7. Устройства обработки видеосигналов

7. Устройства обработки видеосигналов

Простая концепция «камера-монитор» используется только в небольших системах видеонаблюдения.

В более крупных системах сигнал до воспроизведения на видеомониторе проходит через видеокоммутатор или другое оборудование, осуществляющее обработку видеосигнала.

Термин «устройство обработки видеосигналов» относится к любому электронному устройству, выполняющему ту или иную обработку видеосигнала: переключение между несколькими входами, сжатие на один квадрант экрана, подъем высоких частот и др.

Аналоговое коммутационное оборудование

Самое простое и наиболее широко распространенное устройство, используемое в небольших и средних видеосистемах, — это последовательный видеокоммутатор.

Последовательные видеокоммутаторы

Поскольку в большинстве систем видеонаблюдения телекамер больше, чем видеомониторов, то требуется устройство, последовательно переключающееся с сигнала одной телекамеры на сигнал другой.

Такое устройство называется последовательным видеокоммутатором.

Последовательные видеокоммутаторы бывают разные. Самый простой — это 4-входовый видеокоммутатор, есть 6, 8, 12, 16 и даже 20-входовые видеокоммутаторы. Не исключено и другое количество входов, хотя встречается реже.

На передней панели видеокоммутатора расположен ряд кнопок для каждого входа, и кроме переключателя для ручного выбора телекамер есть переключатель для включения телекамер в последовательность или их обход. При помощи переменного резистора может быть изменено время наблюдения. Наиболее распространенная и целесообразная установка времени наблюдения составляет 2–3 секунды. Более короткое время слишком непрактично и будет утомлять глаза оператора, а более длительное время сканирования может привести к потере информации с тех телекамер, которые не отображались в это время на экране. Так что в некотором смысле последовательные видеокоммутаторы — это всегда компромисс.

Кроме классификации по количеству видеовходов, последовательные коммутаторы можно классифицировать по наличию или отсутствию входов тревоги.

Если последовательный видеокоммутатор имеет входы тревоги, это означает, что срабатывание внешних нормально разомкнутых (N/O) или нормально замкнутых (N/C) «сухих» контактов может остановить последовательное переключение и отобразить на экране видеосигнал из зоны тревоги. В качестве источников сигнала тревоги могут служить различные устройства тревожной сигнализации. Для внутренних (находящихся в помещении) систем выбор подходящего датчика не вызывает вопросов, но вот к внешним датчикам тревоги больше требований и подобрать их труднее. Не существует универсального датчика, который подходил бы для всех применений. Диапазон вариантов наблюдаемых зон и окружающих условий слишком велик. При выборе датчика может помочь специализированный поставщик, который обладает и знаниями, и опытом.

Рис. 7.1. Простой 8-канальный последовательный видеокоммутатор

Рис. 7.2. Усовершенствованный видеокоммутатор

Наиболее распространены пассивные и активные инфракрасные датчики, датчики открывания дверей, видеодетекторы движения и подобные устройства. Проектируя подобного рода систему, следует подумать об активности коммутатора после отключения тревоги, то есть о том, сколько времени видеосигнал тревоги будет оставаться на экране, требуется ли ручной или автоматический сброс тревоги, и если верно последнее, через сколько секунд он должен срабатывать; что случится, если одновременно сработает несколько датчиков тревоги и т. п. Ответы на эти вопросы и определяют эффективность видеосистемы и алгоритм ее функционирования. Не существует общего ответа на все подобные вопросы, поэтому следует проверить все технические характеристики оборудования, а лучше, если вы протестируете систему сами.

Довольно часто, хотя нельзя назвать это правилом, простые последовательные видеокоммутаторы (без входов тревоги) имеют только один выход видеосигнала. Последовательные коммутаторы с входами тревоги довольно часто имеют два выхода, один — для вывода изображений в режиме последовательного переключения, другой — для вывода изображения по тревоге (второй выход часто называется «тревожный» или «spot»).

Последовательный видеокоммутатор (или для краткости коммутатор) — это самое экономичное устройство в цепи между совокупностью телекамер и видеомонитором. Это не значит, что не существует более сложных и усовершенствованных последовательных коммутаторов. Существуют модели с функцией генератора текста (идентификация телекамер, время, дата), множественными опциями конфигурации интерфейса RS-485 или RS-422 и пр.

Некоторые подобные модели имеют функцию подачи по коаксиальному кабелю или напряжения питания для телекамеры, или синхронизирующих импульсов. Это необходимо для синхронизации телекамер, что мы сейчас и обсудим. Большинство этих усовершенствованных последовательных видеокоммутаторов может быть легко расширено до миниатюрного матричного коммутатора.

Синхронизация

Один из самых важных аспектов видеокоммутатора, независимо от числа его входов, — это используемый метод переключения. То есть, если на вход коммутатора подается сигнал более чем с одной телекамеры, то, естественно, сигналы будут в различных фазах. Это следствие того факта, что каждая телекамера в некотором смысле представляет собой автономный генератор, выдающий сигнал частоты, соответствующей ТВ-стандарту (625x25=15625 Гц для CCIR и 525x30=15750 Гц для EIA), и трудно себе представить, чтобы полдюжины телекамер случайным образом могли бы быть в одной фазе. Даже если у вас только две телекамеры, и то вряд ли. Такие сигналы, находящиеся в случайной фазе, мы называем несинхронизированными. Когда несинхронизированные сигналы проходят через последовательный видеокоммутатор, то на экране видеомонитора проявляется нежелательный эффект: медленное перемещение изображения по вертикали. Причиной этого эффекта являются разности фаз кадровых синхроимпульсах различных телекамер, что приводит к раздражающему глаз эффекту, который возникает каждый раз при переключении коммутатора с одной камеры на другую. Этот эффект становится еще более неприемлем, если производится запись выходного сигнала с коммутатора на видеомагнитофон.

