PROCESE IN SISTEMELE VIDEO. ELEMENTE COMPONENTE

PROCESE IN SISTEMELE VIDEO. ELEMENTE COMPONENTE

1 Consideratii generale.

Procesele principale ce au loc intr-un sistem de supraveghere video pot fi descrise ca fiind :

• procesul de achizitie a imaginii si de producere a semnalului video
• transmisia semnalului video, folosind diverse medii de transmisie
• procesul    de afisare, inregistrare, conversie, distributie a semnalului video.

Intr-un sistem de supraveghere video se pot distinge, conform cu procesele mentionate anterior urmatoarele elemente componente:

• elementul de achizitie a imaginii - obiectiv (lentila) si camera video
• mediul de transmisie a semnalului video : cablul coaxial, perechea torsadata, fibra optica, etc.
• elemente de achizitie, prelucrare si afisare a semnalelor video. Aici gama de echipamente este extrem de larga si diversa. O parte dintre cele mai reprezenttive echipamente vor fi descrise in capitolele urmatoare.

In continuare pentru fiecare dintre aceste elemente se va face o descriere a principiilor de functionare si a principalelor carcteristici ale acestor elemente componente.

Pentru inceput cateva cuvinte despre lumina ca factor determinant al supravegherii video.

Folosirea luminii este, practic, un element cheie in implementarea unui sistem video. Acest lucru, pe langa altele, influentand in mod direct calitatea imagini afiasate si/sau inregistrate. Lumina este o forma de energie formata din sapte componente de baza

Rosu 620-750 nm

Portocaliu 600-620 nm

Galben 580-600 nm

Verde 490-580 nm

Albastru 460-490 nm

Indigo 430-460 nm

Violet 390-430 nm

Aceste componente formeaza un spectru, din care ochiul uman poate percepe doar o portiune cuprinsa intre aprox. 400nm si 700 nm. Aceata lumina este folosita pentru « sensibilizarea« elementelor fotosensibile (senzorul de imagine) . Mai jos se poate vedea gama de radiatii, in care se incadreaza radiatia luminoasa

Figura 1 Spectrul de radiatii

Radiatia infrared se situeaza in afara spectrului vizibil. Acest tip de radiatie este emisa de catre toate obiectele, oameni, animale, etc.  Obiectele « calde » apar evidentiate pe un fundal « rece«  in conditii slabe de iluminat, de exemplu noaptea.

Unitatea de masura a lumini este lux-ul. Mai jos sunt date cateva valori tipice ale fluxului luminos in diferite conditii de iluminat. Aceste valori trebuie avute in vedere atunci cand, pentru anumite conditii de mediu, se alege un anumit tip de camera si lentila, care trebuie sa se conformeze conditiilor diverse si variabile de iluminat. Aceste valori pot fi folosite atunci cand se doreste alegerea unei camere cu o anumita sensibilitate pentru un anumit mediu de instalare.

Tabel cu valori de iluminat tipice

2 Camera Video

Principiul de baza de functionare al unei camere video consta in transformarea luminii reflectate de catre « scena » supravegheata in semnal electric. La baza acestui proces sta senzorul de imagine. Senzorul de imagine este un circuit integrat specializat care are rolul de a transforma « informatia«  luminoasa in semnal electric. Acest semnal electric este apoi prelucrat de circuitele de procesare digitala a semnalului (DSP-Digital Signal Processor). Semnalul video rezultat la iesirea camerei este asa numitul semnal video compozit.

Figura 2 Schema de principiu camera video

Pana de curand circuitele de procesare a semnalelor erau circuite analogice dar, odata cu dezvoltarea circuitelor specializate de procesare a semnalelor, majoritatea camerelor de astazi folosesc « chip set«-uri specializate - DSP - care ofera facilitati si optiuni ce permit o mai usoara instalare, reglare si cu rezultatul final -calitatea imaginii- mult mai buna decat precedenta serie de camere analogice.

Senzorul de imagine este format dintr-o « matrice «  de elemente fotosensibile numite elemente de imagine sau pixeli. Pixel-ul este elementul de baza al imaginii, care transforma lumina cazuta pe el in semnal electric, intensitatea acestui semnal este direct proportionala cu cantitatea de lumina care cade pe elementul de imagine. CCD-ul este scanat de la stanga la dreapta de 312,5 de 50 de ori pe secunda. Intensitatea luminii ce cade pe CCD este « translatata« intr-o mixtura de culori : rosu, verde si albastru din care se obtin valorile de luminanta (Y) si diferenta de culoare (U, V) ce compun semnalul video complex. In specificatiile camerelor numarul de pixeli ai unui CCD este specificat ca numar de pixeli orizontalaXnumar de pixeli pe verticala (De exemplu :752HX582V).

Senzorul de imagine tip CCD (Charged Coupled Device)

Tehnologia senzorilor tip CCD este una dezvoltata special pentru industria camerelor video. Principalul avantaj, comparativ cu tehnologia CMOS, consta in sensibilitatea ridicata in conditii de iluminare scazuta ceea ce inseamna imagini de calitate mai buna pentru conditii de iluminat scazut. Tehnologia CCD presupune un proces mai complex de producere si incorporare in camerele video.

