Телевизионные камеры для спецтехники. Окончание

Окончание. Начало в № 1, 2009 г.

Б ольшое распространение в системах охранного видеонаблюдения получили купольные ТВ-камеры ( фото 1 ). Их основные параметры представлены в табл. 1 . Они могут быть в простейшем исполнении на основе применения бескорпусных ТВ-камер в пластмассовом полусферическом корпусе без возможности поворота по азимуту и по вертикали и без наличия вариофокальных объективов [4]. Их достоинством является не только простота и стоимость, но и возможность встраивания в любой интерьер с минимальной заметностью [3]. Но современные многофункциональные купольные ТВ-камеры, например, модель STC-3902 [5], имеют возможность работы в широком диапазоне изменения освещенности за счет применения режима «день/ ночь», автоматический динамический баланс белого, компенсацию фоновой засветки и мерцания, режим накопления кадров (при падении уровня освещенности), цифровую стабилизацию изображения [5]. Возможно автоматическое панорамирование в пределах 360^o и наклон по вертикали до

180o. Скорость панорамирования может достигать до 300 – 350 град./с. Точность вращения составляет 0,024o [5]. Возможно изменение скорости панорамирования и наклона пропорционально увеличению - при переходе к широкопольному режиму наблюдения скорость возрастает по обеим координатам [5]. Применяется изменение масштаба изображения в широких пределах как за счет использования вариообъектива, так и за счет изменения цифрового увеличения. Например, ТВ-камера STC-3902 [5] имеет увеличение до 26x за счет объектива-трансфокатора и еще дополнительное цифровое увеличение до 12х. Для такой камеры можно задать до 165 предустановок, запрограммировать до 8 обучаемых маршрутов общей длительностью 400 с и до 8 туров, замаскировать до 24 зон. В процессе наклона в вертикальной плоскости камера движется до тех пор, пока не перейдет в крайнее нижнее положение. После этого последует автоматический поворот в горизонтальной плоскости на 180o, и движение камеры продолжится по восходящей дуге. Предусмотрена компенсация изображения при вибрациях (например, при порывах ветра). ТВ-камера имеет два тревожных настраиваемых входа и два релейных выхода. При установке в кожухе камера может эксплуатироваться в диапазоне рабочих температур -40…+60o С [5]. Новые купольные ТВ-камеры фирмы Sanyo (Япония) – модели VCC-9700/9800P, VCC-9600/9500P - имеют оптическое увеличение до 30х и 36х и цифровое увеличение 16х, скорость панорамирования 435 град./с, при наклоне – 400 град./с, при ручном управлении – от 0,1 до 120 град./с, электронную стабилизацию изображения, функцию автотрекинга: реакцию на стремительно движущиеся объекты и автоматическое слежение за ними в пределах угла поля обзора камеры [6]. В некоторых камерах предусмотрена возможность закрывать маской кадр или часть его, если кадр не представляет ценности или в интересах конфиденциальности [7].

Для работы в экстремальных условиях (повышенная температура, агрессивные среды, проникающая радиация и пр.) используются специальные ТВ-ка-

Фото 1. Купольные ТВ-камеры HUNT Electronic Co., Ltd. (Тайвань): а – серия HTC-11; б – серия HPT-11A/HPT-11E; в - серия НТС-15; г – серия HTC-17: ТВ-камера в корпусе дымового извещателя; д – купольная сетевая ТВ-камера модель SNC-RZ50P фирмы SONY (Япония)

меры [8, 9]. Экстремальные нагрузки эти камеры выдерживают благодаря соответствующим кожухам. Основные параметры таких ТВ-камер представлены в табл. 2 .