Почему нарушение кадровой синхронизации более заметно на видеомагнитофоне? Головка видеомагнитофона требует механической синхронизации кадровыми синхроимпульсами от различных телекамер, в то время как видеомонитор делает это электронным образом. Единственный способ успешно преодолеть эффект перемещения изображения по вертикали заключается в синхронизации источников сигналов, то есть телекамер.

Самый удобный способ синхронизации телекамер — это использование внешнего генератора синхроимпульсов. В этом случае следует использовать телекамеры с входом для внешней синхронизации (имейте в виду, не каждая телекамера имеет возможность внешней синхронизации). У различных телекамер различные входы синхронизации, но вот наиболее распространенные варианты используемых для синхронизации сигналов:

— Строчные синхроимпульсы (синхроимульсы строчной развертки HD)

— Кадровые синхроимпульсы (синхроимпульсы кадровой развертки VD)

— Импульсы синхросмеси (HD и VD в одном сигнале, композитный видеосинхроимпульс или CVS).

Для синхронизации телекамер от синхрогенератора нужны дополнительные коаксиальные кабели (кроме кабелей для передачи видеосигналов), а синхрогенератор должен иметь столько же выходов, сколько телекамер в системе.

Понятно, такое решение является достаточно дорогим, хотя теоретически — это самый правильный способ синхронизации. Некоторые производители выпускают модели, в которых синхроимпульсы от видеокоммутатора к телекамере передаются по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Единственная проблема при такой конфигурации — все оборудование должно быть от одного производителя.

Рис. 7.3. Телекамера с синхронизацией от сети (24 В АС) с внешним входом кадрового синхроимпульса

Есть и более дешевые способы борьбы со срывом кадровой синхронизации. Один из наиболее приемлемых — это использование телекамер с синхронизацией от сети (Line-locked). Это телекамеры либо 24 В АС, либо 240 В АС (110 В АС для США, Канады, Японии). Частота сети 50 Гц (60 Гц в Канаде, США и Японии) совпадает с частотой кадровой синхронизации, так что телекамеры с синхронизацией от сети выполнены таким образом, что фиксируют пересечение нуля синусоиды сетевого электропитания и настраивают кадровый синхроимпульс по фазе с частотой сети. Если все телекамеры системы подключены к одному источнику электропитания (одной фазы), то все телекамеры будут с ним синхронизированы и, соответственно, будут синхронизированы между собой.

Этот метод самый дешевый, хотя может давать нестабильность фазы — из-за сильных промышленных нагрузок, включаемых и выключаемых непредсказуемым образом. И все же, это самый простой путь.

Есть даже решение для случая, когда различные телекамеры подключены к различным источникам питания, — это так называемая регулировка V-фазы, регулятор расположен на корпусе телекамеры, что позволяет электронике телекамеры обеспечить синхронизацию даже при разности фаз до 120°. Следует отметить, что низковольтные телекамеры переменного тока (24 В АС) более популярны и более практичны, чем высоковольтные, и главным образом потому, что они безопаснее.

Некоторые телекамеры спроектированы для приема видеосигнала предыдущей телекамеры и синхронизации по этому сигналу. Этот процесс называется синхронизация типа «master-slave» (ведущий-ведомый).

Соединяя все телекамеры в такую цепочку, можно получить синхронизированную систему, где одна телекамера будет ведущей (master), а все остальные — ведомыми (slave). Для этого все телекамеры должны быть соединены дополнительным коаксиальным кабелем, кроме кабеля для передачи видеосигнала.

И все же не каждый последовательный видеокоммутатор может использовать преимущества синхронизированных телекамер. Коммутатор должен иметь еще и опцию переключения по кадровому синхроимпульсу. Только тогда коммутатор может переключать синхронизированные сигналы в момент вертикального синхроимпульса, так что переключение будет гладким, без перемещения изображения по вертикали. Коммутаторы без этой опции переключаются произвольным образом, не в конкретно определенный период видеосигнала. Если время наблюдения настроено на конкретное значение, то коммутатор с опцией переключения по вертикальному синхроимпульсу срабатывает с учетом этой величины, но только в период вертикального синхроимпульса. Таким образом, переключение происходит чисто, в период вертикального гасящего импульса, и не дает «срыва» изображения на экране видеомонитора.

Обычные видеокоммутаторы, не обладающие этой опцией, будут переключать сигнал в любой момент процесса вывода изображения, и это может произойти, например, на середине развертки поля. Если телекамеры синхронизированы, эффекта срыва кадровой синхронизации не будет, но все же оператор будет наблюдать излом изображения из-за резкого переключения с одного сигнала на другой в середине выводимого поля изображения.

Та же концепция переключения применима и для старшего брата последовательного видеокоммутатора — матричного видеокоммутатора.

Рис. 7.4. Элементы кадрового синхроимпульса

Матричные видеокоммутаторы

Матричный видеокоммутатор (Video Matrix Switcher — VMS) приходится старшим братом последовательному коммутатору. Матричный видеокоммутатор (VMS) является мозгом системы и входит в состав больших систем видеонаблюдения.

