Системи охоронного відеоспостереження

Сфери використання систем відеонагляду та список їх функцій достатньо широкі. Вже давно стала звичною наявність камер спостереження в супермаркетах, офісах і на складах, не кажучи вже про такі серйозні об'єкти, як банки, режимні підприємства та ін.

В наш час можна виокремити кілька основних завдань, які вирішують з допомогою систем охоронного відеоспостереження при охороні об’єктів: загальне спостереження за ситуацією; виявлення підозрілих людей, автомобілів, тварин, предметів; ідентифікація виявлених об’єктів контролю.

Окрім того, залежно від призначення, виконуваних функцій та складності завдань, системи охоронного телебачення можуть забезпечити створення різних зон контролю на об’єкті:

• зони відеоспостереження, в яких оператор, використовуючи один-два монітори, здійснює просту оцінку ситуації на різних ділянках (фрагментах) об’єкту з допомогою кількох відеокамер, комутаторів та квадраторів;
• зони відеоконтролю, відеоінформація з яких автоматично (без участі оператора) фіксується на спеціальний відеореєстратор та може програватись для ретроспективного контролю ситуації на об’єкті;
• зони охорони, в яких здійснюється відеоспостереження та автоматичне виявлення порушників чи інцидентів, при цьому подаються сигнали тривоги як внутрішніми, так і зовнішніми сповіщувачами;
• зони захисту, які в першу чергу обладнані багатокамерними системами відеоспостереження, відеоконтролю та відеоохорони, якими управляють багатофункціональними запрограмованими матричними контролерами, мультиплексорами, комп’ютерами та контролерами зі спеціальними програмами охорони об’єктів та входять в інтегрований комплекс охорони об’єкту, який поєднує ще й різні засоби охоронної сигналізації, пристрої контролю доступу, декілька постів спостереження, пости охорони з персоналом негайного реагування. При цьому всі складові комплексу взаємопов’язані і дозволяють з допомогою мультиплексорів та комп’ютерів раціонально розподіляти тривожну інформацію (наприклад, включати по сигналу тривоги відеоспостереження декількома відеокамерами в різних ракурсах, включати додаткове освітлення і т.д.).

Системи відеоспостереження

Системи відеоспостереження поділяються на прості (одно-двокамерні) та складні, багатокамерні, з різною обробкою відеопотоку.

Прості системи відеоспостереження служать для примітивного, оперативного спостереження за ситуацією на об’єкті в режимі реального часу.

При достатньо серйозних вимогах щодо контролю об’єкту в декількох зонах використовуються багатокамерні системи відеоспостереження, обладнані, наприклад, кількома камерами, підключеними через комутатори, квадратори та мультиплексори на один-кілька моніторів. У таких випадках встановлюють часто до восьми камер спостереження, оскільки велика кількість камер ускладнює роботу одного оператора для відстеження ситуації в кожній підконтрольній зоні. Оптимальним вважається спостереження чотирьох камер одним оператором.

Проста система відеоспостереження складається з двох елементів: телекамери і відеомонітору, поєднаних між собою лінією зв’язку для передачі сигналу від камери на монітор. Така система є базовою для систем відеоспостереження, відеоконтролю та відеоохорони.

Відеосистема може бути кольоровою або чорно-білою (ч/б). У більшій кількості випадків використовуються ч/б відеосистеми, оскільки вони значно дешевше кольорових і мають більшу розподільну здатність. Кольорові відеосистеми використовують тоді, коли колір несе суттєву додаткову інформацію про об’єкт охорони (колір автомобіля, волосся особи, її одягу й т.д.).

Важливою характеристикою відеосистеми є роздільну здатність, тобто можливість відображати найбільш дрібніші деталі зображення. Стандартним розширенням вважається 380-420 ТВ ліній для ч/б телекамери та 300-350 ТВ ліній для кольорової. Відеомонітор має більш високу роздільну здатність, щоб не погіршувати загальну роздільну здатність системи. Тому доцільно вибрати монітор з роздільною здатністю 600-800 ТВ ліній.

Системи відеоконтролю

Важливою функцією телевізійних систем при охороні об’єктів є можливість здійснення реєстрації та документування протягом тривалого часу відеоспостереження подій, які відбуваються на об’єктах. Для цього використовують відеозапис на спеціалізовані відеореєстратори, які можуть працювати як неперервно, так із в режимі покадрового запису з заданим інтервалом часу між кадрами, з обов’язковим записом поточного часу і дати. При перегляді такого запису можливий багаторазовий ретроспективний контроль всієї ситуації у зонах контролю, детальне вивчення тривожної ситуації в зоні охорони з відновленням часу подій.

Таким чином системи відеоконтролю — це системи відеоспостереження з відеозаписом, які допомагають службі безпеки об’єктивно оцінювати ситуацію, ідентифіковувати людей, а також дозволяють оцінити якість роботи операторів.

Системи відеоохорони

Як згадувалось раніше, на об’єктах, що охороняються можуть бути створені зони відеоохорони (відеоохоронної сигналізації), в яких сигнал тривоги формується телевізійною системою при зміні зображення, яке надходить з відеокамери. Для такої цілі в телевізійній системі використовуються одно- та багатоканальні детектори руху.

Детектори руху бувають аналогові (зазвичай одноканальні) та цифрові (одно- та багатоканальні). В аналогових детекторах руху (їх інколи називають детекторами активності) на відеомоніторі можуть виділятись білим або чорним контуром (зазвичай прямокутним) відокремлені маркерні вікна, в межах яких здійснюється виявлення порушника. Для цього в кожному маркерному вікні вимірюється та окремо запам’ятовується середня напруга відеосигналу зображення і потім через певний інтервал часу воно порівнюється з напругою в тих же вікнах знову. Якщо різниця в напрузі складе більше 10% (звичайний поріг чутливості) в той чи інший бік, то детектор руху генерує сигнал тривоги.

У цифрових детекторах руху зображення на екрані відеомонітору може розбиватись на декілька десятків і сотень маркерних вікон. Кожне маркерне віно для виявлення руху може програмуватись окремо як по своєму розміру, так і по чутливості. Чутливість у даному випадку є кількість розбіжностй елементів та амплітуда розбіжностей в кожному окремому елементі. При цьому всі маркерні вікна можуть конфігуруватись в будь-якому поєднанні за бажанням замовника.

Зображення у кожному маркерному вікні кожного кадру одного циклу відеозапису фіксується окремо в пам’ять цифрового детектора руху і потім через заданий інтервал часу порівнюється поелементно (відповідно з дискретністю записаного зображення) з відображення в тих же маркерних вікнах знову отриманого кадру в наступному циклі. Тривожна ситуація виникає в тому випадку, якщо при порівнянні двох зображень в будь-яких однойменних маркерних вікнах двох кадрів число неспівпадаючих елементів зображень в одному і/або декількох вікнах становитиме більш ніж задане. В такому випадку детектор руху формує сигнал тривоги у вигляді мигання рамки маркерного вікна або іншими відеосигналами на екрані відеомонітору, а також видає звуковий сигнал на внутрішній та зовнішній сповіщувачі для звернення уваги оператора. У більшості випадків на об’єктах вночі та вдень потрібно задати різний набір параметрів виявлення. Тому в детекторах задають два режими роботи: денний та нічний, які відрізняються як конфігурацією маркерних вікон, так і чутливістю. Режими роботи переключаються з допомогою внутрішнього або зовнішнього таймера.

Основні елементи систем охоронного телебачення

Камери. Всі сучасні камери відеоспостереження виробляються на основі використання ПЗЗ-матриць, поверхня яких є сукупністю світлочутливих пікселів, при цьому чим більша їх кількість, тим якісніше формується зображення. Основним параметром ПЗЗ-матриці є її формат — діагональний розмір, який вимірюється в дюймах.

В системах відеоспостереження використовуються, в основному, камери з розміром ПЗЗ матриці ¼ та ⅓, ⅔ дюйми.

Одним з важливих параметрів телекамери є роздільна здатність, яка залежить від числа пікселів на ПЗЗ-матриці. Роздільна здатність камери вимірюється у телевізійних лініях. Чим вища роздільна якість камери, тим якісніше отримане зображення. По роздільній здатності камери поділяються на два основних види: камери звичайного розширення (380-420 твл) та камери високої роздільної здатності (570-600 твл).

У кольорових камер роздільна здатність дещо гірше: 300-350 твл у кольорових камер стандартної роздільної здатності і 450-480 твл у кольорових камер високої роздільної здатності.

Іншим важливим параметром камери відеоспостереження є її чутливість, під якою розуміють мінімальну освітленість на об’єкті спостереження, яке дозволяє розрізняти на моніторі перехід від чорного до білого. Чутливість телекамер вимірюється в люксах.

Оскільки освітленість на об’єкті змінюється протягом доби, то для підтримання на постійному рівні кількості світла на ПЗЗ-матриці використовують камери спостереження з вбудованим електронним затвором, оснащені об’єктивом з автоматичним регулюванням діафрагми та іншими технічними рішеннями.

Функція електронного затвора камери спостереження аналогічна функції витримки фотоапарату, а швидкість її переключення зазвичай складає 1/100000 секунди. Об’єктиви з автоматичним регулюванням діафрагми подібні зіниці ока: чим більше освітлення, тим більше звужується діафрагма, і навпаки.

Основним елементом будь-якої телекамери є об’єктив, важливою характеристикою якого є фокусна відстань, яка вимірюється в міліметрах. Кут поля зору об’єктиву залежить від фокусної відстані таким чином: чим менша фокусна відстань, тим більше кут огляду. По фокусній відстані всі об’єктиви можна розділити на два основних види: короткофокусні та довгофокусні.

Зазвичай в системах відеоспостереження використовують об’єктиви з фокусною відстанню від 2,8 мм (кут поля зору по горизонталі близько 90° ) до 12,0 мм (кут поля зору по горизонталі близько 20°). Як правило короткофокусні (ширококутові) об’єктиви вносять нелінійні викривлення в зображення, особливо помітні по краях. У сучасних системах відеоспостереження у складі камер використовуються основні типи об’єктивів:

• об’єктиви з фіксованою діафрагмою, які використовуються для спостереження всередині приміщень у складі камер спостереження, оснащених електронним затвором;
• об’єктиви з автоматично регульованою діафрагмою, які використовуються у складі вуличних відеокамер, які працюють в умовах змінної освітленості;
• трансфокатори (варіоб’єктиви) — об’єктиви зі змінною фокусною відстанню, які використовуються зазвичай у складі вуличних камер спостереження, розміщених на опорно-поворотному пристрої для контролю мобільних об’єктивів;
• об’єктиви pin-hole (“вушко булавки”) — об’єктив з винесеною зіницею. Діаметр винесеної зіниці зазвичай буває 0,8-2,0 мм. Такі об’єктиви використовують у складі внутрішніх телекамер підвищеної захищеності, для прихованого відеоспостереження.

Гермокожухи. Гермокожухи призначені для роботи в широкому діапазоні кліматичних умов і дозволяють використовувати різні комбінації телекамер та об’єктивів. Кожух оснащений сонцезахисним козирком (фільтром), платою для установки камери, термостат та комутаційною панеллю. Деякі гермокожухи мають додаткове обладнання — вентилятори, омивачі скла, дощовики. Варто відзначити, що імпортні нагрівачі не завжди відповідають нашим кліматичним умовам і часто не розраховані на сильні морози.

Більш жорсткі умови зовнішньої експлуатації систем відеоспостереження вимагають індивідуального конструкторського рішення. Камери, що використовуються назовні, розміщуються в захищені кожухи, обладнані підігрівом (бокси).

Поворотні пристрої. Поворотні деталі призначені для камер спостереження з дистанційним управлінням. Вони забезпечують поворот в горизонтальній (до 365°) та вертикальній (до 183°) площинах, або лише в горизонтальній.