Senzorul de imagine tip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Tehnologia CMOS este una larg raspandita pentru componentele electronice. Senzorii tip CMOS pot fi produsi in dimensiuni variabile, de la camere miniaturale pana la camere tip megapixel. In ultimul timp distanta intre cele doua tipuri de tehnologii s-a redus, astfel incat calitatea imagini se apropie de cea a celor CCD, totusi - atunci cand cea mai buna calitate este dorita- tehnologia tip CCD este recomandata. Principalul dezavantaj al acestui tip de senzor de imagine este sensibilitatea scazuta pentru conditii de iluminat scazut. In conditii de iluminat constant acest lucru nu este o problema dar in conditii de iluminat scazut imaginea rezultata este intunecata sau de calitate slaba (perturbata de « zgomot«).

Formate de CCD

Standardul de imagine folosit in industria CCTV este 4:3 (H :V). Cele mai des intalnite formate pentru senzorii de imagine CCTV sunt urmatoarele : 1'', 2/3'', 1/2'', 1/3'', 1/4''. Cu cat dimensiunea CCD-ului este mai mare cu atat imaginea rezultata va avea o calitate mai buna. Totusi, din motive economice, cele mai des folosite sunt cele de 1/3'' si 1/4''.

Figura 3 Formate de senzori CCD

Semnalul video complex (composit)

Semnalul video composit este semnalul obtinut din camera video folosind circuite de procesare a semnalului (DSP-Digital Siganal Processor). Se numeste semnal video composit (sau complex) deoarece este compus din informatia video, un puls de sincronizare si un semnal de referinta. Amplitudinea maxima a acestui semnal este de 1 V varf-la-varf (1V peak-to-peak).

Figura 4 Schema semnal video color

Figura 5 Semnal video compozit pe osciloscop.

Pentru standardul PAL o imagine este formata din 625 linii scanate la o frecventa de 50Hz. Exista doua moduri de afisare a informatiei video :

Modul intretesut (2 :1 Interlaced): In acest mod o imagine completa (frame) este formata din doua treceri (scanari), fiecare trecere (scanare) formand un field. Prima trecere este pentru field-urile impare (313 linii) si urmatoarea trecere pentru field-urile pare (312). Acest mod se mai numeste si 2:1 Interlaced (2 field-uri : 1 frame).

Modul progressiv scan ( 1 :1 Non-interlaced): este modul de formare al imaginii prin scanarea progresiva de la linia 1 la linia 625 cu o frecventa de 25 frame-uri/secunda

Interlaced scan este mostenit de la sistemele TV si este inca larg folosit astazi.. Progressive scan este folosit de noile monitoare tip LCD, TFT pentru a afisa imaginea in ordinea aparitiei liniilor. Pentru afisarea unui semnal Intrelaced aceste echipamente au nevoie de un circuit de de-interlaced, pentru a afisa imaginile in modul progresiv.

Figura 6 Moduri de afisare a imaginii

In continuare vom detalia cateva din cele mai generale caracteristici ale unei camere video color.

Caracteristici generale ale camerelor video

Rezolutia: Rezolutia este, practic, o masura foarte importanta a calitatii imaginii pe care acea camera o poate reda. Rezolutia unei camere reflecta capacitatea acelei camere de a reda detaliile unei scenei. Aceasta marime se exprima uzual in termeni de linii TV orizontale. In specificatiile unei camere valoarea rezolutiei se bazeaza pe numarul de elemente distincte, dintr-o linie orizontala, care pot fi capturate de catre camera. Acest lucru se reflecta in mod direct asupra numarul de linii verticale care pot fi distinse, pentru echivalentul de proportie 4/3 (H/V). Numarul de linii verticale, adica numarul elementelor distincte dintr-o linie orizontala, se obtine din rezolutia orizontala inmultita cu valoarea 4/3. Acest lucru se face pentru a pastra proportiiile naturale ale imaginii. Cu cat numarul de elemente individuale dintr-o linie orizontala este mai mare, cu atat in imaginea rezultata vom putea distinge mai multe detalii. De exemplu o camera cu rezolutia de 520 linii TV va avea intr-o singura linie 520 x (4/3) elemente distincte de imagine.

O clasificare tipica a camerelor color este, din punctul de vedere al rezolutiei, urmatoarea :

- rezolutie normala : in jur de 330-380 linii TV

- rezolutie medie : mai mica de 480 linii TV

- inalta rezolutie : peste 520 linii TV

Pentru camerele monocrome se foloseste aceeasi clasificare dar rezolutia este, in medie, cu 80 de linii TV mai mare. O masurare a rezolutiei camerei se poate face folosind chart-ul de test EIA. Acest parametru, rezolutie, este extrem de important in alegerea unei camere care sa corespunda cu cerintele de vizualizare, identificare si recunoastere a detaliilor necesare aplicatiei. De mentionat ca rezolutia intregului sistem este data de cea mai mica rezolutie a elementelor componente (camera video, monitor, DVR).

