Системы цифрового видеонаблюдения при организации охранных структур на особо охраняемых объектах - Юриспруденция - Скачать бесплатно
Содержание.
Системы цифрового видеонаблюдение при организации охранных структур на
особо охраняемых объектов.
Введение.
Глава 1
Системы охранного телевидения.
Аналоговые системы видеонаблюдения.
Цифровые системы видеонаблюдения.
Устройство и основные принципы работы элементов телевидения.
Сравнительные характеристики аналогового и цифрового телевидения.
Среды передачи телевизионных сигналов
Преимущество волокнистой оптики как передающей среды.
Принципиальное устройство волокон.
Классификация волокон.
Обработка сигнала.
Сжатие видеоданных.
Протоколы передачи видеосигнала по высоко скоростным компьютерным
сетям.
Fast Ethernet
ATM
ISDN
Мобильные технологии.
GSM
GPRS
EDGE
Глава 2.
Маркетинговое исследование систем цифрового наблюдения.
Глава 3
Телеметрия.
Разработка алгоритма управления поворотным устройством камеры и
трансфокаторами охранного телевидения.
Глава 4.
Подготовка технического задания на проектирование и создание охранного
цифрового телевидения на типовом охраняемом объекте.
Заключение.
Введение.
Системы телевизионного наблюдения предназначены для обеспечения
безопасности на объекте. Они позволяют наблюдателю следить за одним или
несколькими объектами, находящимися порой на значительном расстоянии как
друг от друга, так и от места наблюдения. В настоящее время системы
телевизионного наблюдения не являются экзотикой, они находят все более
широкое применение во многих сферах человеческой жизни. Наиболее простая
система телевизионного наблюдения - это камера, подключенная к телевизору
или монитору, такая система позволяет наблюдать за ребенком или автомобилем
возле дома.
Электронные системы наблюдения позволяют выполнять и другие не менее
важные и более сложные задачи. Например, наблюдение за несколькими больными
одновременно, движением транспортных потоков на оживленных магистралях или
в портах. Существует целый ряд применений систем видеонаблюдения в научных
исследованиях и в промышленности, например, для контроля за
технологическими процессами и управления ими. При этом наблюдение может
производится в условиях низкой освещенности или в средах, где присутствие
человека не допускается. Успешно эти системы используются в магазинах, в
казино, в банках, на автостоянках. Малокадровые системы для дома и офиса
способствуют повышению безопасности и создают дополнительные удобства.
Однако основной задачей, с которой должна справляться система
телевизионного наблюдения, и именно для этих задач они и создавались, - это
обеспечения физической безопасности объекта, как самостоятельно, так и при
совместной работе с другими системами безопасности.
При современных темпах криминализации общества и роста преступности,
сложившейся общественно политической обстановке в стране, постоянной угрозы
террористических актов просто необходима охрана периметра и территории,
контроль доступа на объект его сотрудников, посетителей и транспорта,
ведение визуального наблюдения за состоянием различных частей объекта.
Глава 1.
Системы охранного телевидения.
Можно выделить основные преимущества систем видеонаблюдения перед
другими средствами безопасности. Это автоматическое обнаружение и
видеоконтролирование событий, мгновенное обнаружение несанкционированного
проникновения на охраняемую территорию, исключение ложных срабатываний за
счет интеллектуальной обработки поступающих информационных потоков,
наглядное отображение всей обрабатываемой информации, возможность тесной
интеграции с другими подсистемами безопасности. Среди недостатков таких
систем можно выделить затрудненную работу в неблагоприятных погодных
условиях, например, туман.
Основными критериями систем видеонаблюдения при их разработке являются
надежность, информативность, достоверность и своевременность.
Первый критерий достигается при использовании только самых лучших
компонентов от ведущих мировых производителей, использованием проверенных
на практике и глубоко продуманных конструктивных решений. Все это позволяет
достигнуть наибольшего времени работы системы между отказами и минимального
периода восстановления.
