Какой должна быть скорость обновления информации системы охранного телевидения

Ю.М. Гедзберг, Директор ООО "Мост Безопасности

Опубликовано в журнале "Системы Безопасности" №4 за 2006 год

Системы охранного телевидения обладают чрезвычайно широкими функциональными возможностями, но они имеют и свои физические ограничения. Для потребителя крайне важно определить, какими возможностями должна обладать проектируемая видеосистема

Требования к видеосистеме

Задача видеосистемы – предоставлять работникам охраны визуальную информацию о нештатной ситуации. Скорость обновления информации – это одна из важнейших характеристик цифровых систем охранного телевидения.

По этому параметру видеосистемы делятся на две группы:

• первые не позволяют, в силу ограниченности ресурсов, просматривать и записывать изображения значительного числа контролируемых зон в режиме реального времени;
• вторые допускают работу в режиме реального времени, однако стоимость таких систем существенно выше.

Какую же видеосистему следует выбрать потребителю для решения его реальной задачи, или, проще говоря, сколько изображений в секунду для конкретного объекта много, а сколько мало?

Вопрос о выборе необходимой скорости обновления информации в видеосистеме сейчас решается интуитивно; как правило, принимаются в расчет качественные характеристики объекта наблюдения и опыт проектировщика.

Приходится порой даже слышать, что в системе охранного телевидения лучше иметь высокую разрешающую способность, чем высокую скорость обновления, то есть лучше записать хотя бы один кадр с высоким разрешением, который в дальнейшем можно было бы увеличить и подробно рассмотреть все детали происшествия. Думается, подобное противопоставление некорректно, поскольку может случиться так, что при недостаточно высокой скорости обновления не удастся записать даже один кадр, содержащий ценную для расследования происшествия информацию.

В данной статье предпринята попытка получить числовые соотношения для скорости обновления информации в цифровой системе охранного телевидения, определить критерии такого выбора.

Движение объекта в контролируемой зоне

Движение объекта в зоне, контролируемой с помощью видеокамеры, может иметь любую траекторию. Однако для простоты рассуждений примем в качестве данных, что объект совершает прямолинейное равномерное движение; с достаточной для последующих рассуждений точностью его произвольная траектория движения может быть заменена ее кусочно-линейной аппроксимацией. Вектор скорости движения v объекта можно разложить на радиальную v_r и тангенциальную v_t составляющие относительно точки установки видеокамеры (рис. 1).

Рис. 1. Движение объекта в секторе наблюдения видеокамеры

Радиальная составляющая в зависимости от направления движения может оказывать различное влияние на результат получения видеоизображения объекта. Причины возникающих при этом потерь информации могут быть следующими:

1. при движении к видеокамере объект может оказаться в так называемой ближней зоне:
   • в пределах мертвой зоны под видеокамерой,
   • вне пределов глубины резкости объектива;
2. при движении от видеокамеры объект может оказаться в так называемой дальней зоне:
   • вне пределов опознавания и обнаружения,
   • вне пределов глубины резкости объектива.

Что касается тангенциальной составляющей, то она определяет время пересечения сектора наблюдения. При каком-то, достаточно большом значении v_t появившийся объект, пересекающий сектор наблюдения, может оказаться незамеченным. Для описания такой ситуации введено понятие условно мертвой зоны (см. ниже).

Можно сделать важный вывод: скорость обновления видеоинформации важна не сама по себе, а только в связи с расстоянием до контролируемого объекта самой видеокамеры и значением ее угла обзора, также она зависит от тангенциальной составляющей скорости объекта.

Поскольку нас интересуют не вероятностные характеристики, а значения параметров видеосистемы, гарантирующие попадание в видеозапись движущегося объекта, то с практической точки зрения следует задаться максимальными значениями v_t.

Для бегущего человека максимальная скорость может быть принята равной 10 м/с. Естественно, что при наличии препятствия (забора, турникета и пр.) эта скорость будет существенно ниже.

Конечно, не следует ожидать, что злоумышленник на автомобиле, совершая правонарушение, будет следовать каким-то правилам, тем не менее, для определенности можно использовать известное ограничение на максимальную скорость: "В населенных пунктах разрешается движение транспортных средств со скоростью не более 60 км/ч, а в жилых зонах и на дворовых территориях не более 20 км/ч". Иначе говоря, в расчетах скорость автомобиля может быть принята равной 60 км/ч (16,7 м/с), а для получения гарантированной видеозаписи автомобиля, движущегося с большей скоростью, полученные результаты можно пропорционально увеличить.

Естественно, надо отдавать себе отчет в том, что далеко не каждый злоумышленник бегает стометровку за 10 с и что далеко не на каждом объекте имеется возможность бежать с такой скоростью. Чтобы не закладывать избыточность в скорости обновления информации для каких-то объектов, более перспективным может оказаться определение максимальной скорости опытным путем (это, в частности, относится к случаю переброски предметов через забор).