Если мы расположим на схеме видеовходы против видеовыходов, то получим матрицу — отсюда и название «матричный». Довольно часто матричные видеокоммутаторы называют узловыми (cross-point). Узлы (или точки пересечения) — это электронные переключатели, которые в любой момент могут подключить любой вход к любому выходу, сохраняя при этом режим согласования нагрузки.

Так, один видеосигнал может быть выбран одновременно более чем на одном выходе. А несколько входов могут быть выбраны для переключения по одному выходу, только в этом случае мы получим последовательное переключение между несколькими входами, так как иметь более одного видеосигнала на одном выходе в один момент времени невозможно.

Таким образом, матричный видеокоммутатор по существу представляет собой большой последовательный коммутатор с рядом усовершенствований:

— VMS может контролироваться несколькими операторами. Вспомните: последовательный коммутатор имеет кнопки на передней панели, так что только один оператор может управлять системой в данный момент времени. Матричным видеокоммутатором может одновременно управлять дюжина операторов и даже более. В этом случае каждый оператор обычно контролирует один видеоканал. В зависимости от модели VMS может быть достигнут определенный уровень интеллектуального управления. Операторы могут иметь равные или различные приоритеты, зависящие от их положения в структуре безопасности.

— VMS обрабатывают сигналы со многих видеовходов и подают их на большое число выходов, но, что наиболее важно, их число может быть легко расширено просто добавлением модулей.

— В состав VMS входят цифровые контроллеры для управления поворотными устройствами и объективами. Клавиатура обычно имеет встроенный джойстик или кнопки, служащие управляющими элементами, а в месте установки телекамеры имеется так называемый PTZ-блок (приемник сигналов телеуправления), который по сути входит в систему VMS. PTZ-блок обменивается с матричным видеокоммутатором цифровой информацией и управляет поворотным устройством и вариообъективом и, возможно, другими дополнительными устройствами (такими как омыватель/очиститель стекла термокожуха телекамеры).

— VMS генерирует код идентификации телекамеры, время, дату, имя оператора системы, сообщения тревоги в блоке выводимой на экран информации, накладываемой на видеосигнал.

— VMS имеет множество входов и выходов тревоги и может быть расширен до практически любого их количества. Возможна любая комбинация тревог, вроде N/O (нормально разомкнутые контакты), N/C (нормально замкнутые контакты) и их логические комбинации OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ-НЕ), AND (И), NAND(H-HE).

— Мозгом устройства является микропроцессор, его использование позволяет матричным видеокоммутаторам выполнять сложные задачи по управлению видеосигналом и сигналами тревоги. Вечно растущие требования к мощности и производительности обработки приводят к тому, что микропроцессоры становятся все дешевле и мощнее. Сегодня эти сложные операции выполняет современный персональный компьютер. Вследствие этого установка VMS превращается в задачу программирования, сложную, но вместе с тем предоставляющую огромную мощность и гибкость: парольная защита для обеспечения безопасности, регистрация данных, тестирование системы, переконфигурирование по модему и пр. Последнее веяние — это использование графического интерфейса пользователя в среде Windows™ или OS/2™, сенсорных экранов, графического представления зоны наблюдения, модифицируемого при изменении зоны и многое другое.

— Разработчику системы или руководителю VMS может показаться сложным устройством, но он прост и дружественен по отношению к оператору и, что еще более важно, быстр в отклике на чрезвычайные ситуации.

Рис. 7.5. Усовершенствованный матричный видеокоммутатор

Рис. 7.6. Матричный видеокоммутатор Махрго в Star City Casino (Сидней) обрабатывает сигналы более чем от 1000 телекамер с записью более чем на 800 видеомагнитофонов

Рис. 7.7. Матричный видеокоммутатор Plettac системы видеонаблюдения в аэропорту Франкфурта

В мире всего горстка фирм выпускает матричные видеокоммутаторы, большая часть из них находится в США, Великобритании, Дании, Германии, Японии и Австралии. Многие придерживаются традиционной концепции узлового переключения с небольшим уровнем перепрограммируемости с использованием EPROM, поддерживаемой аккумулятором. Более ранние концепции с EPROM (без подзарядки) могли работать лишь несколько недель. Но многие фирмы пошли путем гибкого программирования и хранения данных на гибких и жестких дисках, что предохраняет от потери информации даже при обесточивании системы в течение более двух месяцев.

Требование совместимости привело многие системы к PC-платформе, которая знакома большинству пользователей и, в то же время, обеспечивает совместимость со многими программами и операционными системами, которые могут совместно работать.

Новые модели матричных видеокоммутаторов учитывают практически каждую деталь. Прежде всего, конфигурирование новой системы или переконфигурирование старой осуществляется очень просто — посредством ввода данных в меню установки. Однако высокий уровень защиты программы установки не позволит любому встречному «играть» с настройками, доступ имеют только зарегистрированные пользователи, которые знают код и процедуры доступа.

Рис. 7.8. Клавиатура интеллектуального, эргономичного и конфигурируемого матричного видеокоммутатора

Далее, VMS стали достаточно интеллектуальными и мощными, так что стало возможным управление другими сложными устройствами. Это освещение в здании, кондиционирование воздуха, контроль открывания дверей и шлагбаумов на автомобильных стоянках, управление электроснабжением и другими ежедневными операциями, производимыми в определенное время суток или при конкретных обнаруживаемых обстоятельствах.