Соблюдение второго критерия позволяет обеспечить одновременную и
непрерывную работу видеодетекции движения, видеозаписи, отображения на
экран, воспроизведения и резервного архивирования по каждой из подключенных
камер.
Достоверность – основной критерий для оператора системы и работников
службы безопасности объекта на котором установлена система видеонаблюдения.
Достигается путем минимизации ложных срабатываний за счет интеллектуальных
алгоритмов обработки потоков видеоинформации, увеличения изображения при
условиях недостаточной видимости.
Своевременность обеспечивает прямой доступ авторизованных лиц к видео
архивам, показ предыстории событий т.е. видеозаписи которая была получена
за несколько секунд до срабатывания тревоги, возможность принятия решения
системой самостоятельно без участия оператора, согласно заложенному
алгоритму.
В настоящее время используется два принципа построения систем
видеонаблюдения: аналоговые и цифровые. Далее вкратце будут показаны и
описаны схемы построения этих систем, также попытаемся выделить основные
преимущества и недостатки каждого вида построения.
Аналоговые системы видеонаблюдения.
[pic]
Система состоит из следующих элементов:
Видеокамера, она является глазами системы. Видеокамера преобразует
световой поток в электрический сигнал, величина которого пропорциональна
интенсивности светового потока. Далее, данные от видеокамеры могут
передаваться к последующим устройствам как по проводам, (коаксиальный
кабель, витая пара, оптоволокно), так и по системам радиосвязи, как
правило, работающим в гигагерцовом диапазоне.
В аналоговых системах, чтобы эффективно управлять камерами,
применяются такие устройства, как переключатели (квадраторы),
мультиплексоры и матричные системы.
Переключатель (квадратор) - это устройство, имеющее несколько входов
для видеокамер и позволяющее оператору произвольно переключать выводимое на
монитор или записываемое изображение с любой камеры, или включать
последовательное автоматическое переключение камер. Возможности таких
устройств ограничены, поэтому их применение целесообразно только в
простейших системах.
Мультиплексор является более «продвинутым» устройством. Он позволяет
выводить на один монитор несколько камер и вести одновременную запись с
нескольких источников видеосигнала. В отличие от квадратора мультиплексор
может содержать в себе детектор движения и имеет больше возможностей
управления камерами.
Матричные системы - следующий уровень развития мультиплексоров. Они
предназначены для обслуживания крупных предприятий, где установлено большое
число камер и имеется несколько операторов.
Монитор для видеонаблюдения отличается от обычного телевизора более
четким изображением и высокой разрешающей способностью. Люминофор,
используемый в таких мониторах, имеет повышенную стойкость, т.к.
изображение может много часов оставаться неподвижным.
Как правило, в системах видеонаблюдения используются специальные
устройства записи, записывающие на стандартную видеопленку, но рассчитанные
на большее время записи, т.к. не всегда необходимо плавное изображение с
частотой 25 кадров в секунду. Видеомагнитофоны, которые наиболее часто
применяются совместно с системами наблюдения, относятся к классу TLVR.
(видеомагнитофонов с задержкой времени). Такие устройства позволяют
стандартную трехчасовую пленку "растянуть" при использовании до 960 часов.
Скорость протяжки пленки в данном случае меняется ступенчато (3 часа; 12
часов; 24 часа; 48 часов, .... 960 часов). Кроме того, в таких системах
возможна запись изображения одновременно с нескольких видеокамер.
Цифровые системы видеонаблюдения
[pic]
Видеосигналы от телевизионных камер, установленных в локальных зонах
наблюдения, поступают на локальные видео серверы, к каждому локальному
видео серверу подключается от 1 до32 телекамер. Локальный видеосервер
осуществляет сбор, обработку и накопления видеоинформации.
1. Ввод и оцифровку аналогового сигнала.
2. Контроль работоспособности видеокамер.
3. Видеодетекцию движения.
4. Компрессию видеоизображения
5. Запись по тревоге от других систем безопасности или от детектора
движения.
6. Быстрый поиск видеоинформации.
7. Возможность экспорта видеозаписей.
8. Вывод аналоговой видеоинформации.
Далее по высокоскоростному магистральному интерфейсу (в данном случае
рассмотрим Fast Ethernet) поток видеоинформации поступает на пульт
видеоконтроля (рабочее место оператора). Оператор в зависимости от
конкретной задачи может наблюдать за каждой локальной зоной на компьютерном
мониторе. Причем наблюдение ведется в разных режимах: полный экран,
полиэкран со свободно-настраиваемым размером окна для любого количества
видеокамер. Каждое окно может сопровождаться текстовым заголовком с
указанием времени, даты, и состоянии видеокамеры. Оператор может
осуществлять откат необходимой информации на различного рода носители
информации, проинсталлированные как на пульте видеоконтроля, так и на
сервере резервного копирования. При необходимости оператор может
распечатать интересующую его информацию на лазерном или видеопринтере.
Приведенное выше краткое описание структурных схем цифровых и
аналоговых систем наблюдения, а также использование дополнительной
информации позволяет сформулировать основные преимущества цифровых систем
перед аналоговыми.
Преимущества цифровых систем перед аналоговыми.
1. Высокое качество всей системы в целом
2. Возможность хранения записанной информации сколь угодно долго без
потерь в качестве.
3. Небольшие затраты на техническое обслуживание.
4. Одновременная работа режимов записи и воспроизведения.
5. Простота и скорость поиска нужного фрагмента или кадра.
6. Простота и надежность копирования на различные носители.(CD, DVD,
DDS, стример) при полном сохранение качества исходного материала
при копировании.
7. Возможность передачи видео информации по компьютерным сетям.
8. Гибкость и адаптивность (возможность гибко настраивать систему в
зависимости от выполняемой задачи, стоящей перед пользователем)
9. Возможность доработки, модернизации системы, самостоятельной
разработки дополнительных приложений.
10. Возможность получения высококачественного изображения.
11. Абсолютно стабильный и четкий стоп – кадр.
Эти факторы обусловили появление на рынке значительного числа
всевозможных цифровых систем, различающихся как по качеству и
функциональным возможностям, так и по стоимости.
Устройство и основные принципы работы элементов телевидения
(видеокамер)
Основу любой системы телевизионного наблюдения составляют
телевизионные камеры. В конструкции видеокамеры можно выделить следующие
основные функциональные системы:
1. Преобразователь свет-сигнал.
2. Синхронизация.
3. Автодиафрагма.
4. Фокусное расстояние.
5. Относительное отверстие.
6. Формат матрицы.
7. Чувствительность.
8. Отношение сигнал шум.
9. Преобразователь свет-сигнал.
10. Устройства и основные принципы работы.
Преобразование свет-сигнал осуществляется прибором с зарядовой связью
(ПЗС). Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу
близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-
полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были
найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность
дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника.
С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал
в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других
твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности
тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые
пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие
приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.
На рисунке показана структура одного элемента, линейного трехфазного
ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа
(подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов.
Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно
под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают
добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей,
например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле
полупроводника свободные положительно заряженные носители — дырки. Дырки в
полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда, свободных
электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный
потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других
электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под
положительно смещенным электродом образуется область, обедненная основными
носителями - дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке
энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется
потенциальная яма.
[pic]
В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в
кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда - электрон
и дырка. Электростатическое поле в области пикселя “растаскивает” эту пару,
вытесняя дырку вглубь кремния. Не основные носители заряда, электроны,
будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен
положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное
время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не
рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области,
медленно движутся - диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой
прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области.
Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в
стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном
диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне,
так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый
пакет размывается.
Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть
перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то
время как потенциал первого электрода будет уменьшен. Перенос в трехфазном
ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по
рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же
сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с
помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы.
Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими
приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда
под соседние столбцы.
