Как определить мертвую зону камеры наблюдения

Обновлено: 01.05.2024

Многие давно привыкли к автомобильным видеорегистраторам — с их помощью можно снимать всякие классные дорожные приколы и присылать нам в телеграм-бот. Заодно в случае чего будет возможность доказать свою правоту в спорной дорожной ситуации. С домашним видеонаблюдением дело обстоит несколько иначе: собственное есть не у многих, чаще достаточно общего, которое установлено на входе в подъезд, в вестибюле и лифте.

Решите, для чего нужна система видеонаблюдения

Две основные функции видеонаблюдения — это охрана и контроль, считает наш собеседник: охрана — дома, квартиры, гаража, предприятия и так далее, контроль — за персоналом в офисе, работающими на производстве, передвижением людей в магазинах и так далее.

Человек должен понимать свои цели и решить для себя, что он хочет видеть.

— Один говорит, что хочет видеть общую картину: например, залез кто на грядки или сосед выдернул огурец-помидор. Либо он хочет видеть на каком-то конкретном расстоянии лицо человека, номера машин, решает, нужна ли ночная съемка.

Объектив

Есть три типа объективов: монофокальные, вариофокальные ручные и вариофокальные моторизованные.

Угол обзора по горизонтали

Разрешение камеры

Рекомендуемый минимум — 2 Мп. Чем выше разрешение, тем лучше будет качество цифрового зума (объективно это можно прочувствовать при более 5 Мп, многое зависит от разрешения и размера монитора, куда выводится картинка). Оптический зум — другая история, с его помощью можно регулировать фокус и зум объектива без потери качества картинки.

Кодек

Здесь кратко: из популярных — H.265 и H.265+. Это позволит сохранить качество и сократить объем видео.

Фокусное расстояние

ИК-подсветка

Часто пишут: дальность 20—30 метров. Часто на таком расстоянии ночью вы сможете увидеть силуэт или движение. Даже на расстоянии в 5—10 метров черты лица разглядеть получится не всегда. Коротко: большие значения дальности ИК-подсветки не означают, что на таком расстоянии вы сможете рассмотреть какие-либо детали.

ПАРАМЕТРЫ ВИДЕОКАМЕРЫ / БЛИЖНЯЯ И ДАЛЬНЯЯ ЗОНЫ ОБЗОРА / ГРАНИЦА ИДЕНТИФИКАЦИИ / ПАРАМЕТРЫ ЗОНЫ КОНТРОЛЯ / VIDEOCAMERA PARAMETERS / NEAR-FIELD AND FAR-FIELD SCANNED ZONES / IDENTIFICATION BORDER / CONTROL ZONE PARAMETERS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Воловач Владимир Иванович

Исследовано влияние параметров видеокамер на геометрические размеры зоны контроля телевизионных систем видеоконтро-ля; отмечено, что эти размеры должны соответствовать назначению систем; предложены критерии, позволяющие оптимизиро-вать построение данных систем; показано, что параметры зоны контроля влияют на изображение этой зоны на видеомониторе системы видеоконтроля.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Воловач Владимир Иванович

Методы и средства повышения технических характеристик активно-импульсных телевизионно-вычислительных систем наблюдения

The authors research the influence of videocamera parameters on geometric sizes of the control zone of videocontrol telesystems and make it clear that the sizes have to correspond to systems' purposes. The authors offer criteria letting optimize the systems' building and show that the control zone parameters influence the picture of the zone on the videomonitor of the videocontrol system.

Определение основных параметров зоны контроля видеокамеры системы видеоконтроля

Исследовано влияние параметров видеокамер на геометрические размеры зоны контроля телевизионных систем видеоконтроля; отмечено, что эти размеры должны соответствовать назначению систем; предложены критерии, позволяющие оптимизировать построение данных систем; показано, что параметры зоны контроля влияют на изображение этой зоны на видеомониторе системы видеоконтроля.

Ключевые слова: параметры видеокамеры, ближняя и дальняя зоны обзора, граница идентификации, параметры зоны контроля.

Keywords: videocamera parameters, near-field and far-field scanned zones, identification border, control zone parameters

При проектировании систем видеоконтроля (СВК) значительное внимание уделяется определению геометрических размеров различных зон СВК и, соответственно, возможности оптимизации границ таковых зон и числа видеокамер (ВК).