К сожалению, не существует стандарта или единого языка конфигурирования и программирования матричных коммутаторов. Производители используют различные концепции и идеи, так что очень важно найти хорошего эксперта по данной системе.

Обычно матричные коммутаторы поставляются в базовой конфигурации с 16 или 32 входами и 2 или 4 выходами видеосигнала. Это наиболее распространенные конфигурации, хотя возможны и другие.

Многие коммутаторы имеют несколько входов и выходов тревоги. Почти все коммутаторы в базовой конфигурации имеют опцию генератора текста и клавиатуру управления.

Инструкция для оператора и другая техническая информация являются неотъемлемой частью устройства.

Рис. 7.9. Большие матричные видеокоммутаторы Pacific Communications поставляются аккуратно смонтированными

Большинство поставщиков просят указывать при заказе, требуется ли включить модули PTZ-управления, так как во многих системах используются только фиксировано установленные телекамеры и управление поворотными устройствами не требуется. В некоторых матричных видеокоммутаторах управление поворотными устройствами заложено изначально.

Последнее не означает, что приемник сигналов телеуправления является обязательным компонентом VMS.

Поскольку количество поворотных устройств может меняться от системы к системе, то при заказе надо учитывать прогнозируемое число таких устройств. Сколько из них вы будете действительно использовать в системе, зависит от ее конструкции и модели. В большинстве случаев VMS использует цифровое управление с ограниченным числом адресуемых блоков.

Это число зависит также и от расстояний, и может меняться от 1 до 32 поворотных устройств. Для большего числа приемников сигналов телеуправления потребуются дополнительные модули PTZ-контроля.

Повторю еще раз, что до сегодняшнего момента между продукцией различных производителей не было совместимости, и поэтому видеокоммутатор одной марки и приемник сигналов телеуправления другой фирмы. В большинстве случаев, если система с матричным коммутатором нуждается в обновлении, вам придется заменить систему почти целиком, за исключением телекамер, объективов, видеомониторов и кабелей. Хотя, честно говоря, в период между первым изданием книги и этим, я обнаружил, что все больше производителей начали выпускать многофункциональные панели управления (driver boards), при помощи которых можно контролировать, по меньшей мере, пару различных марок. Более того, сейчас выпускаются преобразователи протоколов (protocol converter boxes), которые позволяют пользователю, знающему протоколы скоростной телекамеры и матричного видеокоммутатора, использовать их в одной системе.

Небольшие системы — с числом камер до 32 — легко конфигурируются, но если от матричного коммутатора требуется большее число входов и выходов, то лучше поговорить с представителем производителя и точно определить требуемые модули. Таким образом вы поймете разницу между приемлемой и дорогой системой, так же как между функционирующей и нефункционирующей системой.

Так как матричные видеокоммутаторы кроме простого переключения каналов умеют делать и многое другое, то их иногда называют системой управления видеонаблюдения. Это не значит, что VMS может выполнять функцию видеоквадратора или мультиплексирование сигналов. Если требуется выполнение этих функций, то вам понадобятся видеоквадратор и видеомультиплексор. (В настоящее время имеются видеомультиплексоры с функцией матричного видеокоммутатора. Прим. ред.)

Рис. 7.10. Типичный приемник сигналов телеуправления

Цифровое переключение и оборудование для обработки видеосигналов

Видеоквадраторы

«Неумение» последовательных коммутаторов отображать все телекамеры одновременно и проблемы с синхронизацией заставили разработчиков оборудования для систем видеонаблюдения на создание нового устройства — видеоквадратора (разделителя экрана).

Видеоквадратор помещает изображение от четырех (или менее) телекамер на один экран, разделенный на четыре прямоугольные области, по аналогии с прямоугольной системой координат иногда называемые квадрантами (отсюда иногда используемое название такого прибора «quad»). Для решения этой задачи видеосигнал вначале должен быть оцифрован, а затем сжат до размера соответствующего квадранта (отсюда еще одно название прибора — quad compressor). Электроника прибора приводит все синхроимпульсы к единой временной базе, в результате формируется единый видеосигнал, в котором представлены сигналы всех четырех квадрантов, поэтому нет необходимости во внешней синхронизации.

Видеоквадратор — это прибор с аналоговыми входом и выходом, выполняющий цифровую обработку изображения.

Как и в случае любого цифрового устройства обработки изображений, здесь есть ряд моментов, которые необходимо знать, чтобы уметь определять качество системы: разрешение кадровой памяти в пикселах (по горизонтали и по вертикали) и скорость обработки изображений.

Рис. 7.11. Типичный черно-белый видеоквадратор

Типичная для современных видеоквадраторов емкость кадровой памяти составляет 512 х 512 или 1024 х 1024 пикселов. Первое сравнимо с разрешающей способностью телекамеры, но не забывайте, что эти 512 х 512 пикселов мы разбиваем на четыре изображения, и каждый квадрант будет иметь разрешение 256 х 256 пикселов, что приемлемо лишь для системы среднего уровня. Итак, если у вас есть выбор, то выбирайте видеоквадратор с большей кадровой памятью. Кроме того, каждый пиксел хранит информацию об уровне яркости (в черно-белых видеоквадраторах) и цветовую информацию (в цветных видеоквадраторах). Обычный черно-белый видеоквадратор хорошего качества дает 256 уровней серого, хотя для некоторых приложений достаточно 64 уровней. А вот 16 уровней серого — это слишком мало, и изображение будет выглядеть чересчур оцифрованным. Цветные видеоквадраторы высокого качества дают более 16 млн. цветов, то есть 256 уровней по каждому из трех первичных цветов (всего 256³).

