Жизнь через объектив

Часть четвертая – управление объективами.

Современные технические средства позволяют вести наблюдение из любой точки мира с автоматическим анализом получаемой видеоинформации и своевременным принятием решения в случае тревожных ситуаций.

Круг задач, решаемых с помощью телевизионных систем, постоянно расширяется, что подталкивает разработчиков и производителей такого оборудования на создание новых технических решений. Благо - рынок технических средств безопасности является одним из самых динамично развивающихся. Перспективными направлениями развития этой отрасли по нашему мнению являются:

-создание телевизионных систем дальнего наблюдения для обнаружения внештатных ситуаций и тревожных событий на территориально распределенных объектах (водоемах, лесных массивах и т.д.),

-применение камер мультимегапиксельного разрешения для фото- и видео- регистрации с высоким качеством изображения,

-развитие цифровых и компьютерных технологий для формирования, передачи, записи, просмотра и управления потоками получаемой видео информации,

-разработка алгоритмов и программ, предназначенных для обработки и анализа видео информации для решения различного рода задач – обнаружения и идентификации объектов, распознавания образов, регистрации событий, контроля и т.д.

Одной из важнейшей составляющей любой телевизионной системы является объектив, от которого в первую очередь зависит качество формируемого изображения.

На рынке технических средств, предназначенных для ведения телевизионного наблюдения, представлено огромное разнообразие объективов – от простейших малогабаритных типа «Board» до сложных и дорогостоящих оптических систем с возможностью удаленного управления. Назначение ТВ камеры и условия ее работы определяют приоритетные требования, как к характеристикам объектива, так и к его функциональным возможностям.

Изменяемые в пространстве (направление и расстояние до наблюдаемого объекта) и во времени (при ведении круглосуточного наблюдения) условия наблюдения (освещения) приводят к необходимости изменения как направления ТВ камеры, так и адаптации ее характеристик.

Направление ТВ камеры в зависимости от положения объекта относительно точки наблюдения может быть изменено с помощью поворотного устройства.

Размер наблюдаемой сцены (поля зрения камеры) зависит от расстояния от точки наблюдения до объекта, фокусного расстояния объектива и физического размера фотоприемника ТВ камеры. При изменении расстояния до объекта возникает необходимость оперативного изменения фокусного расстояния объектива с целью сохранения масштаба изображения.

Изменение освещенности наблюдаемой сцены более чем в 1000 раз приводит к необходимости регулирования количества света падающего на фотоприемник ТВ камеры с помощью диафрагмы объектива. Диапазон изменения диафрагмы объектива определяет диапазон освещенности, при котором обеспечивается работа ТВ камеры.

По способу управления диафрагмой существуют объективы:

- с фиксированной диафрагмой;

- с ручной (механической) регулировкой диафрагмы;

- с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД);

- с моторизованным приводом узла диафрагмы.

В ряде случаев может возникнуть необходимость в фиксации в заданном положении при дистанционном управлении. Режим работы, позволяющий осуществлять такое управление диафрагмой, называется «OVER-RIDE».

При низкой освещенности наблюдаемой сцены (в ночное время суток) может потребоваться дополнительное освещение с помощью осветительных приборов, работающих, как в видимой части спектра, так и в инфракрасной области. При этом необходимо изменять спектральную характеристику ТВ камеры, т.е. диапазона длин волн, в котором она способна работать. Например, ТВ камера с режимом «День-Ночь» с механизмом перемещения фильтра, отсекающего инфракрасную область, способна работать в светлое время суток в видимой части спектра, а в ночное (без такого фильтра) с применением инфракрасной подсветки. Такой механизм может быть встроен как в камеру, так и в объектив. Объектив при этом должен иметь так называемую инфракрасную коррекцию, позволяющую вести наблюдение при смене спектрального состава освещения без потери четкости и без дополнительной фокусировки.

Все это отражается на технических требованиях к объективу, который должен обеспечивать возможность дистанционного управления масштабом изображения, осуществлять регулировку светового потока на фотоприемник камеры и работать в видимой и близкой к ней инфракрасной области спектра без потери качества.