При выборе видеокамеры и объектива для СВК определяющими являются необходимая разрешающая способность, чувствительность, способность обеспечивать достоверное изображение (в том числе при наличии движения в поле зрения ВК и наличии ярких источников света), а также возможно больший срок эксплуатации ВК [1]. В зависимости от назначения (для обнаружения, классификации или идентификации объекта) выбирают необходимый уровень разрешающей способности СВК, который, в свою очередь, обусловливает конструктивные особенности этой системы и, в значительной степени, ее стоимость. Кроме того, анализируя назначение СВК, конкретизируют и другие важные составляющие системы: тип используемых камер, формат формирователей сигнала изображения, параметры применяемых объективов, а также некоторые дополнительные факторы, например такие, как особенности крепления ВК, пресечение возможности скрытного вмешательства в работу СВК, влияние погодных условий и т. п.

Среди основных характеристик камер [2, 3], определяющих их применение в СВК, выделим следующие: оптический формат, с увеличением которого уменьшаются геометрические искажения изображения, что особенно характерно при боль-

ших угловых полях зрения ВК; разрешающая способность, которая непосредственно влияет на область применения камеры (обнаружение, классификация или идентификация объекта); пороговая чувствительность, от которой также зависит область применения камеры (для использования в системах с достаточным или плохим освещением); наличие автоириса, при котором обеспечивается управление объективом с электромеханической регулировкой диафрагмы, что особенно важно в СВК, использующих ВК с вариообъективами.

Геометрические размеры зоны контроля ВК зависят от формата формирователя сигнала изображения; в настоящее время наиболее часто используются форматы 16,93 и 25,4 мм для передающих телевизионных трубок и форматы 6,35; 8,47 и 12,7 мм для твердотельных камер [1].

При выборе объектива для видеокамеры следует учитывать: формат объектива, который должен совпадать с форматом камеры или, в крайнем случае, при постоянном фокусном расстоянии может быть больше формата камеры; диафрагменное число, как правило, различное для камер, используемых вне и внутри помещений; способ установки диафрагмы, который может быть ручным или автоматическим; фокусное расстояние, которое определяет горизонтальное и вертикальное угловые поля зрения ВК.

Основные отличия требований, предъявляемых к ВК, которые используются для контроля периметров и пространств охраняемых объектов вне помещений, от требований к камерам, применяемым для контроля внутренних объемов помещений, сводятся к следующему: угловые поля зрения ВК для наружных видеокамер обычно меньше, чем для внутренних видеокамер; меньше их диафрагменные числа; чувствительность внешних ВК выше; желательна автоматическая регулировка диафрагмы.

Рассмотрим более подробно влияние параметров видеокамер, в том числе и ВК с вариообъективами, на геометрические размеры зоны контроля СВК. Эта зона представляет собой часть площади (или объема) пространства, контролируемая видеокамерами СВК, в пределах которой достигается требуемый уровень разрешающей способности системы. Очевидно, что правильное определение размеров зон контроля ВК приводит к оптимизации построения СВК в целом, в частности, позволяет более эффективно использовать видеодетекторы движения для контроля охраняемых пространств, детекторы оставленных или унесенных предметов и др.

Угловое поле зрения ВК определяется назначением СВК и, следовательно, геометрическими размерами зоны контроля: так, для видеонаблюдения за периметрами используют ВК с малыми уг-

ловыми полями зрения, а для охраны помещений угловое поле зрения ВК выбирают в пределах 60.. .90 . В [4] показано, что наиболее приемлемым с физиологической точки зрения является угловое поле зрения в пределах 60. 70. В ряде случаев отказываются от использования широкоугольных видеокамер в пользу поворотных ВК с меньшими угловыми полями зрения, например, когда необходимо идентифицировать объект, за которым ведется наблюдение.

Используя соотношение [3], можно определить интересующее горизонтальное угловое поле зрения ВК:

где ШАЗ - ширина активной зоны формирователя изображения, мм; /- фокусное расстояние объектива, мм.

Ширина активной зоны формирователя изображения ШАЗ может быть определена исходя из формата видеокамеры [1], более точные данные для конкретных марок ВК приводятся в технических описаниях производителей.