Рис. 7.12. Двухстраничный видеоквадратор

Еще один важный аспект видеоквадратора — это время обработки изображения. Когда появились первые устройства, цифровая электроника работала сравнительно медленно, и видеоквадратор мог обрабатывать всего несколько изображений в секунду, поэтому вы могли видеть «дерганье» перемещающихся объектов на экране. Медленные видеоквадраторы есть и сегодня. Чтобы движение на экране было плавным, электроника должна обрабатывать каждое изображение на полевой частоте ТВ-системы (1/50 с или 1/60 с), только тогда на отображении не будет задержек и эффект оцифровки будет менее заметен. Такие «быстрые» приборы называются видеоквадраторами реального времени. Видеоквадраторы реального времени с высоким разрешением стоят дорого. Цветные приборы дороже, чем черно-белые, так как в этом случае на каждый канал требуется три модуля кадровой памяти (по числу первичных цветов). Если в системе больше четырех телекамер, то решением может быть использование двух-страничных видеоквадраторов, в этом случае до 8 телекамер могут переключаться последовательно в виде двух изображений с квадовым представлением. Большинство таких видеоквадраторов позволяет настраивать время отображения между переключениями.

Другая очень удобная характеристика, свойственная большинству видеоквадраторов, — это входы тревоги. При получении сигнала тревоги, соответствующая телекамера переключается с квадового режима на полноэкранный. Обычно это режим реального времени, то есть аналоговый сигнал отображается без цифровой обработки и хранения в кадровой памяти. Переключение по тревоге в полноэкранный режим особенно важно в режиме видеозаписи. Независимо от того, насколько хорошим кажется выходной сигнал с видеоквадратора, при записи на VHS-магнитофон разрешающая способность ограничивается возможностями видеомагнитофона. Это составляет 240 ТВЛ (мы обсудим это позже в разделе, посвященном видеомагнитофонам) для цветного сигнала и около 300 ТВЛ для черно-белого. При воспроизведении в квадовом режиме с видеомагнитофона очень трудно сравнивать детали в таком изображении с тем, что было в исходном изображении в режиме реального времени. По этой причине система может быть спроектирована таким образом, чтобы при срабатывании датчика тревоги происходил переход с квадового отображения на полноэкранное.

Рис. 7.13. Видеоквадратор с входами тревоги

В последствии детали видеозаписи по тревоге могут быть изучены подробнее. В качестве устройств активации могут быть использованы самые разные датчики, но чаще всего это пассивные и активные инфракрасные детекторы, видеодетекторы движения, тревожные кнопки и датчики открывания дверей.

Как и для последовательных видеокоммутаторов с входом тревоги следует четко определить, что последует после работы в режиме тревоги, то есть как долго видеоквадратор останется в полноэкранном режиме, требуется ли ручное подтверждение восприятия тревоги оператором. Это мелочи, но они многое могут изменить в построении видеосистемы и ее эффективности.

Иногда потребителя устраивает и запись в квадовом режиме, в этом случае достаточно простого видеоквадратора, без входов тревоги.

Однако, если требуется запись полноэкранного изображения, то следует осторожно относиться к выбору видеоквадратора с функцией увеличения при воспроизведении. Они могут выглядеть так же, как и устройства с входами тревоги, но на самом деле они не поддерживают запись полноэкранного изображения, как этого можно было бы ожидать; вместо этого они электронным образом «раздувают» записываемые квадранты на полный экран. Разрешение таких увеличенных изображений составляет лишь четверть (1/2 по вертикали и 1/2 по горизонтали) того, что должно быть.

Видеомультиплексоры

Естественная эволюция устройств цифровой обработки изображений сделала видеомультиплексоры лучшей альтернативой видеоквадраторам, особенно для записи. Видеомультиплексоры — это устройства, выполняющие временное мультиплексирование входных видеосигналов и дающие два типа выходных видеосигналов: один для просмотра и один для записи.

Выход для видеонаблюдения позволяет показывать изображения со всех телекамер на одном экране одновременно. То есть, если у нас есть 9-канальный видеомультиплексор с 9 телекамерами, то все они будут представлены на экране в виде мозаики 3 х 3 (мультиэкранное отображение. Прим. ред.). Та же концепция применима к 4- и 16-канальным видеомультиплексорам. В большинстве видеомультиплексоров любая телекамера может быть выбрана для полноэкранного отображения. Пока на видеовыходе воспроизводятся эти изображения, на магнитофонный выход видеомультиплексора посылаются разделенные по времени мультиплексированные изображения со всех телекамер, выбранных для записи. Это разделенное по времени мультиплексирование похоже на очень быстрый последовательный видеокоммутатор с той лишь разницей, что все видеосигналы синхронизированы для последовательной записи на видеомагнитофон. Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, выполняющие лишь быстрое переключение каналов (для записи) и вывод полноэкранных изображений, без функции мозаичного воспроизведения. Такие устройства называются frame switcher (коммутатор кадров), причем при записи они ведут себя подобно видеомультиплексорам. (Более распространенное название — симплексный видеомультиплексор. Прим. ред.)