Итак, постараемся определить соотношение между углом обзора видеокамеры, максимальной скоростью движения объекта, скоростью обновления информации видеосистемы и получаемой при этом длиной условно мертвой зоны. Подчеркнем, что данная статья посвящена влиянию скорости обновления информации на выполнение видеосистемой именно охранных функций, в первую очередь на видеорегистрацию объектов, появившихся в охраняемой зоне, и в ней не рассматриваются требования к скорости обновления информации у видеосистем, предназначенных для регистрации технологических процессов, видеонаблюдения за действиями кассиров в магазинах, крупье в казино и пр.

Условно мертвая зона

В дальнейшем наши рассуждения будут строиться на предположении, что видеокамера и движущийся объект находятся в одной горизонтальной плоскости. Влияние на угол обзора высоты установки видеокамеры над землей (или над полом в помещении) может быть учтено соответствующим коэффициентом.

Принципиально то, что реальная мертвая зона существует для всех объектов – статических и динамических; на ее длину влияют угол обзора по вертикали и высота установки видеокамеры. Что касается условно мертвой зоны, то она может быть определена только для динамических объектов; на ее длину влияет угол обзора по горизонтали, и, в отличие от реально мертвой зоны, первая может существовать даже при нулевой высоте установки видеокамеры.

Под условно мертвой зоной будем понимать ту часть сектора обзора видеокамеры по горизонтали, в пределах которой объекты, пересекающие его с достаточно высокой скоростью, могут оказаться незарегистрированными системой охранного телевидения.

При уменьшении угла обзора длина условно мертвой зоны возрастает, то есть эффективность видеонаблюдения падает. Рассмотрим варианты оценки длины условно мертвой зоны, значение которой необходимо знать не только при выборе объективов и размещении видеокамер, но и при определении скорости обновления информации видеосистемы.

Рассмотрим треугольник EOD (рис. 2), который представляет собой сектор наблюдения видеокамеры по горизонтали с углом обзора α_H .

Рис. 2. Определение условно мертвой зоны

Наиболее коротким путем пересечения сектора наблюдения является отрезок AC длиной s, параллельный плоскости наблюдения DE, на расстоянии u от места установки видеокамеры VC1. Из треугольника COA:

(1),

откуда:

(2).

Для длины u условно мертвой зоны получаем:

(3),

Очевидно, что при широкоугольном объективе видеокамеры длина пути пересечения s будет больше и вероятность обнаружения и регистрации движущегося объекта будет выше, чем при использовании телеобъектива (в случае использования длиннофокусного объектива злоумышленнику легче пересечь сектор наблюдения, оказавшись незамеченным).

Из формулы (3) следует, что для видеокамеры с широкоугольным объективом, имеющим угол обзора α_H = 90º, длина условно мертвой зоны численно равна половине пути пересечения сектора наблюдения, т.е.

(4),

При уменьшении угла обзора длина условно мертвой зоны возрастает. Рассмотрим, как можно оценить длину условно мертвой зоны.

Длина пути s пересечения сектора наблюдения объектом равна произведению скорости движения этого объекта v_t на время пересечения t:

(5),

Подставив выражение (5) в формулу (3) окончательно получим для длины u условно мертвой зоны:

(6),

– коэффициент, учитывающий влияние на длину условно мертвой зоны u угла обзора видеокамеры α_H.

График зависимости k = f (α_H ) показан на рис. 3, а в табл. 1 приведены соответствующие числовые значения.

Рис. 3. Зависимость коэффициента k от угла обзора

(фокусного расстояния объектива)

Таблица 1. Зависимость коэффициента k от угла обзора α_H

αH, град	5	10	15	20	25	30	35	40	45
k	11,45	5,715	3,795	2,835	2,255	1,866	1,586	1,374	1,207

αH, град	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95
k	1,073	0,961	0,866	0,785	0,714	0,652	0,596	0,546	0,5	0,458

В табл. 2 приводятся значения коэффициента k для некоторых значений фокусных расстояний объектива f, применяемого совместно с видеокамерой формата 1/3".

Таблица 2. Зависимость коэффициента k от фокусного расстояния объектива f для ПЗС-матрицы 1/3"

f , мм	5 0	25	16	12	8	6	4	3,5	2,8
k	10,41	5,20	3,33	2,50	1,56	1,28	0,80	0,73	0,48

Значения u под графиком на рис. 1 соответствуют области с единичной длиной пути объекта (s = 1), где движущийся объект может оказаться невидимым.

Длительность видеорегистрации

В самом принципе получения изображений в телевидении заложена дискретность – например, нельзя получить обновление визуальной информации со скоростью, превышающей скорость смены полей, то есть более 50 раз в секунду. Если для вещательного телевидения это и не требуется, то для охранного телевидения возможны ситуации, когда скорость изменения обстановки в контролируемой зоне может быть соизмерима или даже превышать скорость обновления визуальной информации. В этом случае движущийся объект может оказаться незафиксированным, и тогда система охранного телевидения перестает отвечать тем требованиям, ради которых она создавалась.