Очевидно, что размер зоны обзора ВК можно изменять в интересующем направлении, осуществляя подбор объектива с необходимым фокусным расстоянием либо используя вариообъектив.

Вертикальное угловое поле зрения ВК в, вследствие принятого формата изображения, определяют по формуле

При проектировании СВК используют стандартные объективы ВК, имеющие фокусные расстояния 3,5; 6,0; 12; 25; 50; 75 мм и т. д. При известном фокусном расстоянии применяемого объектива можно определить один из взаимосвязанных параметров: ширину зоны контроля ВК на заданном расстоянии от видеокамеры либо расстояние от видеокамеры при заданной ширине зоны контроля. Приближенные расчеты проводят, используя выражение [1]

где НЗК - ширина зоны контроля, м; LБЗК - расстояние от камеры до ближней границы зоны контроля, м.

Ширина зоны контроля определяется на ближней границе зоны (рис. 1, а). На рис. 1 показаны: 1 - видеокамера; 2 - ближняя граница зоны обзора видеокамеры, ограниченная не просмат-

риваемой, условно мертвой либо мертвой зоной; и зона обзора ВК приведены в двух плоскостях: на

3 - ближняя граница зоны контроля; 4 - зона кон- рис. 1, а - в горизонтальной плоскости, на рис. 1, б троля видеокамеры; 5 - граница идентификации; - в вертикальной плоскости.

6 - дальняя граница зоны контроля; 7 - дальняя Обычно формулу (3) преобразуют для вычис-

граница зоны обзора видеокамеры. Зона контроля ления расстояния от видеокамеры до ближней

границы зоны контроля ХБЗК по заданной ширине этой зоны и известным параметрам видеокамеры и объектива. В последующем, на основании найденного значения £бзк, определяют место расположения ВК, высоту подвеса и угол наклона камеры по вертикали.

Расстояние от ВК до ближней границы зоны контроля может быть определено из следующего выражения:

Дальняя граница зоны контроля зависит от величины заданной разрешающей способности ВК. Эта граница, определяемая расстоянием ЬдЗК до видеокамеры, не совпадает с дальней границей зоны обзора ВК, на которой разрешающая способность ниже заданного значения, а следовательно, объекты могут быть не обнаружены (либо не классифицированы, либо не идентифицированы).

Установить дальнюю границу зоны контроля возможно с разной степенью точности. Приближенный расчет [1] предполагает определение искомой границы по экспериментальным данным классификации цели размером 1 фут (0,3 м). При этом для безошибочной классификации цели разрешающая способность ВК по горизонтали должна быть не менее шести ТВ-линий. Таким образом, дальняя граница зоны контроля ЬдЗК будет определяться разрешающей способностью применяемой камеры: чем она выше, тем дальше будет удалена дальняя граница зоны контроля. Соответственно, с увеличением ^дж будет возрастать и длина зоны контроля L3K ВК.

Более точно дальнюю границу зоны контроля определяют по формуле [2]

где LдЗK - расстояние от видеокамеры до дальней границы зоны контроля, м; h - минимальная высота объекта, который следует различать, мм; R - разрешающая способность ВК, число ТВ-линий.

Определение геометрических размеров зоны контроля не должно ограничиваться только нахождением длины, ширины и площади этой зоны (см. рис. 1, а). Для корректного решения задачи обнаружения, классификации и, особенно, идентификации объекта необходимо учитывать также и конфигурацию зоны контроля ВК в вертикальном сечении, т. е. следует говорить об обнаружении объекта в некотором объеме пространства.

Высоту зоны контроля на ее ближней границе КБ3КН, в соответствии с (2) - (4) для случая расположения оптической оси ВК по нормали относительно плоскости наблюдения, определим как

гБЗк = 0,75!бзк = 0,375Язк -А3акЛд(^). (6)

Поскольку в большинстве практических случаев угол наклона у ВК составляет менее 90° относительно названной плоскости, определим высоту зоны контроля (см. рис. 1, б) на границах зоны контроля с учетом данного замечания. Следует учитывать, что конфигурация зоны контроля в вертикальном сечении представляет собой прямоугольную трапецию, поэтому для случая идентификации объекта необходимо определить высоту зоны контроля Уд3К в худших условиях обнаружения - на дальней границе этой зоны:

^дзк = (^доз - ^дзк )с15(т + '/в) = ^озс15(У + в/2), (7)

где ЬО3 = ЬдО3 - Ьд3К - расстояние между дальней

границей обзора камеры ЬдО3 и дальней границей зоны контроля £д3К, м; у - угол между оптической осью камеры и нормалью к плоскости наблюдения, град.