Рис. 7.14. Uniplex — один из первых видеомультиплексоров

Рис. 7.15. Мультиплексирование видеозаписи

Чтобы понять, как это происходит, мы упомянем здесь несколько моментов, касающихся концепции записи на видеомагнитофон (эти вопросы также обсуждаются в следующем разделе). Головки видеомагнитофона (обычно две) расположены на 62 мм вращающемся барабане, который выполняет спиральную развертку магнитной ленты, проходящей вплотную с барабаном.

Вращение зависит от ТВ-системы: для PAL это 25 оборотов в секунду, а для NTSC — 30. Если две головки расположены на барабане под углом 180° напротив друг друга, спиральная развертка может составлять 50 полей/с на чтение или запись для PAL и 60 — для NTSC. Это означает, что каждое ТВ-поле (состоящее из 312.5 строк для PAL и 262.5 строк для NTSC) записывается на диагональные, плотно расположенные дорожки магнитной ленты. Когда видео-магнитофон воспроизводит записанную информацию, он делает это на скорости, соответствующей ТВ-стандарту, так что мы опять получаем движущееся изображение.

Понятно, поскольку головки видеомагнитофона представляют собой электромеханические устройства, то точность вращения здесь критична. Из-за электромеханической инерции видеомагнитофоны обладают более длительным временем захвата кадровой синхронизации, чем видеомониторы. Это становится причиной еще больших проблем с перемещением изображения по вертикали при записи несинхронизированных телекамер с помощью последовательного видеокоммутатора.

Рис. 7.16. 8-канальный видеомультиплексор

При нормальной записи и воспроизведении видеоголовки постоянно считывают или записывают поля, одно за другим, по 50 (60 в NTSC) полей в секунду.

Вместо того, чтобы записывать одну телекамеру несколько секунд, затем другую и т. д. (что делает последовательный видеокоммутатор), видеомультиплексор обрабатывает видеосигнал таким образом, что каждое следующее поле, посылаемое на видеомагнитофон, исходит от другой телекамеры (обычно следующего по порядку входа).

Итак, в действительности мы имеем на выходе очень быстро переключаемый сигнал, который переключается со скоростью, соответствующей скорости записывающих головок. Эта скорость зависит от типа видеомагнитофона и от режима записи (как в случае видеомагнитофонов с функцией time lapse, что мы обсудим ниже). Вот почему так важно настроить видеомультиплексор на выходную скорость, соответствующую конкретному видеомагнитофону. Это можно сделать в меню установок любого видеомультиплексора. Если на вашем видеомультиплексоре нет конкретного видеомагнитофона, то можете попробовать выбрать типовую установку или же, если нет ничего похожего, последуйте методу проб и ошибок и попытайтесь найти эквивалентную модель (Современные видеомультиплексоры имеют вход VEXT для синхронизации импульсами с видеомагнитофона, что исключает описанную выше процедуру. Прим. ред.). Основное различие time lapse видеомагнитофонов заключается в том, что одни записывают поля, другие кадры.

Кроме синхронизации выхода (MUX–VCR), теоретически нужна еще и синхронизации входов (камеры-MUX), но поскольку видеомультиплексоры являются цифровыми устройствами обработки изображения, то приведение всех синхроимпульсов от телекамер к единой временной базе происходит в самом видеомультиплексоре. То есть сигналы различных телекамер могут быть «смешаны» в одном видеомультиплексоре, и нет никакой необходимости их синхронизировать.

Однако на рынке встречаются и другие модели видеомультиплексоров, которые осуществляют внешнюю синхронизацию телекамер посредством синхроимпульсов, передаваемых по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Эти модели видеомультиплексоров не теряют времени на временную коррекцию синхроимпульсов и поэтому должны работать быстрее. (Другое решение проблемы — использование в видеомультиплексорах двух параллельно работающих процессоров, осуществляющих поочередную оцифровку входных видеосигналов, в результате отсутствует время на ожидание прихода начала поля следующей несинхронизированной телекамеры. Прим. ред.)

Если необходимо воспроизведение, то выход видеомагнитофона вначале обращается к видеомультиплексору, затем видеомультиплексор извлекает сигнал выбранной телекамеры и посылает изображение на видеомонитор. Видеомультиплексор может отобразить любую телекамеру на полном экране или воспроизвести все записанные телекамеры в мозаичном режиме (вывести несколько изображений одновременно).

Рис. 7.17. 16-входовый видеомультиплексор со сквозными видеовходами

Время обновления видеозаписи

Следует понимать, что количество кадров (изображений), взятых от каждой телекамеры для записи, зависит от общего числа подсоединенных к видеомультиплексору телекамер и временного режима работы time lapse видеомагнитофона. То есть, невозможно одновременно записать в реальном режиме времени изображения со всех телекамер — ведь это мультиплексирование с временным разделением.

Однако можно улучшить качество работы видеосистемы при помощи внешних датчиков тревоги и встроенного в видеомультиплексор детектора активности (что мы объясним позже). Лучше всего записывать минимальное количество телекамер в самом быстром (насколько это практически возможно) режиме записи. Проще говоря, если заказчик может менять ленту хотя бы раз в сутки, не следует использовать режим time lapse больший, чем «24 часа». Если система не обслуживается в выходные, то следует выбрать режим «72 часа». А если позволяет бюджет, то вместо 16-канального видеомультиплексора для 9 (или более) телекамер лучше использовать 9-канальные (некоторые производители выпускают 8- и 10-канальные устройства) видеомультиплексоры и два видеомагнитофона. Тогда частота записи удвоится и нужно будет использовать две ленты вместо одной.

