

f – фокусное расстояние

В выражение физической светосилы входит коэффициент пропускания, поскольку на стеклах линз объектива происходит как отражение света, так и поглощение. Коэффициент зависит от материала изготовления линз, наличия и качество просветляющего покрытия и т.п.

Qf = kпp (d/f)2

Для удобства (чтобы проще было оценить светосилу объектива, не связываясь с возведением в квадрат) введено понятие относительного отверстия:

N= d/f тогда Q= N2

И введено понятие диафрагменного числа

F = 1/N или F = f/d

Именно диафрагменное число нередко наносится на шкалу диафрагмы или отображается на индикаторе фото/видео камеры при регулировке диаметра входного зрачка.

Поскольку, чтобы спроецировать световой поток, отраженный от объекта наблюдения, на матрицу всегда необходим объектив, а объектив, в свою очередь, неминуемо этот поток ослабевает, уменьшая освещенность матрицы, указывая величину этой освещенности необходимо указать, с каким именно объективом, а точнее при какой его светосиле, получены данные чувствительности. А так как светосила напрямую связана с диафрагменным числом, указывают именно его. В графе «чувствительность» должна быть, например, такая запись: «0,05 лк/F1,2». В данном случае матрица имеет чувствительность 0,05 лк с объективом, диафрагменное число которого равно 1,2. Если диафрагменное число не указано, поставщик не владеет вопросом чувствительности на должном уровне. Что вы получите от него на самом деле, предсказать невозможно.

Почему крайне важно иметь данные о диафрагменном числе (или относительном отверстии)? Как правило, чувствительность указывается при очень маленьких значениях диафрагменного числа (очень большой светосиле объектива). Как следует из формулы F=f/d фокусное расстояние такого объектива близко к диаметру входного зрачка, то есть достаточно маленькое для камеры с форматом матрицы 1/3”. Это исключительно широкоугольный объектив (свет собирается с большого телесного угла). В действительности фокусное расстояние объектива на нашей камере будет такое, какое потребует потребительская задача. Это может быть камера контроля пространства вдоль забора периметра, позволяющая обнаружить проникновение на 100-метровом участке. Но ее угол обзора при этом будет не более 25 градусов в горизонтальной плоскости, а фокусное расстояние при формате матрицы 1/3” составит примерно 12 мм.

Для широкоугольного объектива с F=1,2 фокусное расстояние окажется приблизительно 4 мм. Тогда d=3,3 мм, а F для 12-миллиметровго объектива будет составлять уже не 1,2, а 3,6. На самом деле вычислять относительное отверстие (или диафрагменное число) не придется. Это обязательная характеристика любого объектива, которая в обязательном порядке не только отражается в сопроводительных документах, но и нанесена на корпусе самого объектива. Если такой характеристики на корпусе нет, приобретать его категорически не стоит.

А светосила обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа.

Таким образом, чувствительность нашей камеры, которая с объективом при F=1,2 составляла 0,05 лк с нашим условным объективом с f=12 мм и F=3,6 будет уже составлять:

E1=0,05 x 3,62/1.22=0,45

Итак, стоило поменять объектив, и чувствительность упала в 9 раз. Вместо 0,05 лк теперь составляет 0,45 лк. Сама же камера при этом никак не менялась.

Попутно для справки. И на бытовой, и на профессиональной фото – видео техники приняты совершенно конкретные цифры на шкале диафрагмы (диафрагменные числа) – например, 2; 2,8; 3,5; 4; 5,6; 8; 12; 16; 22…- называемые степами. Почему такие именно цифры? Потому что при переходе с одного степа на соседний в сторону увеличения значения диафрагменного числа световой поток на матрицу уменьшается в 2 раза.

Маркетинг и реальные технологии

В рекламных заверениях сегодня вам будут говорить, что высокая чувствительность современных камер видеонаблюдения (особенно в цвете) – это чуть ли не технологический прорыв в производстве матриц. В действительности на чувствительность, как таковую, в максимальной степени влияет исключительно формат матрицы. Корректно указывать чувствительность при выведенном АРУ (автоматическая регулировка усиления) именно для оценки матрицы. В профессиональных видеокамерах так и делается. На рынке камер видеонаблюдения сегодня правит другая технология. АРУ напротив задействуется на полную мощность (до 110, а то и 130 дБ) и далее устанавливается фильтр для минимизации шумов от такого уровня усиления. Шумы все равно присутствовать будут при низкой освещенности, но правит все тот же принцип для рынка технических средств безопасности – «и так сойдет». И это правда – сойдет.

Есть видеокамерами с т.н. режимом «день/ночь». Тогда в технических характеристиках указываются два значения чувствительности – в режиме дня, и в режиме ночи. Конечно, со временем суток режим работы камеры никак не связан, а исключительно с уровнем освещенности матрицы. Если освещенность падает до порогового значения дневного режима (режим цветного изображения), камера переходит в режим монохромного изображения, в котором происходит объединение сигналов с раздельных пикселов R,G,B . В результате чувствительность повышается на порядок (на порядок уменьшается ее числовое выражение). Но изображение уже из цветного превращается в монохромное.

Если по условиям потребительской задачи цветность необходимо во весь период работы видеокамеры, применение камеры с режимом «день-ночь» не целесообразно. В этом случае необходимо обеспечить искусственное освещение видимым светом в темное время суток. Всевозможные варианты работы с ИК-подсветкой также дадут исключительно монохромное изображение. Вопросу грамотного построения искусственного освещения посвящена отдельная статья «Светить…и никаких гвоздей», имеющаяся на сайте.

К значимым характеристикам можно отнести динамический диапазон видеокамеры, хотя далеко не всегда он указывается. Это отношение яркости объекта, который камера воспринимает, как абсолютно белый (изображение уходит в засветку) до яркости объекта, воспринимаемого, как абсолютно черный (на фоне этого объекта различимость пропадает). Обычно он составляет 55-65 дБ. Чем он шире, тем более мелкие детали камера воспримет в тенях и в светах одновременно. Проверить эту характеристику у потребителя вряд ли получится. Можно судить только о более широком или узком диапазоне, сравнивая изображения одной и той же сцены от разных видеокамер.

Таковы наиболее значимые для видеонаблюдения технические параметры оценки и выбора камеры. Далее в паспорте могут указываться самые различные параметры на усмотрение производителя с целью придать своему товару конкурентные преимущества. Проверить таковые, а также определить их значимость для решения своей задачи у потребителя не получится. А посему зачастую после указания четырех рассмотренных выше параметров далее в паспортах камер различных производителей следуют характеристики, которые могут выглядеть совершенно одинаково.

Что касается всевозможной видеоаналитики на борту, идентификации лиц, человеческих фигур, автомобильных номеров, тревожных выходов и входов и т.п. Это все относится исключительно к прикладным сервисным функциям, реализуемым отдельными аппаратно-программными комплексами, пусть и установленными в корпус самой видеокамеры. Любая видеоаналитика работает с уже сформированным и готовым к передаче сигналом, и может быть реализована и на борту камеры, и на приемном конце линии передачи, и в каком-то промежуточном посту. А сигнал надо в любом случае сначала получить, за что и отвечает собственно камера.

Поэтому выбор камеры по сервисным возможностям и функциям надо производить из перечня, отобранных «кандидатов» по основным ключевым параметрам. И строго в соответствии со свей собственной задачей. Потому что риск заплатить за невостребованные функции очень велик. Кроме того, пойдя на поводу каких-то уникальных дополнительных заявленных возможностей можно стать заложником одного производителя не только камер, но и приемного оборудования.