В свою очередь, дальняя граница обзора камеры вычисляется по формуле

Ьдоз = Нк (у + % ), (8)

где Нк - высота установки ВК, м.

Высота зоны контроля УБ3К на ее ближней границе определяется из выражения

^БЗК = (^ДОЗ - ^БЗК ) (т + в/2 ). (9)

Найденная высота зоны контроля Уд3К должна соответствовать назначению СВК. Например, для решения простой задачи обнаружения объекта высота зоны контроля на дальней границе может быть даже несколько меньше роста человека. Вместе с тем указанный подход явно неприменим в системах, служащих для классификации и идентификации объектов, когда вследствие ограниченности зоны контроля в высоту невозможно будет вынести достоверное решение о том, кто находится в зоне контроля: нарушитель или сотрудник данной организации. Конкретные рекомендации по выбору названного параметра приводятся в литературе, например в [3].

Поскольку варианты построения СВК достаточно разнообразны, и они используются в различных условиях внутри и вне помещений, для реализа-

ции общих подходов целесообразно определять в пределах зоны контроля ВК ее некоторую часть, где гарантированно происходит обнаружение нарушителя в полный рост и, соответственно, становится возможным провести его классификацию и идентификацию. В большинстве практически важных случаев целесообразно определять дальнюю границу этой зоны на таком расстоянии, при котором высота контролируемого пространства (назовем ее высотой идентификации ¥и) гарантированно будет не менее роста высокого человека, т.е. Уш > 1,9.. .2,1 м.

Таким образом, наряду с дальней границей зоны контроля 6 введем в рассмотрение границу идентификации нарушителя 5 (см. рис. 1, а), т.е. наиболее удаленное от ВК расстояние, на котором возможно различить черты лица нарушителя, независимо от его положения в пределах зоны. Очевидно, что реальная зона контроля видеокамеры в этом случае будет уменьшена; причем степень уменьшения будет определяться как параметрами зоны контроля, так и параметрами ВК. Определим границу идентификации Ьи, используя соотношение

Геометрическими размерами зоны определяется угол зрения камеры. Для видеонаблюдения, открытых площадок, на перекрестках применяются камеры с углом зрения около 90°, либо камеры с меньшими углами зрения, устанавливаемые на поворотных платформах. Так как в нашем случае видеокамеры устанавливаются на светофорах (на высоте h = 3 м) и столбах освещения (на высоте h = 4 м) - выбираем первый вариант.

Угол обзора видеокамеры по вертикали меньше угла обзора по горизонтали, что определяется соотношением сторон ПЗС - матрицы .

Расчет угла обзора по вертикали

Необходимо получить следующие значения для камер:

Таблица 1- Необходимые значения камер видеонаблюдения

Место расположения камер

Дальность обнаружения D, м

Высота подвеса h, м

Длина мертвой зоны под видеокамерой L, м

Перекресток ул. Пушкина - ул. Театральная

Перекресток ул. Ленина - ул. Октябрьской Революции

Перекресток ул. Менделеева - ул. Бакалинская

Так же верхняя граница угла обзора по вертикали должна быть не ниже горизонтальной линии.

Угол обзора по вертикали в градусах рассчитывается из соотношения (1), получаемого из рисунка 2:

Рисунок 2 - К определению угла обзора по вертикали

Если видеокамера устанавливается выше центра плоскости наблюдения, то необходимый угол обзора по вертикали будет уменьшаться от значения б₁ до значения б₂. В этом случае угол обзора по вертикали рассчитывается из соотношения (2), получаемого из рисунка 3:

Рисунок 3 - К определению угла обзора по вертикали

Таким образом, при установке видеокамеры на высоту h, абсолютное уменьшение требуемого угла обзора по вертикали рассчитывается по формуле (3):

Относительная ошибка в случае определении угла обзора по вертикали стандартным методом вычисляется по формуле (4):

Весьма важным вопросом при проектировании системы видеонаблюдения является учет мертвой зоны под видеокамерой.