Вот как можно посчитать временные интервалы между последовательными кадрами с каждой телекамеры. Допустим, у нас имеется видеомагнитофон с режимом time lapse «24 часа». Ранее мы установили, что нормальный (реального времени) видеомагнитофон записывает 50 полей в секунду в PAL и 60 в NTSC.

Если вы откроете техническое руководство time lapse видеомагнитофона, то вы увидите, что видеомагнитофон в режиме «24 часа» делает запись каждые 0.16 секунды; даже если у вас нет руководства, то это легко подсчитать: если видеомагнитофон PAL делает запись в режиме реального времени, то он записывает поле каждые 1/50=0.02 с. Частота записи time lapse видеомагнитофона в режиме «24 часа» в 24/3=8 раз меньше, тогда мы получим 0.02x8=0.16 с. Аналогичный расчет для видеомагнитофона NTSC даст нам, что одно поле записывается каждую 1/60=0.0167 с. В режиме «24 часа» с лентой Т120 мы получим 24/2=12. Это значит, что в режиме 24 «часа» в формате NTSC лента time lapse видеомагнитофона двигается в 12 раз медленнее, чтобы уместить 24 часа на одной 2-часовой ленте. Таким образом, скорость обновления каждого записываемого поля в режиме «24 часа» составляет 12x0.0167=0.2 с.

Рис. 7.18. Типовая схема соединения типичный видеомультиплексор — time lapse видеомагнитофон

Все приведенные выше вычисления сделаны для сигнала одной телекамеры, то есть, если к видеомультиплексору подсоединена только одна телекамера, то он будет делать запись каждые 0.16 ев PAL и каждые 0.2 с в NTSC. Если в системе большее число телекамер, то чтобы подсчитать скорость обновления для каждой телекамеры, нужно умножить это значение на число телекамер и добавить время, которое видеомультиплексор тратит на временную коррекцию несинхронизированных телекамер. Если у нас, например, 8 телекамер на запись, то получим 8x0.16=1.28 с (PAL) и 8x0.2=1.6 с (NTSC). Добавив к этому время, затрачиваемое на синхронизацию и реальные временные интервалы между записями каждой телекамеры, получим примерно от 1.5 до 2 с. Это неплохой результат, особенно если учесть, что все 8 телекамер записываются на одну ленту.

Если нам нужно идентифицировать важное событие, которое имело место, например, в 3 часа дня, мы можем либо просмотреть изображение со всех телекамер в мозаичном режиме и найти ту из них, на которой зарегистрирована важная активность, либо просмотреть все телекамеры по отдельности в полноэкранном режиме.

Рис. 7.19. Типичное отображение с помощью видеомультиплексора

Для некоторых видеосистем 2 секунды — это слишком большая потеря времени, и тогда могут приго-диться вход тревоги или детектор активности. Большинство видеомультиплексоров имеют входы тревоги, благодаря чему можно перейти в режим приоритетной записи. Режим приоритетной записи — это режим, при котором сигналы от телекамеры с тревогой видеомультиплексор записывает с приоритетом. Допустим, поступил сигнал тревоги, связанный с телекамерой 3. Вместо нормального временного мультиплексирования 8 телекамер в последовательности 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, мы получим 1, 3, 2, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 3 и т. д. Временной интервал задержки в таких случаях длиннее для всех телекамер, кроме 3. Но поскольку номер 3 — это самая важная для данного момента телекамера, то приоритетное кодирование «заставит» телекамеру 3 записываться каждые 2x0.16=0.32 с, или на практике почти каждые 0.5 с (из-за временной коррекции). Это гораздо лучшая реакция, чем предыдущие 2 с для простого мультиплексного кодирования. Следует отметить, что если на входах видеомультиплексора больше одного сигнала тревоги, то временной «провал» между последовательными кадрами телекамер удлиняется, и если мы проходим через все входы тревожных телекамер, то получаем простое мультиплексное кодирование. (Кроме приоритетной видеозаписи некоторые видеомультиплексоры позволяют реализовать режим эксклюзивной видеозаписи, то есть запись видеосигналов только тех зон, где произошла тревога, что еще больше повышает ценность записанной информации. Прим. ред.)

Если система не может использовать внешние датчики тревоги, то следует помнить, что многие видеомультиплексоры имеют встроенные детекторы активности. Это очень удобная характеристика, суть которой заключается в том, что каждый канал видеомультиплексора анализирует изменения видеоинформации при каждом обновлении кадровой памяти. Если произошли изменения (что-то движется в поле зрения), то активируется «внутренняя тревога», которая, в свою очередь, включает схему приоритетной кодировки. Это очень помогает при анализе вторжений или иных событий. Детектирование активности можно отключить. Некоторые модели видеомультиплексоров позволяют конфигурировать зоны детектирования. (Более того, может быть реализован детектор движения, обеспечивающий срабатывание выходных контактов тревоги. Настройками можно выбрать чувствительность, игнорировать влияние медленно изменяющейся освещенности и пр. с тем, чтобы минимизировать уровень ложных тревог. Прим. ред.)

На рынке оборудования для систем видеонаблюдения появились видеомагнитофоны реального времени с функцией time lapse, что может запутать нас в вопросе подсчета скорости записи. Это более быстрые устройства, с модифицированной механикой, записывающие 16.7 полей в секунду в PAL (одно поле в 0.06 с) и 24 часа на ленту Е240. В случае NTSC около 20 полей в секунду (поле в 0.05 с) может быть записано за 24 часа на ленту Т160. Понятно, чтобы подсчитать скорость обновления информации мультиплексированных телекамер при записи на такой видеомагнитофон, следует умножить число телекамер на вышеупомянутую скорость обновления полей.