Особо следует остановиться на IP-камерах. В настоящее время для применения в системах безопасности наблюдается активный переход от аналоговых ТВ-камер к цифровым - IP-камерам [10 – 14]. Их называют также сетевыми благодаря использованию для них цифровых сетей как каналов связи. В аналоговой системе передачи видеосигналы от ТВ-камер поступают в аналоговый тракт, затем -в устройство анализа и обработки изображения, после чего видеосигнал через аналоговый тракт передается потребителю. В гибридной системе с выхода устройства и анализа изображения видеосигнал может быть передан как в аналоговый тракт, таки и в цифровую сеть, прежде чем он окажется у потребителя. В цифровой системе сигналы от ТВ-камер передаются потребителю только через цифровую сеть, с которой связано также устройство анализа и обработки [10]. IP-наблюдение качественно отличается от аналогового не только тем, что оно цифровое, но и применением коллективных сетевых устройств, в то время как аналоговая система ориентирована только на индивидуально выделенные коммуникации [10]. IP-системы призваны решать глобальные проблемы с практически неограниченным числом пользователей, создавать распределенные системы (на промышленных предприятиях, в нефтегазовом комплексе, транспортной инфраструктуре, банках, торговых центрах и магазинах, объектах отдыха, складах, спорткомплексах, государственных учреждениях и пр.) [11]. Преимущества IP-систем [10 – 14]:

• 1)    эффективное сведение локальных систем видеонаблюдения в головной центр;

• 2)    если для аналоговых систем нужны специальные средства передачи видеосигнала, то для IP-системы – только компьютерная сеть с гибким программным обеспечением, рассчитанным на расширение системы, которое можно проводить как по числу ТВ-камер, так и по числу клиентских рабочих мест;

• 3)    возможность использования для передачи видео- и аудиосигналов существующей компьютерной сети;

• 4)    возможность децентрализованной записи видеосигналов в любой точке сети путем добавления в нее дополнительных серверов записи;

• 5)    удаленный доступ к IP-системе в целях ее использования и настройки из любой точки мира с помощью сети Internet;

• 6)    повышенная помехоустойчивость за счет применения тех же методов защиты, что и для компьютерных сетей;

• 7)    использование мегапиксельных ТВ-камер без ограничений по числу пикселей;

• 8)    расширение функциональных возможностей ТВ-камер с помощью «прошивки» – внутреннего программного обеспечения IP-камер, что позволяет модернизировать всю систему, в то время как модернизация аналоговой системы касается только центрального оборудования, но не ТВ-камер;

• 9)    питание IP-сети обеспечивается прямо через сетевой кабель от сетевых коммутаторов, а передача сигнала – через один стандартный кабель;

  
  
  

  Фото 2. Гибридно-модульные преобразователи: а – с оптической стыковкой ЭОП с матрицей ПЗС и со стробированием [20]; б – с электронной бомбардировкой матрицы (ПЗС N7220 Hamamatsu Corp.) [21]

• 10)    отказ от стандартного аналогового сигнала с чересстрочной разверткой и от ограничений разрешающей способности со стороны максимально допустимой частотной ширины сигнала;

• 11)    позиционирование и увеличение изображения без применения механических узлов и трансфокаторов;

• 12)    снижение потерь при передаче на большие расстояния, так как видеосигнал передается в цифровом виде;

• 13)    создание полностью автономных устройств с собственным процессором, памятью, интеллектуальным программным обеспечением и пр.;

• 14)    упрощение подключения ТВ-камер и изменения их местоположения в сети;

• 15)    возможность гибкой интеграции и единого управления системами видеонаблюдения, контроля доступа и охранно-пожарной сигнализации

  

  Рис. 1. Кривые зависимости коэффициента передачи контраста от разрешающей способности для IBCCD (кривая 1), EBCCD (кривая 2), матрицы ПЗС (кривая 3)

  
  

за счет использования открытого интерфейса Ethernet.

Однако IP-камеры не являются универсальным решением всех проблем. В настоящее время большинство IP-камер фактически представляют собой аналоговую ТВ-камеру плюс кодер в едином корпусе. В работе [15] показано, что для стандартных матриц ПЗС качество аналогового изображения выше, чем цифрового. Аналоговые ТВ-камеры работают в более широком диапазоне рабочих температур и имеют вдвое большее время наработки на отказ. Кроме того, при передаче цифрового изображения оно подвергается сжатию – компрессии, а при подводе к пользователю – декомпрессии. При этом зачастую теряется качество изображения. Существуют трудности построения сетей множества IP-камер. Затруднена функция видеоанализа (детектирование движения, распознавание номеров автомашин и лиц людей). В связи с этим в работе [16] предлагается ввести непосредственно в ТВ-камеру микропроцессор, который обеспечивал бы не только компрессию, но и видеоанализ, а также децентрализованную обработку сигнала до его выхода в сеть. Таким образом, несмотря на стремительное развитие IP-технологии, существуют проблемы, требующие оптимального решения.