Рассмотрим некоторые особенности, связанные с управлением такими объективами, а также современные системы позиционирования, которые позволяют значительно расширить функциональные возможности систем наблюдения.

С точки зрения управляемости все объективы с изменяемым фокусным расстоянием можно разделить на группы, отличающиеся функциональными возможностями, диапазоном фокусных расстояний, весом, габаритом и, соответственно назначением и областью применения.

Варифокальные объективы с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД). Регулировка таких объективов сводится к установке их на ТВ камере так, чтобы во всем диапазоне фокусных расстояний обеспечивалась возможность их фокусировки, настройке управляющего сигнала АРД на камере, выбору масштаба (фокусного расстояния) и фокусировке на наблюдаемый объект при полностью открытой диафрагме (при минимальной глубине резкости).

Оперативное изменение масштаба изображения в этом случае невозможно. Как правило, такие объективы применяются в стационарных ТВ камерах.

Объективы, которые носят название «Pan Focus» относятся к бюджетному варианту объективов типа «Motor ZOOM». Основное отличие этих объективов, ограничивающее их применяемость, и, как следствие, является их недостатком – это отсутствие узла управления фокусировкой. Однако наличие моторизованного привода управления масштабом позволяет при необходимости оперативно изменять масштаб наблюдаемой сцены с удаленного пульта управления. Фокусировка ТВ камеры с таким объективом выполняется путем механического сведения (фокусировки) на фиксированное расстояние. Главное достоинство – низкая стоимость.

Модульные и корпусные моторизованные трансфокаторы, представляющие собой совмещенное с ТВ камерой конструктивно законченное изделие с интегрированным блоком телеметрического управления режимами. Применяются обычно в купольных поворотных камерах типа «Speed Dome». Отличаются компактностью и высокой скоростью масштабирования и фокусировки. Современные модели имеют режим автоматической фокусировки и «День-Ночь» с механическим перемещением отсекающего инфракрасную область оптического фильтра. Дистанционное управление такими камерами чаще всего осуществляется по 2-х проводной линии командами, передаваемыми по RS-232 или RS-422/485, с удаленного пульта управления по выбранному протоколу. Применение таких модулей требует минимальных затрат на подключение к линии управления и выбору протокола. Следствием компактности является относительно низкая чувствительность по причине малого формата фотоприемника ТВ камеры.

Крупноформатные моторизованные трансфокаторы различной кратности и светосилы с форматом формируемого изображения от 1/3” до 1 дюйма с фокусным расстоянием до 1000 мм и более. Большой разброс диапазона фокусных расстояний и светосилы, и, как следствие, габаритных размеров, веса, и стоимости требует индивидуального подхода к каждой модели объектива.

Особенностью таких объективов является то, что при условии механического сопряжения объектива и камеры (сведении) обеспечивается его фокусировка на выбранное расстояние во всем диапазоне фокусных расстояний (без необходимости дополнительной фокусировки). Фокусировка в этом случае производится только при изменении дистанции наблюдения.

Для работы в сложных климатических условиях ТВ камера с трансфокатором помещается в защитный кожух, конструкция которого должна обеспечивать для них необходимые условия - защиту от воздействия внешней среды и температурный режим . Чувствительность ТВ камеры зависит от формата фотоприемника и от светосилы объектива, поэтому телевизионные системы высокой чувствительности отличаются большими габаритными размерами и массой. Такая камера может устанавливаться на отдельно приобретаемое поворотное устройство, что позволяет вести наблюдение больших территорий.

В большинстве случаев управление масштабом (ZOOM) и фокусировкой (FOCUS) трансфокаторов осуществляется с помощью электродвигателей постоянного тока. Недостатком таких двигателей является низкая скорость и узкий диапазон ее изменения.

При построении высокоточных скоростных поворотных систем телевизионного наблюдения на базе оптических трансфокаторов необходимо иметь изменяемую по заданному алгоритму скорость поворота, наклона, масштабирования и фокусировки в зависимости от угла обзора камеры. В этом случае предпочтение следует отдать шаговым двигателям, скорость которых можно не только изменять в широких пределах, но и контролировать.