Sensibilitatea : sensibilitatea unei camere este o masura a performantei camerei in conditii slabe de iluminat, se mai intalneste un specificatii ca fiind iluminarea minima. Acest parametru este influentat de mai multi factori, printre acestia se includ, apertura (deschiderea) irisului, calitatea obectivului, dimensiunea si calitatea CCD-ului, amplificarea camerei, timpul de expunere, modalitate de procesare a semnalului video.

Sensibilitatea mai poate fi descrisa ca fiind iluminarea minima necesara, la o deschidere data a lentilei, pentru ca sa avem la iesirea camerei un semnal video util.

Masura acestei valori este exprimata ca fiind « canitatea » de lumina necesara in anumite conditii, raportata la apertura irisului (pentru o distanta focala fixa). De exemplu : 0.1 lux@f1.2 Aceasta valoare exprima cantitatea minima de lumina necesara pentru a reda un semnal util. In capitolul dedicat obiectivului va fi explicata semnificatia marimii f-stop.

Raportul Semnal Zgomot (Signal Noise Raport - SNR) : Este un parametru care descrie, din punct de vedere dinamic, comportamentul camerei si capacitatea ei de a compensa influenta perturbatoare a « zgomotului«, a semnalului parazit, care se suprapune peste semnalul util. Nicio camera nu poate rejecta acest « zgomot«, influenta acestuia putand fi doar redusa. Masura acestui parametru este data in decibeli (dB). O camera cu un raport semnal zgomt cat mai mare are o capacitate mai mare de a reduce « zgomotul«  si de a furniza imaginii de calitate mai buna, decat o camera cu SNR mai mic.

Compensarea Luminii din Spate (Back Light Compensation - BLC): Aceasta functie are un rol major in situatiile in care obiectul supravegherii se afla pe un fundal luminos, ori cand cea mai mare parte a luminii vine din spatele obiectului. Sistemul de expunere al camerei se seteaza automat pentru o medie a cantitatii de lumina din scena. Daca in scena apare o cantitate mai mare de lumina, atunci sistemul de expunere reactioneaza la aceasta prin ajustarea (inchiderea) irisului (sau a irisului electronic) acest lucru avand ca efect o imagine mai intunecata. Pentru a compensa acest efect, prin activarea BLC-ului, camera va calcula timpul de expunere bazandu-se pe nivelul de iluminare doar dintr-o parte a imaginii, uzual in centrul imaginii, care este de interes pentru vizualizare. Orice modificare a iluminatului in afara acestei ferestre este ignorata de catre sistemul de expunere.

Figura 7 Influenta BLC asupra imaginii

Automatic Gain Control : Circuitul care realizeaza aceasta functie are rolul de a compensa fluctuatiile de iluminat care duc la scaderea semnalului video. Daca valoarea semnalului este adecvata circuitul nu va aplica nicio amplificare, totusi daca semnalul video continua sa scada (pe masura scaderii iluminatului) atunci circuitul va aplica din ce in ce mai multa amplificare pana ce semnalul video atinge valoarea de 1V p-p. Trebuie mentionat ca acest circuit nu poate face minuni si in scena trebuie sa exista lumina pentru a se putea produce un semnal video. Trebuie mentionat ca amplificarea unui semnal slab presupune si amplificarea zgomotului din acel semnal, de aceea semnalul video preluat in conditii slabe de iluminat si amplificat va produce o imagine de proasta calitate, dar acest lucru este de preferat in schimbul lipsei totale de imagine. Este recomandat ca aceasta functie sa fie activata, daca exista lumina suficienta in scena AGC nu functioneaza. Cand se regleaza o camera trebuie setat AGC OFF astfel incat semnalul obtinut sa nu fie influentat de amplificarea camerei, dupa reglaj se seteaza AGC ON.

Electronic Iris : In contrast cu functia AGC aceasta functie compenseaza valorile crescute ale semnalului video prin controlul timpului de expunere in concordanta cu nivelul de iluminat. Shutter-ul este circuitul care controleaza timpul de expunere a senzorului de imagine la fluxul luminos care este focalizat de lentila. Cu cat acest timp este mai mic cu atat timpul necesar senzorului pentru a « acumula » lumina este mai mic si, in acest fel, se evita supra expunerea la lumina. Circuitul de Electronic Iris asigura ca semnalul video de iesire sa fie la valaoarea de 1 Vp-p. Irisul electronic are limitele sale, daca prea multa lumin cade pe senzorul de imagine poate rezulta fenomenul de « smearing« .

Shutter Speed : Asa cum am spus shutter-ul are rolul de a controla timpul de expunere a senzorului la lumina. Un shutter cu viteza mare (adica cu timp redus de expunere) este recomandat pentru redarea imaginilor in care avem obiecte in miscare rapida. Totusi un shutter rapid inseamna un timp de expunere mic, adica mai putina lumina ajunge pe senzorul CCD si are ca rezultat o imagine mai intunecata. Daca este necesar un shutter rapid atunci trebuie sa ne asiguram ca avem suficienta lumina. Valoarea shutter-ului poate fi setata manual sau poate fi lasata pe regimul automat..