Для повышения чувствительности ТВ-камер используются гибридно-модульные преобразователи (ГМП изображения [2, 17, 18]. Они представляют собой узел, в котором сопряжены электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и матрица ПЗС. ЭОП преобразует изображение с низким уровнем освещенности в видимое и усиливает его по яркости. Поскольку ЭОП выполняет роль усилителя изображения (Image Intensifier – II, для ПЗС: Charge Coupled Device - CCD), то в зарубежной литературе ГМП сокращенно называют ICCD (Intensifier CCD). При этом возможны два варианта построения ГМП [2]:

• 1)    экран ЭОП стыкуется с внешней матрицей ПЗС (собственно ICCD) ( фото 2а );

• 2)    матрица ПЗС располагается внутри ЭОП вместо его экрана (ПЗС с электронной бомбардировкой: Electron Bombarded CCD – EBCCD) ( фото 2б ).

Первый способ получил наиболее широкое распространение. Изображение с экрана ЭОП с помощью оптики переноса (проекционный объектив или волоконно-оптическая деталь) передается на матрицу ПЗС. Она преобразует оптическое изображение в видеосигнал, который затем поступает на ТВ-монитор для последующего наблюдения изображения с его экрана.

Для второго способа на фотокатоде ЭОП создается изображение наблю-

Рис. 2. а - зависимость спектральной чувствительности Sλ [мА/Вт] (кривая 1) и квантовой эффективности η (кривая 2) от длины волны λ для ТВ-камеры (модель SU320MS-1.7RT Snapshot InGaAs SWIR MiniCamera на основе матрицы InGaAs); б – зависимость пороговой облученности матрицы ПЗС Еэ от длины волны λ для ТВ-камеры (модель SP-1550M на основе матрицы ПЗС с нанесенным на ее поверхность антистоксовским люминофором)

даемого объекта и окружающего его фона. Фотокатод преобразует оптическое изображение в электронное. Оно ускоряется электростатическим полем ЭОП и переносится на матрицу ПЗС, смонтированную внутри ЭОП вместо экрана. При этом подложка матрицы ПЗС утончена до 10 – 15 мкм и обращена к потоку электронов. Этот поток либо непосредственно переносится на матрицу ПЗС, либо предварительно усиливается в микроканальной пластине ЭОП.

На рис. 1 показаны типичные кривые коэффициента передачи контраста для традиционных ICCD и EBCCD [2]. Преимущество EBCCD по сравнению с ICCD здесь очевидно. Однако EBCCD пока еще не получили широкого распространения из-за технологических сложностей изготовления. Они могут быть выполнены в виде модуля, содержащего встроенную микропроцессорную систему обработки изображения, программируемый источник питания и интерфейс для связи с компьютером. Такие ГМП называются также ЭОП 5-го поколения.

Основные параметры типичных ГМП сведены в табл. 3 .

В ЦНИИ «Электрон» были созданы такие ГМП, в частности, модель IISD-16 и ее модификации, разработанные на базе ЭОП 1-го поколения «Шар 2» и матрицы ПЗС с числом пикселей 532×290 с разрешающей способностью 390 ТВ-линий при освещенности от 10-2 до 10-3 [17, 18]. Модель IISD-16-1 обеспечивала разрешающую способность 580 ТВ-линий при пороговой освещенности 2×10-5 - 2×10-6 лк с динамическим диапазоном от 50 до 5×10-5 лк [17]. Во

ВНИИОФИ и НИИЭПР созданы такие ГМП на базе ЭОП ПМ-031 и «Ясень» с диаметром фотокатода 40 мм, причем ЭОП «Ясень» имеет переменный коэффициент масштабирования от 2:1 до 1:1. На базе ЭОП «Ясень» разработан ГМП с числом пикселей матрицы ПЗС 1024×1024 [17]. Фирма Hamamatsu (Япония) разработала ГМП модели N7220-61, N7640-61, N7640-64. Первые две модели используют фотокатод GaAs, работающий в области спектра 0,37 - 0,92 мкм, а третья модель - фотокатод GaAsP, работающий в области 0,28 - 0,72 мкм [17]. Модель NT7220-61 имеет размер чувствительной площадки фотокатода 12,2×12,2 мм, число пикселей 512×512, усиление 1300 (при напряжении 8 кВ), а две другие модели - соответственно 9,2×6,8 мм, 658×494 и 700 при напряжении 6 кВ (200 при напряжении 2 кВ). В EBCCD фирмы RCA ПЗС-матрица смонтирована в ЭОП вместо его экрана на многослойном металлокерамическом коллекторе с вакуумно-плотными вводами для подключения к электродам матрицы. Унифицированный коллектор обеспечивает центрировку чувствительной площадки матрицы ПЗС относительно оптической оси ЭОП в целях уменьшения подушкообразной дисторсии изображения [17]. NASA Coddord Space Flight Center разработал EBCCD, состоящий из фотокатода диаметром 25 мм, МКП и матрицы ПЗС (1024×1024 элемента). Для питания ГМП использовался электронный блок с габаритами 250×150×100 мм. Был разработан ГМП с фотокатодом диаметром 40 мм, с той же ПЗС-матрицей, но с возможностью использования 2048×2048 эле- ментов. Рабочий диапазон температур -30…+30° С, энергопотребление (с блоками управления) 30 – 60 Вт [17].

ГМП из-за наличия оптики переноса и наружного расположения ПЗС отличаются большими габаритами. Их преимуществом является модульный принцип построения, возможность замены дефектного ЭОП или ПЗС-матрицы, а также вариация масштаба изображения в оптике переноса. В таких ГМП с ПЗС могут быть стыкованы ЭОП всех поколений. При коэффициенте усиления яркости в ЭОП 104 - 105 ГМП может работать при освещенности 10-6 – 10-5 лк [2].

Динамический диапазон ГМП ограничивается возможностями ЭОП. При работе ЭОП в непрерывном режиме он доходит до 105, а в импульсном режиме – до 1011.

Если принять разрешающую способность ЭОП 2-го поколения равной 30 штр/мм, оптики переноса - 50… 80 штр/мм, то для IICCD в целом получим 15…18 штр/мм. Для ЭОП поколений 3 и 4 при разрешающей способности 64…84 штр/мм для IICCD в целом имеем 20…22 штр/мм [2].

Для создания ГМП ГУП НПП «Элек-трон-Оптроник» разработал ряд матриц ПЗС с волоконно-оптическим входным окном [17]. При этом матрица ПЗС может быть выполнена в виде односекционного приемника изображения (модель ISD-070AF, АР, 512×512 пикселей, размер пикселя 22×22 мкм) или двухсекционного с фоточувстви-тельной областью, расщепленной на две самостоятельные секции, образующие единый фоточувствительный массив (модели ISD-077, APF, ISD-069F,

Фото 3. ТВ-камеры на основе ГМП: а – ТВ-камера без стробирования (модель LH509 ULL фирмы LHERITIER S.A.S.,Нидерланды); б – ТВ-камера со стробированием [22]

Фото 4. ТВ-камеры для работы в области спектра 0,9 – 1,7 мкм [23]: а – модель SU320MS-1.7RT Snapshot InGaAs SWIR MiniCamera; б – модель SP-1550M

APF с числом пикселей соответственно 1040×1160 и 1024×1024 при размере пикселя 16×16 и 15×15 мкм). ПЗС имеют встроенную ТЭО.

Еще большего эффекта с точки зрения повышения чувствительности ТВ-системы на базе ГМП можно добиться при условии обеспечения в ней активно-импульсного режима работы. Режим основан на импульсном подсвете наблюдаемого объекта и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) ГМП по его фотокатоду [2]. Так, ГМП ICCD ISTAR фирмы Andor Technology (Великобритания) содержит встроенный блок стробирования, работающий как в непрерывном, так и в импульсном режиме (с длиной волны подсвета 0,85 мкм), в котором длительность строба может быть менее 2 нс [17]. В стандартных стробируемых ГМП длительность строба может регулироваться в пределах от 3 – 5 нс до 10 – 100 мкс при частоте до 30 – 100 кГц [17]. Для построения ГМП могут в принципе быть использованы ЭОП поколений 1, 2, 2+, 2++ с многощелочными фотокатодами и поколения 3 и 4 с фотокатодами на основе GaAs, работающими в области спектра 0,4 – 0,9 мкм, и поколения 3+ на основе InGaAs, работающими в области спектра 0,5 – 1,1 мкм.

Однако создание ГМП EBCCD с фотокатодом, работающим в области спектра 0,9 - 1,7 мкм, позволило создать активно-имульсную систему, работающую с лазерным подсветом на длине волны 1,54 - 1,57 мкм, безопасной для зрения. О преимуществах такой длины волны и вообще области спектра 0,9 – 1,7 мкм уже говорилось в работе [19]. Фирма Intevac Corporation (США)

разработала активно-импульсную телевизионную систему LIVAR [2] с дальностью действия по ростовой фигуре человека не менее 2 км при работе импульсного лазерного осветителя на длине волны 1,57 мкм. ТВ-камера Model 120 на базе EBCCD имела разрешающую способность свыше 32 штр/ мм, квантовый выход более 15% на длине волны 1,5 мкм, размер пикселя 13×13 мкм, плотность темнового тока менее 5×10^-8 А/см², число пикселей 512×512. Таким образом, перспективы развития ГМП связаны с созданием EBCCD, чувствительных в области спектра 1,0 – 2,0 мкм. При этом их разрешающая способность может достигать 60 – 80 штр/мм за счет уменьшения размеров пикселя матрицы ПЗС до реально существующего уровня 7×7 мкм, а в перспективе – до 3×3 мкм. В табл. 4 представлены ТВ-камеры на основе ГМП, а на фото 3 – внешний вид типичных моделей ТВ-камер [20 – 22].

Указанный выше спектральный диапазон 0,9 – 1,7 мкм характерен также для линеек и матриц на базе InGaAs. На их основе были разработаны ИК ТВ-камеры.

Фирма Wave Front Sciences (США) разработала ИК-камеру CLASTM-IR с ФПУ на базе InGaAs, работающую в области спектра 0,9 – 1,7 мкм [23].

Компания Sensor Unlimited Inc. (США) разработала ряд ИК-камер на базе линеек и фокально-плоскостных матриц InGaAs, работающих в области спектра 0,9 – 1,7 и 0,9 – 2,2 мкм [23]. Фирмой разработаны аналоговая и цифровая ИК-камеры с линейным сканированием (126, 256, 512 элементов) для области спектра 0,9 – 1,7 мкм (неох- лаждаемая) и 0,9 – 2,2 мкм (ТЭО) [23]. Скорость опроса – 106 пикс./с в аналоговом режиме и 105 пикс./с в цифровом режиме с разрешением 14 бит. Неохлаждаемая ИК-камера SU-128-1.7RT этой фирмы на основе InGaAs матрицы формата 128×128 работает в области спектра 0,9 – 1,7 мкм, имеет удельную обнаружительную способность, равную свыше 1013 см×Гц0,5×Вт-1. Шаг матрицы 60 мкм, ее квантовый выход свыше 70% в области спектра 1,0 – 1,6 мкм, габариты ИК-камеры 270×103×103 мм. ИК-камера имеет выход RS170 (30 Гц) и CCIR (24 Гц). Неохлаждаемая ИК-камера высокого разрешения SU320-1.7RT на основе InGaAs матрицы формата 320×240 для области спектра 0,9 – 1,7 мкм имеет удельную обнаружительную способность, равную свыше 1012 см×Гц0,5×Вт-1. Шаг матрицы 40 мкм, ее квантовый выход свыше 70% в области спектра 1,0 – 1,6 мкм, габариты ИК-камеры 158×103×103 мм. ИК-камера может быть в цифровом исполнении (модель SU320-1.7/D) с переменным временем экспозиции от 127 до 16,3 мс и в аналоговом исполнении (SU320-1.7/RS 870) с временем экспозиции 16,3 мс. ИК-камера MERLIN-NEAR Indigo Systems (США) на основе InGaAs матрицы формата 320×2456 для области спектра 0,9 – 1,68 мкм имеет угол поля зрения 22×16о или 11×8о (в зависимости от фокусного расстояния применяемого объектива), массу 1,6 кг, габариты 102×114×203 мм. ИК-камера может обеспечивать измерение температуры в диапазоне 250 – 1000о С (или до 2000о С). Время накопления может изменяться от 10 мкс до 6,6 мс. ИК-ка-мера имеет аналоговый выход NTSS

(30 Гц), PAL (25 Гц), S-Video цифровой выход с разрешением 12 бит [24]. ИК-камера MERLIN-NEAR имеет нелинейность световой характеристики менее 1% и неоднородность по чувствительности менее 0,2%. Время инерции не превышает 500 нс [23].

Применение криогенного охлаждения, обеспечиваемого, например, заливкой жидкого азота, позволяет существенно поднять чувствительность ИК ФПУ на основе InGaAs. Это дает возможность эффективно их использовать в ИК-спектрофотометрии для целей криминалистики. ИК-камеры основе InGaAs могут работать с частотой кадров до 100 Гц и обеспечивают разрешение по спектру до 5 – 10 нм [23]. Основные параметры типичных ИК-камер на базе InGaAs фирмы Goodrich Corp. (США) [24] представлены в табл. 5 .

Однако ФПУ на базе InGaAs не является единственным вариантом обеспечения работы в области спектра 1,0 – 2,0 мкм. Фирма Spiricon Inc.(США) разработала ИК ТВ-камеры на основе матриц ПЗС, на чувствительные элементы которых нанесена прочная пленка антисток-совского люминофора [23]. Эти каме- ры работают в области спектра 1,46 – 1,625 мкм. Антистоксовский люминофор преобразует излучение в области 1,46 – 1,625 мкм в видимый свет, воспринимаемый матрицей ПЗС. В ИК-камерах имеется быстродействующий электронный затвор. Отличительной особенностью ИК-камер такого типа является нелинейность их световой характеристики: выходной сигнал меняется по квадратичному закону по отношению к входному сигналу. Это может служить источником ощутимой погрешности при измерениях. Поэтому в таких ИК-камерах используется цифровая коррекция световой характеристики, обеспечивающая ее линейность [23]. Примером такой ТВ-камеры является модель SP-1550M (фото 4б), формат матрицы ПЗС 1/2 дюйма, число пикселей 768×494, число дигитизированных пикселей 512×480, размер пикселя 8,4×9,8 мкм, размер чувствительного элемента 6,45×4,84 мм, размер дигитизирован-ной части чувствительного элемента 5,0×4,7 мм, освещенность 7 мВт/см2 на длине волны 1,55 мкм, отношение сигнал/шум в децибелах (коэффи- циент гамма коррекции) 58 (1) или 30 (1,95), время срабатывания электронного затвора от 1/60 до 1/105 с, масса 0,085 кг, напряжение питания =12 В, ток потребления 0,18 А. Если сравнить данные ИК-камеры с ИК-камерами на основе InGaAs, то можно отметить следующие преимущества ИК-камер фирмы Spiricon Inc.: более высокая разрешающая способность, обусловленная малыми размерами пикселей и большим их количеством, а также меньшая стоимость (приблизительно в 5 раз) [14].

Недостатками камер фирмы Spiricon Inc. являются существенно меньшая чувствительность и узкий спектральный рабочий диапазон ( рис. 2 ). В связи с этим такие ИК-камеры нашли применение только для измерений и пока не используются в технике ночного видения и системах безопасности.

Таким образом, существует большое многообразие ТВ-камер для спецтех-ники. Но для того, чтобы объединить их в конкретную ТВ-систему, необходим ряд дополнительных устройств, о которых речь пойдет в следующем номере журнала ■