Иначе говоря, дискретность потока визуальной информации позволяет представить канал передачи этой информации коммутируемым:

• в течение времени a информация поступает на видеорегистрацию;
• в течение времени b этот канал закрыт (рис 4).

Приблизительной аналогией этому может быть механизм моргания глаз человека.

Однако чтобы проектируемая видеосистема "не проморгала" быстро изменяющуюся ситуацию, необходимо твердо знать минимальное время видеорегистрации t_v, равное времени пересечения сектора видеонаблюдения t.

Рис. 4. Коммутируемый канал передачи визуальной информации

Согласно ГОСТ 7845-92 длительность кадрового гасящего импульса составляет около 1,6 мс, а длительность активной части поля (когда возможна видеозапись) равна 18,4 мс.

Именно на один из активных промежутков должен прийтись момент, когда объект находится в секторе наблюдения.

Если бы объект, пересекающий сектор наблюдения, начинал движение синфазно с началом одного из телевизионных полей, то для гарантированного попадания его в видеозапись требовалось бы, чтобы время пересечения сектора наблюдения было бы не менее a = 18,4 мс. Поскольку такая ситуация возможна лишь в частном случае и объект может начать движение в любой момент, а значит, его движение может совпасть со временем кадрового гасящего импульса b = 1,6 мс, то для гарантированной видеозаписи движущегося объекта в n телевизионных полях, где n = 1, 2, 3…, необходимо исходить из других требований.

Можно показать, что для гарантированного выполнения видеозаписи объекта должно выполняться условие:

(7),

В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим примеры видеорегистрации человека, пересекающего сектор видеонаблюдения.

Пример 1. Режим реального времени, видеозапись осуществляется кадрами, каждый из которых состоит из двух соседних полей.

В табл. 3 указаны значения длительности видеорегистрации исходя из условия гарантированного получения изображения бегущего человека для различного числа полей. Там же указаны значения пути s, пробегаемого за это время человеком (v_t = 10 м/с).

Таблица 3. Характеристики видеорегистрации при записи кадрами

n	1	2	3	4
t v , мс	1,6	21,6	41,6	61,6
s , м	0,016	0,216	0,416	0,616

Пример 2. Режим реального времени, для видеозаписи используется одно поле каждого кадра.

В табл. 4 приведены искомые значения из условия: a = 18,4 мс и b = 21,6 мс (рис. 5).

Таблица 4. Характеристики видеорегистрации real time при видеозаписи полями

n	1	2	3	4
t v , мс	21,6	61,6	101,6	141,6
s , м	0,216	0,616	1,016	1,416

Рис. 5. Определение промежутков a и b при видеозаписи полями

Пример 3. Режим мультиплексированной видеозаписи 3 поля в секунду (период обращения к каждой видеокамере равен 333 мс). Иначе говоря, a = 18,4 мс, b = 333 – 18,4 = 315 мс.

Таблица 5. Характеристики видеорегистрации при мультиплексированной записи полями

n	1	2	3	4
t v , мс	315	630	945	1260
s , м	3,15	6,30	9,45	12,60

Чтобы определить длину условно мертвой зоны для каждого из рассмотренных примеров, необходимо полученные значения s умножить на соответствующий коэффициент k.

Для конкретности можно предположить, что с видеокамерой используется объектив с фокусным расстоянием 16 мм, то есть k = 3,33 (табл. 2). Тогда при желании получить гарантированную видеозапись бегущего человека хотя бы в одном поле, нужно принимать во внимание, что длина условно мертвой зоны будет следующей:

Пример 1

u = 0,016 х 3,33 = 0,053 м

Пример 2

u = 0,216 х 3,33 = 0,719 м

Пример 3

u = 3,15 х 3,33 = 10,49 м

Если в примере 1 это значение пренебрежимо мало, то в примере 3 могут оказаться незарегистрированными люди, пересекающие сектор видеонаблюдения на расстоянии от видеокамеры в пределах 10,49 м, а это расстояние уже значительное. При желании получить видеозапись не в одном, а в нескольких полях рассчитанные расстояния будут существенно больше (табл. 3, 4 и 5).

Выводы

1. Существует возможность численной оценки скорости обновления информации системы охранного телевидения, и в качестве критерия такой оценки в статье использована длина условно мертвой зоны видеокамеры.

2. Длина условно мертвой зоны показывает эффективность использования сектора наблюдения видеокамеры при контроле движущихся предметов; чем больше длина условно мертвой зоны, тем менее эффективна видеосистема для целей охраны.

3. Длина условно мертвой зоны тем больше, чем меньше угол обзора видеокамеры и чем выше скорость пересечения объектом сектора видеонаблюдения.

4. Длина условно мертвой зоны тем меньше, чем выше скорость обновления информации системы охранного телевидения.

5. Если при исходных данных окажется, что длина условно мертвой зоны чрезмерно большая, то для решения проблемы можно изменить положение видеокамеры (заменить объектив на более широкоугольный), а также использовать специальные технические средства для замедления движения объекта и применять системы охранного телевидения более высокого быстродействия (в частности, видеосистемы, работающие в режиме реального времени).