Поворотная ТВ камера с оптическим трансфокатором в штатном режиме должна работать автономно по заданному алгоритму, реагировать на срабатывание датчиков тревог, оповещать охрану в случае несанкционированных действий. При необходимости оператор должен иметь возможность взять управление этой камерой в ручном режиме.

Датчики положения моторизованных приводов позволяют поворотной камере работать по заранее установленным позициям и маршрутам, например, при автономном патрулировании, срабатывании тревожных датчиков и т.д.

Управления поворотной камерой осуществляется с помощью блока телеметрического управления, который может быть выполнен в виде отдельного модуля или интегрирован в само поворотное устройство.

В случае применения IP-технологий, управление поворотной камерой может быть выполнено путем передачи управляющих протоколов по сети TCP/IP удалённому серверу по специальной технологии, позволяющей избавиться от дополнительных линий приема-передачи сигналов управления.

При этом, качестве сервера, поддерживающий такую технологию может выступать:

-сервер самой IP-камеры,

-IP-сервер, выполненный в виде самостоятельного изделия,

-IP-сервер, интегрированный в блок телеметрического управления устройства позиционирования.

Поворотные устройства, представленные на российском рынке преимущественно импортного производства имеют высокую стоимость, что является одним из сдерживающих факторов их применяемости. Высокоскоростное опорно-поворотное устройство с пропорциональным управлением PTR-404HM отечественного производства можно отнести к бюджетному решению устройств позиционирования. Оно предназначено для установки на него ТВ камеры с моторизованным оптическим трансфокатором и позволяет осуществлять дистанционное управление положением ТВ камеры в двух координатах с изменяемой скоростью, ее углом обзора (масштабом изображения) и фокусировкой.

Рис.2. Опорно-поворотное устройство PTR-404HM.

Встроенный приемник сигналов телеметрии обеспечивает дистанционное управление на расстоянии до 1500м по 2-х проводной линии передачи (RS-485/RS-422). Поддерживает протоколы LILIN, PELCO-D и PELCO-P, а также работу моторизованных оптических трансфокаторов по предварительно установленным позициям при наличии в них датчиков положения.

Приемник сигналов телеметрии содержит последовательный порт RS-232 (5В) для управления ТВ камерой, встроенную  защиту  линии управления от  наведенных  напряжений, два входа тревоги, выход для управления исполнительным устройством (сиреной, прожектором и т.п.), встроенный стабилизированный источник питания, интеллектуальную систему подогрева для безаварийного запуска устройства при отрицательных температурах. Исполнение корпуса влагозащищенное с классом защиты IP66. Устройство предназначено для наружной установки с креплением на горизонтальном основании. Температура эксплуатации в рабочем состоянии в зависимости от варианта исполнения до минус 50⁰С, габаритные размеры 134х146х219мм, масса 7кг.

Примером применения поворотной платформы PTR-404HM является ее интеграция в аппаратно-программный комплекс VOCORD Tahion. Данная система разработана для организации круглосуточного наблюдения на территориально распределенных объектах (морские порты, аэропорты, водоемы, лесные массивы и т.д.). Разработка была успешно продемонстрирована на выставке «Охрана, безопасность и противопожарная защита – MIPS-2009» и вызвала большой интерес специалистов и потенциальных заказчиков.

В ее состав входят:

-цифровая камера высокого разрешения серии VOCORD NetCam,

-моторизованный оптический трансфокатор мегапиксельного разрешения высокой кратности,

-поворотная платформа PTR-404HM производства «БИК-Информ,

-аппаратные решения ИК-технологий VOCORD,

-программные решения VOCORD Tahion.

Рис. 3. Аппаратно-программный комплекс VOCORD Tahion

на базе поворотной платформы PTR-404HM.

В заключение отметим, что стремительное внедрение и развитие цифровых методов передачи информации с использованием компьютерных сетей, Интернета, мобильной и спутниковой связи позволяют осуществлять видео наблюдение из любой точки мира с помощью поворотных камер с оптическими трансфокаторами с одновременным управлением их положением.