Figura 8 Efectul shutter-ului asupra imaginilor in miscare

Balanta de Culori: este un parametru specific camerelor color. Se refera la capacitatea camerelor de a reda in mod cat mai natural culorile in conditii de iluminat diferite. Acesta functie devine vizibila atunci cand folosim o camera atat pentru conditii de exterior cat si pentru interior, la trecerea de la o sursa de iluminat la alta (iluminat natural, iluminat artificial) se vede cum exista o variatie a nuantelor culorilor, care este compensata de catre camera astfel incat culorile sa fie redate la fel pentru ambele tipuri de iluminat.

Sincronizarea : Cand camerele sunt conectate la acelasi echipament (DVR, matrice, etc.) apre problema de sincornizare a camerelor. Daca informatia video soseste la echipament nesincronizata atunci este posibil sa apara efectul de distorsiune a imaginilor. Pentru a sincroniza camerele exista cateva modalitati :

• Line locking - se sincronizeaza camerele folosindu-se frecventa tensiuniii de alimentare. In felul acest toate camerele alimentate pe aceeasi faza vor furniza semnalul video in acelasi moment, sincronizat.

Figura 9 Sincronizare Line Locking

Desigur aceasta metoda este recomandata doar daca toate camerele sunt alimentate din aceeasi faza a aceleeasi surse de alimentare. Daca avem camere care nu sunt alimentate din aceeasi faza a tensiuni de alimentare se foloseste metoda numita LineLockPhase Adjust, care presupune o sincronizare folosind si defazaj-ul dintre cele doua surse de alimentare. In figura de mai jos se poate vedea efectul sincronizarii Line locking asupra a doua camere.

Figura 10 Sincronizare Line Locking pentru doua camere, imagine de pe osciloscop.

• GenLock- este o alta metoda de sincronizare a camerelor, dar este posibila doar la camerele care au o intrare de sincronizare. Pe aceasta intrare de sincronizare se aplica un semnal de la un generator de semnale. Desigur nu este o metoda obisnuita pentru sistemele video de supraveghere, aceasta metoda presupune dublarea cablajului si prezenta unui echipament suplimentar de generare a semnalelor de sincronizare.
• Sincronizarea interna - este cea mai usor de realizat modalitate de sincronizare, folosind un osilator intern al camerei.

Cauzele care duc la pierderea sincroonizarii sunt:

• probleme de impamantare
• lungimi mari de cablu
• tipuri de cablu nepotrivite cu aplicatia
• lipsa terminatorilor
• interferente electromagnetice sau radio

OSD - On Screen Display : Este o functie intalnita la camerele digitale. Datorita complexitatii si numarului mare de functii prezente la o astfel de camera trebuia sa existe o metoda de a putea seta acesti parametrii, metoda gasita presupune actionarea unor butoane de pe camera si intrarea in meniurile de configurare care apar suprapuse pe semnalul de iesire din camera atunci cand camera este conectata la un monitor.

Detectie de miscare : Este o functie ce permite detectarea miscarii in campul vizual al camerei prin analiza de imagine la nivelul camerei video.

Zone de mascare :Aceasta functie permite eliminarea unor zone din campul vizual al camerei, zone care nu trebuie sa apara in imaginea rezultata de la aceea camera, permitand protejarea anumitor obiecte.

Camere Zi/Noapte (Day/Night) :

O gama aparte de camere o constituie camerele de tip Zi/Noapte. Aparitia acestor camere are la baza comportamentul diferit al camerelor monocrome si al celor color in conditii slabe de iluminat (in general noaptea, dar pot fi si alte conditii, de exemplu camere slab iluminate, etc.). Camerele color, raportate la cele monocrome, aduc in plus informatia de culoare, extrem de utila pentru ochiul uman, totusi camerele monocrome sunt mult mai sensibile decat cele color in conditii slabe de iluminat, cele color avnd nevoie de mai multa lumina pentru a furniza un semnal util. Asa cum s-a aratat mai sus lumina este un factor foarte important in functionarea unei camere video. Fara lumina nici-o camera nu poate furniza un semnal video util. Din spectrul de radiatie, prezentat in paragraful referitor la lumina, o camera color poate percepe mai mult decat ceea ce poate percepe ochiul uman (radiatia vizibila), intrand in gama de radiatie infra-red pana la aproximativ 1000 nm. Totusi, pe timp de zi, a percepe aceasta radiatie IR inseamna a distorsiona culorile, asa cum sunt ele percepute de ochiul uman. De aceea toate camerele color sunt echipate cu un asa numit « IR-cut filter », filtru de eliminare a radiatiei IR. Acest filtru elimina radiatia IR si permite afisarea culorilor in mod natural. Filtru poate fi mecanic -o piesa de sticla plasata intre lentila si senzorul de imagine - sau electronic - aceasta apare ca o functie a chip-set-ului camerei. La scaderii iluminarii sub o anumita valoare, intr-o camera de tip Day/Night, acest filtru este scos, astfel incat lumina IR sa ajunga pe senzorul de imagine, iar camera trece in modul de functionare monocrom .