[pic]
[pic]
Строение ПЗС матрицы камеры
Типы и строение ПЗС-матриц для систем охранного телевидения
Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе,
ориентированы на применение в телевидении, и это находит отражение на их
внутренней структуре. Как правило, такие матрицы состоят из двух идентичных
областей - области накопления и области хранения.
По отношению размеров областей хранения и накопления матрицы делятся
на 2 типа:
. матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки;
. матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки.
Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и
тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления, для
работы таких матриц требуется оптический затвор.
Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым
покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного
монитора изображение, сформированное в области накопления, быстро
переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр,
считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый
регистр. Параллельный перенос строки в регистр считывания происходит во
время обратного хода строчной развертки. Из сдвигового регистра зарядовые
пакеты выводятся друг за другом, последовательно через выходной усилитель,
расположенный на этом же кристалле кремния. В этом узле происходит
преобразование заряда в напряжение для дальнейшей обработки сигнала внешней
электронной аппаратурой. Такие приборы называются ПЗС с кадровым переносом.
Они широко используются в бытовой видеотехнике, особенно любительской,
благодаря их низким ценам. Приборы с кадровым переносом можно использовать
для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет
использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов.
ПЗС, сконструированные для применения в условиях слабой освещенности,
как правило, изготавливаются без области хранения и часто имеют два
сдвиговых регистра на противоположных сторонах прибора, как, например, ПЗС
фирмы Tektronix ТК512. Изображение можно сдвинуть в любой из этих
регистров, которые могут отличаться конструкцией выходного узла. Обычно,
один из них оптимизируется для медленных скоростей считывания, другой для
быстрых. На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от
света. Для этого чаще всего используют механические затворы.
ПЗС с черезстрочной (межстрочной) разверткой хорошего качества
современной разработки выпускает, например, фирма Philips. Такими матрицами
снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена
автоматическим электронным затвором 1/50 — 1/100000 сек, работающим с
форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752х582 пиксел.
Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры,
осажденной прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины
однородно легированного р-кремния. Заряд накапливается и переносится
непосредственно в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы
называются ПЗС с поверхностным каналом. Для поверхностного слоя характерно
большое количество дефектов, что негативно влияет на эффективность переноса
зарядов. Заряды захватываются на дефектах поверхностного слоя и медленно
высвобождаются. Это приводит к размазыванию изображения. Дефекты
поверхностного слоя могут также спонтанно эмитировать заряды, приводя к
увеличению темного сигнала (тока). Поверхностные состояния являются
фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС.
Толщина рабочей части приборов с зарядовой связью составляет единицы
микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких
полупроводниковых плёнок, выращенных на сравнительно толстом основании –
подложке.
Электроды ПЗС-матриц
Электроды ПЗС в течение некоторого времени после изобретения чаще
всего изготавливались в одном слое металла. Слой алюминия толщиной около 1
мкм наносили на прибор испарением. Затем путем фотолитографии формировали
электроды. Наиболее критичным этапом в технологическом цикле изготовления
одноуровневой структуры этого типа является вытравливание межэлектродных
зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов надо, чтобы
потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной
ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к
электроду потенциала. Типичные значения — единицы микрон. Отсюда следует,
что межэлектродные зазоры не должны быть больше единиц микрон. Суммарная
длина этих узких зазоров в больших приборах весьма велика.
Для слаболегированного материала подложки (концентрация атомов
акцептора около 1015 1/см3, толщина окисла 0.1 мкм и умеренный размах
тактовых импульсов порядка 10 В) обедненный слой проникает в кремний на
глубину примерно 1 мкм. Вспомним, что в каждом кубическом сантиметре
твердого вещества содержится примерно 1022 атомов. Концентрация 1015атомов
примеси в 1 см3 соответствует 1 атому примеси на 10 миллионов атомов Si.
Понятно, что любое случайное замыкание соседних электродов,
произошедшее на одной из операций технологического цикла, полностью выведет
прибор из строя. Последующее развитие ПЗС-технологии было направлено на
создание структур, свободных от недостатков первых технологий и работающих
с более простыми управляющими напряжениями.