Размер непросматриваемой камерой зоны L можно определить по формуле (5):

где h - высота установки камеры, м;

в - угол между оптической осью камеры и вертикалью;

б - угол зрения камеры в вертикальной плоскости;

L₁ - расстояние по горизонтали - удаление выходного зрачка телевизионной камеры от поверхности ее крепления (например, стены);

L₂ - размер непросматриваемой камерой зоны без учета удаления точки установки камеры от вертикальной поверхности крепления.

При размещении камеры нужно стремиться к тому, чтобы длина питающих и сигнальных кабелей была минимальной.

Видеокамеры удалены от поверхности крепления на расстояние L₁ = 0,1 м, так как крепятся на светофоры и столбы освещения с помощью кронштейна. Высота установки видеокамеры берется исходя из средней высоты столба освещения h = 4 м и светофора h = 3 м. Зададим мертвую зону L ? 1 м. Верхняя граница угла обзора по вертикали должна быть не ниже горизонтальной линии, т.е. . Таким образом получаем систему (6):

Решив эту систему для каждой камеры, подставляя данные из таблицы 1, получим результаты, сведенные в таблицу 2.

Угол обзора — одна из важнейших характеристик для выбора камеры при установке системы видеонаблюдения, определяющая зону наблюдения.

Угол обзора зависит от размера матрицы и фокусного расстояния камеры.

В таблице 1 рассчитана зависимость фокусного расстояния от угла обзора

По данным таблицы можно определить дальность распознавания и идентификации человека, а также номера автомобиля.

При расчётах расстояний, в основу положены европейские нормы:

20 пикселей/метр —разрешение при обнаружении объекта в поле обзора;
100 пикселей/метр — разрешение при распознавании объекта;
250 пикселей/метр — разрешение при идентификации.

Пример расчёта зоны обзора видеокамеры

2,6 м. — высота установки камеры.
45° — угол наклона камеры.
68° — горизонтальный угол обзора объектива.
4:3 — формат матрицы.
1080 ТВЛ — разрешение матрицы

Формула для расчета фокусного расстояния объектива:

f = R*A/L, где:
f – фокусное расстояние объектива (в миллиметрах),
R – расстояние до объекта (в метрах),
A – размер стороны матрицы (горизонтальной или вертикальной) (в миллиметрах),
L – размер объекта измеряемый в метрах.

Наибольший угол обзора, а соответственно и большую зону наблюдения, будет иметь камера с минимальным фокусным расстоянием и большим форматом матрицы. При увеличении фокусного расстояния и уменьшении формата матрицы, угол обзора камеры будет уменьшаться.

Зависимость настройки фокуса от дальности изображения

Поэтому, при выборе камеры видеонаблюдения, важно учитывать место установки. Например: для узкого длинного коридора нет необходимости устанавливать камеру с большим углом обзора.

Выделяют три группы объективов:

1. Фиксированные (монофокальные) объективы – объективы с одной фиксированной величиной фокусного расстояния.

2. Вариофокальные объективы – объективы с возможностью автоматической или ручной регулировкой фокусного расстояния.

3. Трансфокальные (зум-объективы) – объективы с возможностью регулировки углов обзора видеокамеры, масштабирования зоны наблюдения и фокусировкой изображения. Как правило, такие объективы используются в роботизированных (поворотных) PTZ-камерах и устанавливаются в системах видеонаблюдения, задача которых охватить большой объем территории, при этом сохранить четкость изображения.

Пример изображений, полученные с объективов с разными фокусными расстояниями из одной точки (расстояние 60м до черного автомобиля на последнем изображении).

Следует учитывать, что в процессе эксплуатации на работоспособность объектива оказывают следующие факторы: помутнение объектива, колебания изображения с камеры, установленной на кронштейне, рябь на мониторе и другие факторы.

Место установки, выбор камеры видеонаблюдения определяется при постановке задачи и обследования объекта, поэтому для индивидуального подбора оборудования, обращайтесь к нашим специалистам по телефонам, указанным на сайте или оставьте заявку.

Читайте также: