SEMINARSKI RAD

ETŠ”Mija Stanimirović”Elektrotehničar multimedija

MARKOVIĆ NEMANJAIV/2

KAMERE ZA VIDEO NADZOR

KAMERE ZA VIDEO NADZOR

Naziv kamera dolazi od latinske reči "camara obscura" što znači tamna soba. U takvim sobama vršili su se eksperimenti sa prvim pokušajima fotografije, a i prve kamere bile su u stvari tamne kutije u kojima se izrađivala fotografija.1826 godine Joseph Nicephore Niepce uspio je napraviti prvi negativ filma. 1931 Vladimir Zworykin, porijeklom Rus, napravio je prvu elektronisku kameru. Sastojala se od elektronske cevi pa njih zovemo cevne kamere.Daljnjim razvojom definisala su se dva osnovna tipa cevnih kamera:Vidicon i Newicon .Vidicon kamere bile su jeftinije i manje osjetljive. Za tadašnju B/W sliku bilo im je potrebno između 5 i 10 luxa refleksije sa objekta kod F1.4Newicon kamere trebale su samo 1 lux , bile su puno skuplje i zahtevale su rad sa auto iris objektivom.1970ih kada je PC već stvoren eksperimentima sa memorijskim jedinicama, došlo je do razvoja CCD ( Charge Coupled Device ), koji je bio nova prekretnica u razvoju kamera, te potpuno zamenio cevne kamere.

CCD SENZORI ZA VIDEO NADZOR ( SECURITY )

Potrebno je naglasiti da se CCD senzori izrađuju za različite aplikacije kao : kamkorderi , digitalni foto aparati, industrijske kamere, filmske kamere, kamere za medicinu, istraživanje svemira , video nadzor ( security ) itd. Svaki od ovih tipova senzora specijalizovan je za određenu namenu i najčešće nije predviđen za nešto drugo iz razloga cene , funkcionalnosti, tehničkih mogućnosti itd. Česta su pitanja zašto Security color kamere nemaju rezoluciju koju postižu obični kamkorderi. Najčešći razlog je kvaliteta senzora koja je za video nadzor predviđena za 24 satni rad, kvaliteta slike, svetline, boje itd. CCD senzori za video nadzor proizvode se najčešće u formatu od 1/3". Međutim postoje kamere koje koriste i 1/4" , 1/2" , 3/4", 1" i veće senzore. Veća dijagonala CCD-a omogućava i bolj kvalitet slike. Često senzori 1/4" i 1/3" nose istu tehničku specifikaciju , ali u praksi pokazuju jako različite rezultate u koristi 1/3" CCD. Što je veća dijagonala CCDa možemo očekivati kvalitetniju sliku. Na malim CCD-ma npr. 1/4" rezolucije 480 TVL ( oko 430.000 pixela ) svaki pixel je značajno manji nego na 1/3" istih karakteristika. Veći pixel osim što može primiti više svetlosti, omogućava preciznije interpretacije boje. Na malim CCD-ima pixeli su "stisnuti" jedan uz drugi pa je potrebna kvalitetnija optika koja će precizno usmeriti svetlo. Međutim manji CCD-i se koriste uglavnom zato što su jeftiniji , pa obično skuplja optika ne dolazi u obzir. U svakom slučaju za potrebe Security-a potrebno je koristiti 1/3" , 1/2" ili veće CCD-e. 1/4" pogodniji su za manje zahtevne aplikacije , a 1/6" ( bez obzira na tehničku specifikaciju ) i slični za kamkordere i slično.

Kamere za security proizvode se u dvije rezolucije : srednja ( 512 X 580 = oko 290.000

tačaka ) i visoka ( 750 X 580 = oko 430.000 tačaka ). Security kamere sa većim brojem tačaka koje su glavni temelj za veću rezoluciju i na broju TV linija još uvek nisu u upotrebi u nadzornim sastavima ( osim specijalnih sastava ) i kao takve nisu u ponudi najvećih svetskih proizvođača. Trenutno na tržištu najviše rezolucije kamera u boji na temelju CCD-a visoke rezolucije ( 430.000 tačaka ) su SONY 540 TVL , PANASONIC 535 TVL , OXIC 530 TVL , SANYO 520 TVL itd ( 01-12-2004 ) . Ovdje su opisane standardne CCD kamere međutim na tržištu postoje i modeli sa više od 1.000.000 pixela ( Ikegami ) ali se u praksi izuzetno retko sreću. Već i prvi modeli CCDa bili su dobri a do danas su razvijeni modeli veličine do 62 mm X 62 mm sa rezolucijom od 5120 X 5120 tačaka, naravno koriste se za specijalne zahteve. Spektralna osetljivost CCD elementa o osnovi je rezultat foto-električnog fenomena. Veće talasne dužine ( područje infra crvenog ) ulaze dublje u silikonsku strukturu CCDa, pa ometaju rad CCDa. S druge strane povećavaju mu osetljivost na svetlo. CCD element radi u području od 400 nm do 1100 nm a, najosetljiviji je u području od 800 nm ( infra crveno područje ). B/W kamere nisu toliko osetljive na smetnje izazvane infra crvenim svetlom, pa obično i nemaju filtere, iako dodavanjem filtera za talasne dužine preko 700 nm poboljšala bi se rezolucija, bolji odnos signal-šum i prirodnija konverzija color okoline na nijanse sive boje.S druge strane color kamere moraju koristiti infra crvene filtere jer im infra crveno svjetlo ometa rad CCDa, te da u najvećoj mogućoj mjeri oponašaju ljudsko oko, te da na taj način dobijemo što realniju sliku u odnosu na ljudsko oko. Taj filter je ujedno i jedan od razloga zašto su color kamere manje osetljive na svetlo od B/W kamera. DAY & NIGHT kamere pod dnevnim svetlom rade kao color , a pod infra crvenim osvetljenjem kao B/W kamere. Ljudsko oko ne vidi pod infra crvenim svetlom. Kod vrlo slabog svetla u vidljivom spektru ne razaznaje boje, nego sve vidi u nijansama sivog. Senzor CCD kamera sastoji se od više hiljada tankih foto senzitivnih dioda. Za izradu senzora uglavnom se koriste dva materijala : Silicijum i Germanijum. Silicijum je najosetljiviji u području između 500 i 1000 nm a Germanijum između 500 i 1500 nm , ali sa karakteristikom koja je bolja tek iznad 800 nm. Ovo govori da se Germanium koristi uglavnom za specijalne infra crvene kamere , dok silicijum više za uobičajene kamere te infra crvene kamere manjih zahtjeva

Izgled video signala kamere

U osnovi sve kamere su monokromatske. Da bi se dobila boja kod kolor kamera , ispred svakog senzora ( phottodiode ) ugrađeni su filteri napr. za crvenu , zelenu i plavu boju ( ovisno o proizvođaču moguć je drugačiji izbor filtera ) . Upravo radi tih i infra crvenog filtera, kolor kamere su manje osetljive na intenzitet svetla ali se optički postiže daleko bolja slika u boji, koja je kromom i rezolucijiom prihvatljivija ljudskom oku, u odnosu na crno-belu sliku. Odnos signal-šum pokazuje koliko je kvalitetan signal kamere pri slabom osvetljenju. Izražen je u decibelima ( db ). Šum nije moguće izbeći , ali ga je moguće smanjiti. Nivo šuma u signalu najviše ovisi o kvaliteti CCD elementa, pratećoj elektronici i vanjskih elektromagnetskih uticaja. Važna je i radna temperatura kamere, odnosno mogućnost hlađenja ili grejanja. Šum u slici posebno se ističe kod upotrebe AGC funkcije pri slabom osvetljenju, jer se tada pojačava slab signal i puno šuma.Praktično uzevši odnos signal-šum od 48 db za kamere koje se upotrebljavaju u video nadzoru smatra se dobrim. Za Televizijske kamere odnos signal-šum je 56-60 db, što je jako dobar rezultat za analogni signal. Kamera koja ima odnos signal-šum 48 db ima 30 % manje šuma nego ona od 45 db.Televizijske kamere su najzahtevnije kamere koje se uopće proizvode . Da bi se dobila što bolji kvalitet slike kamere koriste se 3 CCD senzora ( napr.: Ikegami ili Sony 3 CCD ExWave i 3 CCD HyperHAD model ). Za zelenu, plavu i crvenu boju. Da bi se svetlo posle prolaska kroz objektiv pravilno raspodelilo na svaki CCD element posebno , dodatno se ugrađuje optička prizma.

PROCESORI

Osim senzora kamere sledeći važan element je procesor. Senzor stvara "sirovu sliku". Kada bi nju propustili na monitor bez procesiranja bili bi jako razočarani. Oštrina rubova , kontrast , balans boja i drugi parametri na sirovoj slici gotovo su nepoznati. Procesor sa svojim algoritmom doteruje takvu sliku tako da ispravlja očekivane greške senzora, kompenzuje i obrađuje signal senzora, doteruje šum , pojačanje signala itd. U praksi kod kvalitetnih prozvođača kamera obično su senzor kamere i procesora od istog proizvođača. Ipak moguće je naći i izuzetke.

C-MOS SENZORI

Ovaj tip senzora je malo zastupljen u video nadzornim kamerama i to najčešće u jeftinim kućnim varijantama kamera. Razlog je taj što senzori koji se koriste za video nadzor nemaju kvalitetnu sliku a minimalna osetljivost im nije zadovoljavajuća dok s druge strane cijena im je vrlo niska. Ipak C-MOS senzori se razvijaju za druge aplikacije ( specijalne kamere , digitalni fotoaparati itd ) gde postižu izvanredne rezultate. Zovu ih i pametnim senzorima jer se gotovo sva elektronika nalazi u sklopu samog senzora. Odlikuju se boljim odnosom signal-šum, manjom potrošnjom električne energije, većom brzinom itd. Verovatno će u skorijoj budućnosti proizvođači pokrenuti proizvodnju kvalitetnih security senzora u C-MOS tehnici.

MINIMALNA OSJETLJIVOST KAMERE

1. Minimalno osvjetljenje CCD senzora2. F objektiva3. Toplina boje pri kojoj je kamera testirana4. Procenat refleksije sa objekta na kojem je test vršen5. IRE ( nivo izlaznog video signala )

U praksi osim minimalne osetljivosti najčešće su nam dostupni podaci o F-STOP objektiva, ređe možemo pronaći podatke o temperaturi boje , izuzetno retko o IRE , a gotovo nikada o postotku refleksije sa testiranog objekta. Već podaci o osetljivosti , F-STOP objektiva i IRE mogu nam približno pokazati performanse kamere.

Da bi ti odnosi bili jasniji u nastavku su navedeni neki primeri i usporedbe da bi se dobila tačnija slika o odnosima gore navedenih faktora.

Oznaka minimalno potrebno osvetljenje u tehničkim podacima mora biti prikazana zajedno sa tipom objektiva npr. : 1,00 Lux / F2.0 znači da je za tu kameru potrebno minimalno 1 Lux svetla ako se koristi objektiv F2.0 . Ako koristite objektiv F1.4 za tu istu kameru , onda je minimalno osvetljenje 0,5 Luxa , iz razloga što objektiv F1.4 propušta duplo više svetlosti nego objektiv F2.0

Kada uz minimalnu osetljivost nije prikazan podatak o F objektiva, minimalna osetljivost od 1,00 lux može biti prikazana i kao 0,39 Lux ili 0,25 Lux a da pri tom nije prikazan lažan nego samo nepotpun podatak.

Tačno bi trebalo prikazati ovako :1. 1,00 Lux / F2.02. 0,39 Lux / F1.23. 0,25 Lux / F0,8

Sledeći važan podatak je izlazni nivo signala kamere a prikazuje se u jedinicama koje se zovu IRE.

IRE Engleska skraćenica od "Institute of Radio Engineers" Jedinica mere deli peak belog nivoa ( 1 Vpp ) na 140 jednakih jedinica. Prema tome 1 IRE = 0,071428 Vpp, a 140 IRE odgovara 1Vpp. Područje aktivnog videa je 100 IRE , što odgovara oko 0,71V. Naprimer 30 IRE odgovara nivou video signala od oko 0,21 V, a 50 IRE odgovara nivou video signala od oko 0,35 V. Vrednost od 30 IRE je minimum na kojem kamera može davati neki prihvatljivi signal ( preporučuje se 50 IRE ), iako u praksi čak i neki jako poznati proizvođači daju podatke o kameri na 10 IRE.

Ako proizvođač želi maksimizirati performanse za minimalnu osetljivost kamere tada to najčešće radi sa podacima koristeći veličinu od 10 IRE ili čak i manje za izlazni video signal. Međutim ako imamo jedan podatak o IRE lako je izračunati i ostale jer su linearni. Na primjer 50 IRE ima 5 puta veći izlazni nivo signala nego 10 IRE. 100 IRE ( 0,71 V ) je ujedno puni video signal pri kojem kamera daje svoje najbolje karakteristike, najbolje boje , najbolji kontrast i oštrinu .Vrednosti manje od 100 IRE smanjuju idealne karakteristike kamera. Evo primera kako izgleda minimalna osetljivost kamere od 1 lux prikazana sa različitim F objektiva i različitim IRE a da su svi podaci tačni.