Синхронизации LINE LOCK
Этот вариант синхронизации может быть выполнен только с камерами,
питающимися переменным током, так как в этом случае синхронизация всех
камер осуществляется от питающего напряжения. Это возможно только в том
случае, если питание камер происходит от одного источника переменного тока.
Поэтому, пока ток в сети синфазный, синхронизация системы будет обеспечена.
Если же разные камеры подключены к различным фазам, возникает необходимость
их согласования по питанию и настройке фазы для каждой камеры в
отдельности. Существуют специальные устройства фазирования / синхронизации
для проведения работ по настройке и синхронизации камер в режиме line lock.
Внешняя синхронизация
Такой вариант синхронизации предполагает использование внешнего
опорного источника сигнала. Затем этот сигнал распределяется на каждую
камеру посредством специального коаксиального кабеля. Опорный сигнал может
быть сформирован генератором синхросигналов. Также в качестве опорного
сигнала может быть использован сигнал с видеовыхода одной из камер. Такие
варианты предполагают применение дополнительных соединений и кабелей,
однако, являются единственными способами осуществления синхронизации для
камер с питанием постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы
по питанию (Line Lock).
Автоматический электронный затвор
Автоматический электронный затвор обеспечивает компенсацию изменения
уровня освещенности и постоянную среднюю яркость изображения. Это
достигается за счет изменения времени накопления фотозаряда и, как
следствие, амплитуды видеосигнала. Скорость переключения затвора (время
накопления) может достигать до 1/100000 секунды.
Автодиафрагма
В течение суток освещенность на контролируемом объекте, как правило,
претерпевает существенные изменения. Для поддержания на постоянном уровне
количества света на матрице используют встроенный в камеру автоматический
электронный затвор или объектив с автодиафрагмой.
Объективы с автоматической диафрагмой поддерживают освещенность
матрицы на постоянном уровне, изменяя величину относительного отверстия.
Диафрагма объектива, подобно зрачку человеческого глаза, при высокой
освещенности сужается, пропуская меньше света, а при низкой освещенности
расширяется. Это позволяет получить сигнал от видеокамеры с хорошей
контрастностью, без засветки или затемнения. В системах наружного
наблюдения рекомендуется использовать объективы с автоматической
диафрагмой.
Фокусное расстояние
Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах и при прочих
равных условиях определяет угол зрения. Более широкий угол обеспечивается
меньшим фокусным расстоянием. И, наоборот — чем фокусное расстояние больше,
тем меньше угол зрения объектива. Нормальный же угол зрения ТВ камеры
эквивалентен, углу зрения человека, при этом объектив имеет фокусное
расстояние, пропорциональное размеру диагонали матрицы ПЗС.
Исходя из выше сказанного, объективы принято делить на нормальные,
короткофокусные (широкоугольные), длиннофокусные (телеобъективы).
Объективы, фокусное расстояние которых может изменяться более чем в 6
раз, называются ZOOM–объективами (объективами с трансфокатором). Данный
класс объективов применяется при необходимости детального просмотра
объекта, удаленного от камеры. Например, при использовании ZOOM–объектива с
десятикратным увеличением, объект, находящийся на расстоянии 100 м, будет
наблюдаться как объект, удаленный на расстоянии 10 м. Наиболее часто
используются ZOOM–объективы, оборудованные электроприводами для управления
диафрагмой, фокусировкой и увеличением (motorized zoom). Управление
камерой, оборудованной данным объективом, оператор может осуществлять с
удаленного поста.
Относительное отверстие
Обычно объектив имеет два значения относительного отверстия (1:F) или
апертуры.
F минимально - полностью открытая диафрагма.
F максимально - диафрагма закрыта.
Значение F влияет на выходное изображение. Малое F означает, что
объектив пропускает больше света, соответственно, камера лучше работает в
темное время суток.
Формат матрицы
Важный параметр ТВ камеры - разрешение.
|