Честно говоря, это не настоящее время записи в реальном времени, но определенно лучше, чем обычный режим time lapse. Насколько я знаю, есть только один производитель, оборудование для систем видеонаблюдения которого действительно делает 24 ч записи со скоростью 50 полей в секунду (PAL) и 60 (NTSC) — это Elbex.

В системе NTSC лента используется при более высокой скорости записи (2 метра в минуту), чем в системе PAL или SECAM (1.42 метра в минуту). Еще более запутывает вопрос то, что на VHS лентах маркируется время воспроизведения, а не длина ленты. Поэтому лента Т120 (2-часовая), купленная в США, — это не то же, что лента Е120 (2-часовая), купленная в Великобритании. Американская лента Т120, длиной 246 метров, дает два часа воспроизведения на NTSC-видеомагнитофоне. Такая же лента, используемая на видеомагнитофоне PAL, даст 2 часа и 49 минут воспроизведения. А английская лента Е120, длиной 173 метров, даст 2 часа воспроизведения на видеомагнитофоне PAL. Та же лента на NTSC-видеомагнитофоне даст 1 час и 26 минут воспроизведения. В таблице 7.1. приведено время воспроизведения лент в PAL, SECAM и NTSC.

Симплексные и дуплексные видеомультиплексоры

Многие видеомультиплексоры позволят вам просматривать изображения с любой выбранной телекамеры в мозаичном режиме. Если нужно просмотреть записанную ленту, то, как мы уже говорили, вначале сигнал с выхода видеомагнитофона поступает не на видеомонитор, а на видеомультиплексор, где происходит декодирование сигналов. В этот момент видеомультиплексор не может быть использован для записи. Итак, если необходимо одновременно сделать запись и просмотреть изображение, то потребуется еще один видеомультиплексор и видеомагнитофон. Видеомультиплексоры, которые в конкретный момент времени могут выполнять только одну задачу, называются симплексными.

Но бывают и дуплексные видеомультиплексоры, фактически представляющие собой «два в одном» — два видеомультиплексора в одном корпусе, один для записи, другой для воспроизведения. Если требуется одновременное воспроизведение и запись, то потребуется два видеомагнитофона.

Некоторые производители изготавливают видеомультиплексоры, называемые триплексными. Эти устройства обладают той же функциональностью, что и дуплексные, но вдобавок могут воспроизводить на одном экране комбинацию из наблюдаемых в данный момент и воспроизводимых с видеомагнитофона изображений на одном видеомониторе.

Видеомультиплексоры, как и видеоквадраторы, могут быть черно-белыми или цветными. Кадровая память тоже имеет ограничения. Наиболее узким местом в смысле разрешающей способности является сам видеомагнитофон. Новые современные системы видеонаблюдения инсталлируются с видеомагнитофонами Super VHS, что дает улучшенное разрешение до 400 ТВЛ (сравните с 240 ТВЛ в обычном VHS-формате).

Видеомультиплексоры можно с успехом использовать и в других приложениях, не только при видеозаписи. Например, если нужно передавать по радиоканалу более одного видеосигнала. Используя два идентичных симплексных видеомультиплексора на концах линии, мы сможем передавать более одного изображения в режиме мультиплексирования с временным разделением. В этом случае скорость обновления для каждой телекамеры будет такой же, как при записи этих телекамер в реальном режиме (3 часа) на видеомагнитофон.

Рис. 7.20. 16-канальный триплексный видеомультиплексор

Видеодетекторы движения

Видеодетекторы движения (Video Motion Detector — VMD) — это устройства, анализирующие поступающие на вход видеосигналы и определяющие наличие изменений в видеосигнале; в случае их появления активируется выход тревоги.

Быстро развивающаяся технология обработки изображений позволяет запоминать и обрабатывать изображения в течение очень короткого времени. Если время обработки равно или меньше 1/50 с (PAL) или 1/60 с (NTSC), что, как мы знаем, равно скорости обновления «живого» видео, то мы можем обрабатывать изображение без потери полей и сохранить видимость «движения в реальном времени». На самом раннем этапе развития VMD была возможна только аналоговая обработка. Такие простые VMD все еще применяются и, пожалуй, достаточно эффективны в сопоставлении с их ценой, хотя они не способны сделать сложный анализ и поэтому дают большое количество ложных тревог.

Принципы работы аналогового VMD (иногда их называют видеосенсорами движения) очень просты: видеосигнал с камеры подается на VMD и затем на монитор или любой видеокоммутатор. При помощи нескольких регуляторов, расположенных на передней панели устройства, на анализируемом изображении позиционируются маленькие метки (обычно четыре).

Рис. 7.21. Простой аналоговый одноканальный видеодетектор движения

Рис. 7.22. Система Dindima с видеодетектором движения (VMD) на базе PC

Эти прямоугольные метки указывают зоны чувствительности, а уровень видеосигнала определяется электроникой VMD. Как только уровень меняется (становится выше или ниже) — то есть кто-то появился в поле зрения и попал в отмеченные зоны — активируется тревога. Чувствительность определяется величиной изменения уровня яркости, вызывающей состояние тревоги (обычно 10 % или более от максимального размаха видеосигнала).