3 Obiectivul (Lentila)

Alegerea obiectivului este una din alegerile care influenteaza in mod direct performanta unui sistem de televiziune cu circuit inchis. Acesta alegere depinde de mai multi factori, ca de exemplu: pozitia fizica a camerei, nivelul de iluminare existent, cerinte privind tipul de imagine dorit, ce anume se doreste a se monitoriza, identifica, etc.

Lentila (obiectivul) este un element optic-electronic-mecanic ce realizeaza functia de preluare si focalizare a luminii pe senzorul de imagine.

Punctul de pe axa lentilei unde se focalizeaza (converg) razele luminoase se numeste punct focal. Distanta de la acest punct la planul de formare a imaginii se numeste distanta focala. Distanta focala determina « campul de vizualizare » - field of view - sau unghiul de vizualizare, la o distanta data, adica ceea ce "vede" acea camera. Cu cat distanta focala este mai mare cu atat campul de vizualizare devine mai ingust. O distanta focala mica inseamna ca acea lentila « vede«  o arie mai mare (larga) atat in plan orizontal cat si in plan vertical, din acest motiv obiectele din campul vizual apar departate si de dimensiuni mici.

Figura 11 Campul de vizualizare si distanta focala

In figura de mai jos este reprezentata schematic relatia dintre distanta focala si dimensiunea in plan orizontal a scenei/ariei supravegheate.

Figura 12 Relatia dintre distanta focala si campul de vizualizare

Y = Y' x L/f

De exemplu : Care va fi dimensiunea orizontala (horizontal field of view) a unui obiect supravegheat cu o camera avand CCD-ul de ½ ", daca distanta focala este de 15mm iar distanta pana la obiect este fixata la 5 m?

Pentru un obiectiv cu dimensiunea de 1/2'' conform figurii ce reprezinta dimensiunea CCD-urilor pentru diverse valori ale diagonalei, dimensiunea orizontala a imaginii este de Y'=6.4mm. Asadar dimensiunea obiectului va fi de Y = 6.4 mm x (5000 mm/15 mm)=2560 mm.

In mode invers, daca stim ce dimensiuni are obiectul pe care vrem sa-l supraveghem putem deduce distanta focala necesara pentru lentila. In mod obisnuit producatorii de lentile asigura instrumente de calcul pentru distanta focala, astfel incat sa putem alege de la inceput tipul de lentila necesara unei aplicatii. Pentru a identifica corect detaliile unui obiect trebuie ca acesta sa ocupe cel putin 30% din imagine.

Figura 13 Exemplu de folosire a distantei focale

Din punctul de vedere al distantei focale obiectivele se impart in :

• obiective cu distanta focala fixa
• obiective cu distanta focala variabila - varifocale
• obiective cu zoom motorizat

Obiectivele cu distanta focal fixa sunt folosite din considerente de economie dar, avand distanta focala fixa, atunci si campul de vizualizare este fix, acest lucru presupune ca trebuie luate in calcul inca de la inceput distantele de montaj precum si marimea obiectelor supravegheate pentru a putea alege lentila cu distanta focala corecta. Orice schimbare a cerintelor aplicatiei presupune, de cele mai multe ori schimbarea lentilei ori a locului de amplasare a camerei.

Obiectivele varifocale sunt mai scumpe dar au avantajul de a putea fi folosite intr-o gama extrem de larga de aplicatii, mai ales atunci cand nu stim de la inceput care sunt cerintele aplicatiei, in termeni de camp de vizualizare, cerinte de identificare, etc. Acest tip de lentila permite reglarea distantei focale intr-o gama fixa, relativ mica (de ex : 3.5 - 8 mm, 5 - 50 mm, etc). Fixarea distantei focale se face la instalarea camerei, in mod manual, folosind controlul Wide/Tele aflat pe lentila.

Obiectivele cu zoom motorizat sunt un pas inainte in ceea ce priveste obiectivele varifocale, oferind cea mai mare functionalitate. Aceste obiective sunt comandate de la distanta prin modificarea distantei focale si, implicit, a campului de vizualizare, realizandu-se focalizarea automata (autofocus) sau manuala. Astfel se permite operatorului sa examineze amanuntit anumite detalii ale scenei. Prin modificarea distantei focale se modifica si adancimea campului de focalizare. Uzual aceste lentile se folosesc pentru camerele de tip Pan&Tilt&Zoom, acele camere atasate la un dispozitiv electromecanic ce permite deplasarea in plan vertical si in plan orizonatal a camerei, comenzile pentru zoom fiind trimise direct obiectivului.

Pentru a descrie calitatile acestui tip de obiectiv se foloseste raportul dintre distanta focala maxima si cea minima (Zoom Ratio - raportul de zoom sau zoom optic). De exemplu pentru un obiectiv avand distanta focala intre 10 mm si 100 mm acest raport este de 10X, iar pentru un obiectiv care are distanta focala intre 18 mm si 144 mm raportul de zoom este de 8X. De observat ca un zoom optic mare nu inseamna o distanta focala mare, in exemplul de mai sus o camera cu obiectivul avand zoom optic 8X poate sa « vada » mult mai departe decat cea cu zoom optic de 10X.

Formatul obiectivului. Ca si pentru senzorul CCD obiectivele au formatele de : 1'',2/3'',1/2'',1/3'',1/4'', aceste fiind rezultate din diametrul lentilei, raportat la dimensiunile imginii produse. Practica uzuala este de a folosi acelasi format atat pentru lentila cat si pentru senzorul de imagine al camerei, dar este posibil sa se foloseasca si obiective cu format mai mare pe camere cu senzor de imagine mai mic decat al lentilei (de exmplu se poate folosii o lentila de ½'' pe un senzor de 1/3''). Ca principiu, se alege o lentila care poate furniza o imagine mai mare decat cea a senzorului camerei.

Daca se alege o lentila cu un format mai mic decat al senzorului atunci imaginea rezultata va avea colturile negre, daca se va alege o lentila cu un format mai mare atunci nu toata energia luminoasa ajunge pe senzor, iar o parte din unghiul de vizualizare (o parte din campul de vizualizare) se va pierde. In imaginile urmatoare se poate vedea efectul alegerii unei format diferit pentru obiectiv si senzorul de imagine.

Figura 14 Exemplu de combinatie obiectiv cu un senzor CCD 1/3''

Daca lentila are un format mai mare decat formatul senzorului  se va obtine urmatorul tip de imagine:

Figura 15

Dace lentila are un format mai mic decat formatul senzorului atunci imaginea va fi de forma:

Figura 16

Daca lentila si senzorul au acelasi format atunci imaginea obtinuta este de tipul urmator :

Figura 17

Formatele mari de lentila ofera cateva avantaje comparativ cu cele mici : o mai mare adancime a campului de focalizare si imagini cu mai putine efecte de distorsionare la margini.

Montura obiectivului. Din punctul de vedere al montarii obiectivului pe camera exista doua tipuri de obiective : C- mount si CS-mount. Ambele au acelasi diametru de 1'' dar ce difera este distanta dintre lentila si senzorul de imagine atunci cand lentila este montata pe camera. Pentru obiectivul tip C-mount distanta este de 17.5 mm iar pentru obiectivul tip CS-mount distanta este de 15 mm. Standardul initial a fost C-mount, folosit in camere cu CCD de 1'' sau 2/3'', dar, odata cu procesul de miniaturizare a senzorilor (1/3'' si 1/4'') s-a trecut la standardul CS-mount. Astazi aproape toate camerele video folosesc standardul CS. Totusi, pentru obiectivele tip C-mount exista un adaptor care le permite montarea pe camere tip CS-mount. Obiectivele CS-mount nu se pot monta pe camere C-mount.

Figura 18 Montaj C si CS pentru lentile

Irisul (Diafragma)

Cantitatea de lumina care cade pe senzorul de imagine trebuie sa fie intre anumite limite pentru o performanta optima a camerei. Prea multa lumina duce la fenomenul de supraexpunere sau albire, prea putina lumina inseamna o imagine mai intunecata si pierderea detaliilor in zonele aflate in umbra. Irisul (sau diafragma) are rolul de a controla cantitatea de lumina ce ajunge pe senzorul de imagine. Irisul consta dintr-un numar de pale metalice aranjate astfel incat produc o deschidere circulara in centrul lor. Deschiderea (apertura irisului ) se poate mari sau micsora in incremente numite f-stops.

Figura 19 Irisul

Un alt rol al irisului, in afara controlului lumini ce ajunge pe senzor, este acela de a controla adancimea campului de focalizare. Practic irisul este cel mai bine definit de F-stop (Numarul F sau F.No).

Acest parametru este o masura a « luminozitatii« obiectivului. Valoarea acestui numar se calculeaza cu formula F.No= f/D (f-distanta focala a lentilei si D-diametrul irisului )

Cu cat F.No este mai mare cu atat mai putina lumina ajunge pe senzorul CCD. O valoare mica a numarului F.No inseamna mai multa lumina care ajunge pe CCD.

Acest parametru este luat in calcul la masurarea sensibilitatii camerei (de exemplu 0.1lux@F1.2). In tabelul de mai jos sunt date cateva valori privind procentul de lumina ce ajunge pe CCD pentru diverse valori ale numarului F.

Din punctul de vedere al irisului incorporat obiectivele pot fi :

- obiectiv cu iris fix

- obiectiv cu iris manual

- obiective cu iris automat (autoiris)

Obiectivul cu iris fix este un tip de iris care nu poate sa se adapteze la conditiile variabile de iluminat, deschiderea acestuia ramanand constanta. Obiectivul cu acest tip de iris este recomandat doar pentru conditii de interior unde nivelul de iluminat ramane constant. Parte din functiile irisului sunt realizate de camera prin folosirea functiilor Electronic Iris si Automatic Gain Control.

Obiectivul cu iris manual permite reglarea deschiderii irisului la momentul instalarii, astfel incat sa corespunda conditiilor de iluminat existente, totusi, la fel ca si la obiectivele cu irisul fix, conditiile de iluminat trebuie sa fie relativ constante pentru a avea o imagine buna. Pentru astfel de obiective se recomanda gasirea unei valori "medii" care sa corespunda cat mai multor variatii ale luminii.

Obiectivul cu autoiris este, practic, cel mai folosit si cel mai util pentru marea varietate de aplicatii in care conditiile de iluminat nu sunt constante, in special pentru aplicatiile de exterior unde conditiile de iluminat se schimba continuu. Acest tip de obiectiv, cu autoiris, este controlat in mod automat si constant de catre camera pentru obtinerea unui nivel de iluminare optim pe senzorul de imagine.

Controlul iris-ului se poate face prin mai multe metode. Astfel, obiectivele cu iris automat se pot clasifica in mai multe tipuri.

Video Drive Iris

Acest tip de obiectiv contine toata partea electronica de analiza a semnalului video obtinut de la camera. Un semnal video de referinta se preia de la camera iar lentila incearca sa mentina acesta valoarea de tensiune la 1V p-p prin inchiderea sau deschiderea diafragmei. De exemplu daca nivelul de iluminare incepe sa scada atunci si valoarea semnalului video va scadea, in acel moment circuitul de analiza a semnalului va da o comanda catre servo-motorul inglobat de deschidere a diafragmei, pana cand se atinge din nou valoarea optima de 1V p-p a semnalului de referinta.

Direct Drive Iris

Pe masura ce circuitele de analiza a semnalelor TV si de comanda au fost incorporate pe scara din ce in ce mai larga direct in camerele de supraveghere video, au aparut din ce in ce mai mult obiective mai mici si mai ieftine - numite Direct Drive. Aceste obiective controleaza diferit iris-ul printr-un procedeu numit - galvanic drive.
Obiectivele Direct Drive nu contin circuite de analiza a semnalului ele fiind comandate direct de catre camera video prin doua semnale : drive signal si damping signal. Drive signal este semnalul de control al lentilei iar damping signal este folosit pentru prevenirea situatiilor cand lentila reactioneaza prea repede la schimbarile de iluminat din campul vizual. Acest semnale sunt furnizate de catre camerele video care accepta acest tip de lentile.

Adancimea campului de Focalizare

Este momentul sa vorbim acum despre un parametru important al lentilelor si anume adancimea campului de focalizare. Uzual o lentila se focalizeaza, la o anumita distanta, pe un obiect. Acel obiect va aparea in imagine foarte clar, totusi, pe o anumita distanta in fata si in spatele lui si celelalte obiecte vor aparea foarte clar.

Suma acestor doua distante, din fata si din spatele obiectului, se numeste adancimea planului de focalizare. Impreuna formeaza asa numitul « camp de focalizare ». Obiectele care nu sunt in acest »camp de focalizare », pe toata adancimea lui, vor pierde din claritate. Adancimea campului de focalizare depinde de numarul F.No (« luminozitatea » lentilei, care depinde invers proportional de deschiderea irisului). Asadar, adancimea campului de focalizare depinde de deschidera irisului. Pe masura ce irisul se inchide adancimea campului de focalizare va creste, ceea ce inseamna ca mai multe obiecte vor intra in campul de focalizare.- adica vor aparea mai clar in imagine. Un dezavantaj al cresterii acestei adancimi prin inchiderea irisului este ca pe senzorul de imagine va ajunge mai putina lumina, iar imaginea va fi mai intunecata.

Adancimea campului de focalizare este dependenta de distanta defocalizare, obiectivele « wide angle« , cele care au unghiul de vizualizare mare - adica distanta focala mica- vor avea  o adancime mai mare decat cele de tip « telephoto« - adica cele cu o distanta focala mica. Obiectivele autoiris, prin natura lor putand sa-si modifice deschiderea irisului, vor face ca si adancimea campului de focalizare sa se modifice.

Figura 20 Irisul si Adancimea de Focalizare

Un exemplu de functionare este urmatorul: o camera de tip day/night dotata cu un obiectiv autoiris. Pe parcursul zilei cand lumina ambientala este suficient de puternica irisul va fi cat mai inchis pentru a reduce cantitatea de lumina ce ajunge pe senzorul de imagine. In aceste condtiii adancimea campului de focalizare este buna. Pe masura scaderii luminii irisul va incerca sa compenseze lipsa luminii prin deschiderea diafragmei si deci prin reducerea adancimii campului de focalizare, care va deveni mai redus. Acest lucru trebuie luat in calcul cand adancimea campului de focalizare este un factor important in performanta unui sistem. Cand se regleaza focus-ul unui obiectiv asigurativa ca irisul este deschis la maximum. Daca irisul este inchis cand se seteaza focus-ul, adancimea campului de focalizare este suficient de mare ca sa dea impresia ca s-a reglat corect camera cand, de fapt, nu este asa. Acest lucru va fi vizibil dupa ce irisul se va deschide si se va pierde din focalizare.

4 Tipuri de camere

Asa cum am aratat mai sus tipologia camerelor este foarte diversa, o clasificare a acestora se poate face din punctul de vedere al mobilitatii lor in : camere fixe si camere mobile.

Camerele fixe au diverse forme constructive si dimensiuni care merg de la cele tip «pin hole« , camere de tip mini-dome, camere cu obiectiv incorporat in carcasa camerei, camere la care se adauga, separat, obiectivul, etc. Pentru camerele fixe exista posibilitatea de a avea montat un obiectiv cu zoom motorizat astfel incat sa existe controlul asupra unghiului de vizualizare. Uzual acest tip de camere au fost folosite pentru atasarea la echipamente de tip Pan&Tilt.

O categorie de camere mobile cu functii deosebite o constiuie asa numitele camere de tip « dome » sau « speed dome«. Aceste camere sunt folosite intr-o laraga gama de aplicatii in care exista cerinte de supraveghere deosebite :

• arii mari de supravegheat

• este necesara urmarirea unor obiecte/persoane aflate in miscare
• se cere preluarea unor imagini din momentul producerii unor evenimente
• se cere interconectarea cu alte sisteme (control acces, efractie, building managemet, detectie incendiu)
• usurarea muncii de supraveghere video a operatorilor
• costuri reduse, pentru supravegherea unor suprafete mari, unde ar fi necesar un numar mai mare de camere fixe

O camera de tip speed-dome este compusa dintr-o camera video, in general de mare rezolutie, cu obiectiv auto-iris, cu zoom motorizat si autofocus, actionata de un set servo-motoare, comandate de un echipament de control. Toate aceste componente se afla intr-o carcasa comuna avand, in partea inferioara, un capac de sticla de forma unui dome (semisfera). Modalitatile de montaj sunt multiple : tavan, perete, stalp, coltul unei cladiri, in atarnare de diversi suporti, etc.

Aceste camere au cateva caracteristici deosebite dintre care enumeram :

• zoom optic mare (30X, 36X)
• lentila autofocala
• rotatie in plan orizontal de 360 grade
• rotatie in plan vertical de aprox. 180 grade
• numar mare de prepozitii (presets) care pot fi memorate
• posibilitatea de executie a tururilor
• intrari de alarma (care pot declansa tur-uri sau "sarirea" la prepozitii)
• iesiri de alarma pentru activarea unor echipamente auxiliare
• zone de mascare
• protocoale de comunicatie multiple

In plus, exista astfel de camere care au si functia de auto-tracking, sau urmarirea unei tinte. Aceasta functie este utila pentru spatii care, in general, nu au obiecte in miscare si cand se doreste urmarirea oricarei miscari in acel loc.

Camerele de tip speed-dome pot functiona total autonom, independent de operatorii sistemului de supraveghere. Camerele pot fi programate sa execute automat tururi sau pot fi interfatate cu alte sisteme de la care sa primeasca comenzi. De exmplu o astfel de camera de tip speed-dome folosita intr-un sistem de paza perimetrala poate primi, in caz de alarma pe un anumit segment, comanda de comutare la o anumita prepozitie care este memorata in camera, acea prepozitie fiind alocata segmentului respectiv.

Comanda camerelor mobile speed dome se face de la un echipament care poate fi : DVR, matrice video, PC cu un software adecvat, tastaturi dedicate, sau alt tip de controller.

In general comunicatia acestor speed -dome-uri are la baza un protocol serial de distanta mare (RS-485, RS-422). Aceste protocoale, de nivel fizic (care definesc din punct de vedere electric interfetele de comunicatie), sunt protocoale diferentiale de distanta mare (1200m) ce folosesc perechea torsadata ca mediu de transmisie. Pe langa acest mediu de transmisie, in ultimul timp un alt mediu si-a facut aparitia, este vorba de fibra optica. Sunt camere speed-dome care vin gata echipate cu interfata de fibra optica astfel incat pe acelasi mediu -fibra optica- se transmit atat semnalul video cat si semnalul de comanda (date). Evident, in dispecerat exista echipamentul de conversie a semnalului luminos folosit pentru transmisia in fibra optica in semnalul video composit necesar echipamentelor de comutare/inregistrare afisare.

Figura 21 Topologie de comunicatie bus pentru speed dome-uri

De mentionat ca peste protocolul serial de nivel fizic fiecare camera foloseste un protocol de nivel inalt, specific producatorului respectiv sau folosind standard-ul de facto protocolul PELCO-D. Pe piata exista o multitudine de camere de tip speed-dome care pot folosi mai mult de un protocol, uzual cel proprietar si PELCO-D. Pentru rezolvarea problemelor de compatibilitate dintre elementul de comanda si camera mobila se pot folosi convertoare de protocol. Totusi este posibil ca din protocolul « sursa » sa nu poata fi traduse toate comenzile in protocolul « destinatie », acest lucru ducand la anumite limitari ale functionalitatii camerei.