Розрізняють поворотні механізми з постійною та регульованою кутовою швидкістю переміщення. Сигнали управління камери трансформуються в задані механічні переміщення з допомогою приймачів телеметричних сигналів управління. Як правило, разом з поворотними пристроями постачаються пульти для управління трансфокаторами об’єктивів при необхідності отримати збільшене зображення.

Для забезпечення працездатності камери в суцільній темряві, а також для прихованого відеоспостереження використовуються пристрої місцевої ІЧ-підсвітки та ІЧ-прожектори, які опромінюють об’єкт невидимими для людини інфрачервоними променями.

Але такому обладнанню характерні і деякі недоліки: прилади ІЧ-підсвітлення неможна використовувати разом з кольоровими телекамерами, а енергоспоживання таких пристроїв значно більше, ніж при використанні звичайного освітлення для створення еквівалентної (для ПЗЗ-матриці) освітленості об’єкта.

Монітори. В ролі відеоконтрольного пристрою в системах відеоспостереження використовуються спеціальні монітори, які відрізняються від звичайних телевізорів високою надійністю, дедалі більшим часом напрацювання на відмову і покращеною роздільною здатністю (приблизно 800 твл).

Вибір розміру монітору залежить від кількості камер спостереження, зображення від яких буде одночасно виводити на екран в режимі мультикартинки. Для невеликих систем відеоспостереження (близько 4 камер спостереження) розумно використовувати монітори з розміром екрана по діагоналі не менше 12 дюймів. Для багатокамерних систем відеоспостереження (порядка 16 телекамер) рекомендується використовувати монітори з розміром екрану не менше 20 дюймів.

В окремих випадках знаходять використання в ролі відеоконтрольних пристроїв рідкокристалічні індикатори, для яких характерно невелике електроспоживання (розповсюдження напруга живлення 12 В), мобільністю використання та підвищеною вартістю.

Пристрої обробки відеосигналу. Для управління багатокамерними системами відеоспостереження та обробки відеозображення використовуються такі основні пристрої: відеокомутатори, відеоквадратори реального часу, відеомультиплексори, матричні комутатори.

Відеокомутатор. Відеокомутатор є простим пристроєм управління невеликими відеосистемами (зазвичай до 8 камер спостереження). Комутатор дозволяє виводити на екран монітору зображення від будь-якої відеосистеми в ручному або автоматичному режимі. В автоматичному режимі час переключення зазвичай регулюється від 0,5 до 60 секунд. Більшість відеокомутаторів мають “тривожні” входи для підключення зовнішніх пристроїв (датчиків руху, датчиків відкривання дверей і т.д.), при спрацюванні яких на екран монітора виводиться зображення від камери спостереження, “відповідальної” за ділянку, де знаходиться датчик, який спрацював. 

Відеоквадратори використовуються в невеликих системах спостереження (до 4 відеокамер) для одночасного виводу на екран монітора зображення від всіх телекамер в реальному масштабі часу в режимі мультикартинки, тобто кожне зображення займає 1/ екрана. Майже всі квадратори мають функції відеокомутатора, тобто в будь-який момент часу оператор може вивести зображення від однієї з відеокамер на весь екран. Більшість квадраторов мають “тривожні” входи. У кожному вікні мультикартинки можна задавати номер камери спостереження і вивести поточний час.

Відеомультиплексори призначені для управління роботою багатокамерної системи (до 16 камер), а також для обробки відеосигналів при записі й програванні. Відеомультиплексор має всі функції відеокомутатора та відеоквадратора. В режимі мультикартинки зображення з камер виходить дискретним (фрагментарне), при чому дискретність збільшується з числом підключених відеокамер. Це відбувається через те, що мультиплексор здійснює цифрову обробку відеосигналу від кожної камери, втрачаючи при цьому частину інформації. Принцип мультиплексування відеосигналу використовується також в сучасних цифрових відеореєстраторах.

Всі відеомультиплексори мають “тривожні” входи для підключення зовнішніх приладів (датчиків руху, датчиків положення дверей і т.д.). До мультиплексора зазвичай підключається основний монітор (часто 20 дюймів по діагоналі), на який виводяться зображення від всіх камер і додатковий, на який зазвичай виводиться зображення від камери спостереження, яка контролює найбільш важливу ділянку об’єкта, що охороняється.

Основною цінністю відеомультиплексора є якісний відеозапис від всіх відеокамер на одне джерело, що досягається послідовним покадровим записом зі всіх телекамер без погіршення роздільної здатності.

Більшість мультиплексорів мають вбудований детектор активності, за допомогою якого можна вибрати та встановити зони активності в полі зору будь-якої камери спостереження. При зміні рівня відеосигналу в заданій зоні мультиплексор подасть сигнал тривоги, по якому зображення з “тривожної” телекамери виведеться на монітор (зазвичай окремий) і здійснить більш детальний запис подій.

Існують такі основні класи мультиплексорів: симплексні, дуплексні та триплексні.

До симплексного мультиплексора можна підключити один накопичувач для цілодобового запису зображення зі всіх камер спостереження, але для того, аби переглянути записану інформацію, необхідно буде зупинити запис і лише після цього зайнятись переглядом. У сучасних системах майже не використовується.

До дуплексного мультиплексора можна підключити два накопичувачі: один для безперервного запису, а інший для програвання. При цьому трансляція може йти на додатковий монітор, виходячи з нього запис зображення або від однієї з вибраних камер, або в режимі мультикартинки.

Триплексний мультиплексор дозволяє підключає окрім двух накопичувачів монітор для отримання на ньому мультиекранної картинки.

Матричний комутатор — пристрій, який дозволяє зконструювати гнучку та легку в налаштуванні систему відеоспостереження. Матричний комутатор дозволяє вивести відеосигнал з однієї із підключених телекамер на будь-який монітор системи або відеозаписуче обладнання.

Окрім того, він дозволяє програмувати послідовності виводу відеосигналів на монітори та відеонакопичувачі, а також конфігурації для опорно-поворотних приладів та трансфокаторів, при чому для кожної камери задається індивідуальний час виводу на визначений монітор. Попередні параметри задають трансфокаторам та опорно-поворотним приладам визначений порядок послідовних дій (наприклад, повернуться по вертикалі на 25° вгору і збільшити зображення в 12 раз, потім повернутись по горизонталі на 50° вліво).

Програмування матричного комутатора здійснюється з клавіатури. До одного матричного комутатора можна під’єднати декілька віддалених клавіатур, що дозволяє організовувати декілька незалежних каналів управління телекамерами. Матричний комутатор має RS-232 порт для підключення до комп’ютера, що дозволяє з допомогою останнього програмувати та управляти діями комутатора. Матричний комутатор обладнаний “тривожними” входами для підключення охоронних сигналізацій або детекторів руху, при спрацюванні яких можна задати визначену послідовність дій комутатора (наприклад, вмикається камера, розташована в полі зору сигналізації, яка спрацювала, зображення з неї виводиться на основний монітор і одночасно відбувається запис такої інформації).

Детектори руху. Відеодетектори руху — це електронний блок, який зберігається в пам’яті поточне зображення з телекамери і подає сигнал тривоги при виникненні змін в зоні, за якою ведеться спостереження. Відеодетектори руху використовуються в основному в системах охорони великих об’єктів, де оператору приходиться контролювати велику кількість камер. Детектори руху можуть функціонально входити в склад мультиплексорів.

Розрізняють аналогові та цифрові детектори руху. Найбільш простими і дешевими є аналогові детектори, механізм дії яких можна порівняти з функціонуванням охоронних сповіщувачів, які підключаються до тривожних входів комутаторів, квадраторів і т.д.

Цифрові відеодетектори руху — це багатоканальні пристрої, які розбивають охоронну зону на окремі блоки, для кожного з яких встановлюється свій поріг спрацювання: чим він вищий, тим більші зміни мають виникнути на “картинці”. Характеристики руху (початок руху, напрямок, швидкість і т.п.) можна задавати програмним шляхом, що дозволяє, наприклад, не сприймати людину, яка рухається в напрямку від об’єкта або повз нього на певній відстані в ролі порушника. Налаштування системи з цифровими детекторами на оптимальний режим має здійснюватись з урахуванням особливостей місця установки камери та характеристик об’єкту (ймовірних шляхів переміщення правопорушника, наявності вразливих місць і т.д.), інакше складно буде уникнути великої кількості помилкових спрацьовувань або навпаки пропуску зловмисника. Цифрові відеодетектори руху використовуються у складних системах високого класу.

Цифрові відеореєстратори — пристрої для ведення цифрового відеозапису, поєднують в собі функції мультиплексорів, детекторів руху та відеонакопичувачів. Можуть базуватись на базі PC-комп’ютерів або на non-PC базах. 1-32 канальні відеореєстратори оцифровують з камер відеосигнали, оптимізують його для компактного зберігання на накопичувачах. Вони мають кращі можливості у сфері налаштування ведення відеозапису, мають можливість вести запис з оптимальним стисненням та ефективним виявленням. Дозволяють вести архіви багатомісячної діяльності та гнучко планувати тактику ведення спостереження. Відеореєстратори дозволяють вести мультиплексований запис до 25 кадрів/сек на канал, дозволяють тиражувати відеозапис та зберігати без втрати якості тривалий час. Відеореєстратори досить надійні, довговічні, практично не вимагають проведення спеціальної профілактики. Завдяки цим якостям на сучасному етапі відеореєстратори практично витіснили аналогову відеотехніку.

Пристрої передачі відеозапису. Для передачі телевізійного сигналу можуть використовуватись як кабельні канали зв’язку так і безпровідні канали.

Найбільш стабільна та якісна робота системи можлива при використанні коаксіальних кабелів. Максимальна відстань від телекамери до приймача відеосигналу залежить від типу кабелю та для найкращих зразків не перевищує 500 м.

Для передачі сигналу на великі відстані використовують відеопідсилювачі та модеми (передатчики-модулятори та приймачі-демодулятори). При цьому відеосигнал з допомогою спеціальної апаратури трансформується, запам’ятовується та передається з використанням модему. Час передачі може складати від долей секунди до хвилини, це залежить від вимог до якостей відеопотоку. В теперішній час популярні три системи передачі зображень по цифровим та звичайним телефонним лініям:

• системи з компресією зображення за принципом “умовного оновлення” (CR), призначені для передачі інформації виключно про зміни зображення від кадру до кадру;
• системи з MPEG-компресією, які використовують спеціальні алгоритми компресії зображень рухомих об’єктів;
• системи з JPEG-компресією, які забезпечують незалежне стиснення кадра зображення.

У спеціальних системах відеоспостереження, коли потрібна підвищена шумозахищеність, конфіденційність інформації та висока роздільна здатність, використовуються волоконно-оптичні лінії зв’язку. Дальність дії таких систем практично не обмежена. Їх відносна висока ціна обумовлена відсутністю у камер виходу для підключення оптоволоконного кабелю, що потребує використання у системі трансформаторів електричного сигналу в оптичний та у зворотному напряму. Окрім того, прокладення, зварювання та підключення таких ліній більш складні.

При створенні мобільних та переносних систем, а також у випадку неможливості та недоцільності прокладення кабельних ліній використовуються радіоканали зв’язку. Дальність передавання сигналу при цьому складає від кількох сотень метрів до кількох кілометрів. Але такі системи часто мають суттєві недоліки: можуть створювати перешкоди побутовому телебаченню, а сигнал в зоні дії передатчика може прийняти зловмисник. Цих недоліків позбавлені радіосистеми, які працюють на сантиметровому діапазоні, а також інфрачервоні системи. Останні не потребують дозволу на використання від Держкомітету по радіочастотам, але працюють у зоні прямої видимості, і їх дальність дії значною мірою залежить від оптичної заповненості навколишнього середовища (сніг, дощ, туман, пил і т.п.).