1,00 lux / F2.0 / 50 IRE0,23 lux / F1.2 / 30 IRE0,05 lux / F0.8 / 10 IRE

TEMPERATURA BOJE

Temperatura boje je način kojim izražavamo spektar koji sadrži svetlo. Izvor svetla od 3200K uglavnom sadrži spektar talasnih dužina od 600nm do 900nm, a izvor svetla od 9300K sadrži uglavnom spektar talasnih dužina od oko 300 nm do 500nm. Izvor svetlosti talasne dužine od 600 nm generiše 10 puta više elektrona nego izvor svetlosti od 900 nm na CCD senzor kamere , pa je na taj način i senzor 10 puta osetljiviji. To je razlog što je potrebno da se uz ostale važne faktore pri merenju minimalne osetljivosti mora dati podatak o temperaturi svetla da bi se dobio tačniji podatak.

1,000 lux / F2.0 / 50 IRE / 9300K0,300 lux / F1.4 / 30 IRE / 9300K0,008 lux / F1.2 / 10 IRE / 3200K

Kao što možete uočiti i gore navedenim primerima kamera od 1 lux može se isto tako prikazati i kao kamera od 0,008 lux. Ako su svi podaci prikazani lako je uočiti da su podaci od 0,008 luxa u praksi potpuno neupotrebljive vrednosti iz razloga što je temperatura boje omogućila 10 puta višu osetljivost CCD senzora ali nivo video signala od 10 IRE objektivno je prenizak za upotrebu jer iznosi samo 0,07 Vpp.

No ipak ne smijemo biti previše skeptični pa da kažemo da su takve vrijednosti sa današnjom tehnologijom realno nemoguće. Kada se radi o SLOW SCAN kamerama one stvarno mogu postizati i bolje rezultate od najboljih gore navedenih ali uz određena ograničenja. Sledeće najbliže su vrlo kvalitetne ExView kamere koje se mogu približiti gore navedenim podacima, ali ni svaka ExView kamera nema performance koje vi možda očekujete.

REFLEKSIJA

Procenat refleksije govori nam o količini svetla koja se reflektuje sa određenog objekta. Nije svejedno na kojem se objektu testira kamera. Maksimalne vrijednosti kod ozbiljnih proizvođača su oko 70-80 % , a može se prikazati i sa 100% što je nama u praksi neupotrebljivo ali podiže performanse kamere.

 

LJUDSKO OKO

u osnovi, sastoji se od očne jabučice i pomoćnih organa ( mišići , suzne žlijezde, vijeđe ). Zanimljivo je kako oko stvara sliku. Umesto tačaka ( pixel ) na senzoru slike od kamere , oko ima štapiće i čunjiće. Štapići su vitki membranski diskovi smešteni većinom na periferiji mrežnice a aktivniji su kod slabog svetla. ( sumrak ).

Ne razlikuju dobro detalje a ne raspoznaju ni boje koje registruju kao svetliju ili tamniju nijansu sivoga. Međutim posebno su osetljivi na kretanje , pa se detekcija kretanja vrši isključivo uz njihovu pomoć. Njih ima u svakom oku oko 120.000.000 ( sto dvadeset miliona ). Čunjići su zdepastiji i smešteni su u središnjem delu mrežnice. Osetljivi su samo na jače svetlo, razlučuju više detalja ( rezolucija ) i boje. Njihov broj je oko 6.000.000 ( šest miliona ). Pri dnevnom svetlu čunjići i štapići rade zajednički. Kada gledamo direktno u predmet najvažnije su nam informacije čunjića , međutim kod prelaska ulice kada nam je važan periferni vid i kretanje najviše koristimo informacije štapića. Kaže se vidio sam ga krajičkom oka , što je u stvari i tačno. Pri dovoljno jakom svetlu boje su potpuno zasićene. Čunijći rade punim kapacitetom. Padom svetla prvo nestaju zelena , pa crvena pa žuta boja, a najkasnije plava ( periferija mrežnice oka osetljivija je na plavo svjetlo ). Ali daljim smanjivanjem svetla nestaje i plave boje pa u oku rad preuzimaju štapići. Slika postaje bez boje , neoštra , a i razlučivost detalja je slaba.