3.3 Определение наиболее важных помещений и участков.

Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность системы видеонаблюдения, является рациональное расположение камер. Учитывая специфику объекта охраны, одним из важнейших участков будут торговые площади магазинов. Это обуславливается тем, что предполагаемый нарушитель имеет достаточно свободный доступ к продукции представленной в торговом центре и зачастую администраторы и сотрудники службы безопасности не могут в полной мере контролировать обстановку, в целях предотвращения хищения. Следовательно количество и угол обзора камер установленных на участках данного типа должен обеспечивать возможность идентификации нарушителя дежурным оператором для своевременного реагирования на внештатные ситуации.

Итак, предположим, оператор обнаружил нарушителя совершившего некие противоправные деяния и пытавшегося скрыться. Логично предположить, что данный объект наблюдения будет двигаться к одному из возможных выходов из торгового центра. Поэтому, в целях координации действий сотрудников службы безопасности, для задержания, возникает необходимость установки камер обеспечивающих участков находящихся на пути следования нарушителя. К ним относятся: входы в торговый центр, коридоры, лестничные марши, эскалаторы, лифт, выход из лифта на каждом этаже. Помимо этого установка камер на вышеперечисленных участках позволит контролировать обстановку на них что немаловажно так как зачастую они являются местами большого скопления людей.

Отдельным пунктом стоит выделить вопрос оборудования камерами видеонаблюдения находящегося на территории ТЦ «ЮГО-ЗАПАД» помещения дополнительного офиса банка «ВТБ-24». Особое внимание стоит уделить помещениям, в которых производятся операции с денежными средствами и ценностями. К ним относятся: кассовый коридор, касса, комната пересчета денежных средств, комната хранения денежных средств.

3.4 Расчет параметров оптической системы.

При выборе аппаратуры для системы охранного телевидения зачастую можно столкнуться с некоторыми трудностями. В том числе:

- отсутствие современных руководящих документов в области охранного телевиденья (в том числе – отсутствие даже примерного перечня оборудования, рекомендуемого к использованию);

- обширный рынок, включающий огромное количество отечественных и зарубежных поставщиков и дилеров оборудования;

- зачастую неполная или заведомо искаженная информация, приводящаяся в технических описаниях к камерам видеонаблюдения, представленным на рынке.

Одну из важнейших ролей при выборе камеры видеонаблюдения играют ее оптические параметры такие как: формат матрицы, фокусное расстояние объектива, чувствительность, разрешение, величина относительного отверстия (апертурное число)

Помимо этого в процессе инсталляции зачастую могут возникнуть проблемы связанные с фокусировкой камеры.

Сложность процесса фокусировки напрямую зависит от параметра, который принято называть глубиной резкости. Этот параметр показывает, какая часть поля зрения камеры находится в фокусе. Большая глубина резкости означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе (при закрытой диафрагме возможно достижение бесконечной глубины резкости). Малая же глубина резкости позволяет наблюдать в фокусе лишь небольшой фрагмент поля зрения.

В настоящее время производители камер не предоставляют никаких данных позволяющих оценить данный параметр.

В различных источниках приводится информация о факторах, оказывающих влияние на глубину резкости. Известно, что объективы с широким углом зрения обеспечивают, как правило, большую глубину резкости. Высокое значение F свидетельствует также о большей глубине резкости. Наименьшая глубина резкости возможна ночью, когда диафрагма полностью открыта (поэтому объектив, сфокусированный в дневное время, ночью могут оказаться расфокусированным). Исходя из этой информации, тяжело сделать вывод о том, насколько сложно будет сфокусировать конкретную видеокамеру с заданным объективом на реальном объекте.

Задача оценки глубины резкости камеры обязывает обратиться к вопросам геометрической оптики.

Для упрощения решения данной задачи можно считать что объектив видеокамеры представляет собой не систему линз, а представляется в виде одной эквивалентной линзы, фокусное расстояние которой совпадает соответствующим параметром объектива. (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Построение изображения на плоскости ПЗС-матрицы.

Как видно из рисунка, если оценивать расстояние от камеры до объекта наблюдения вдоль главной оптической оси, то камера будет сфокусирована на объект, находящейся в одной конкретной точке (на конкретном расстоянии от камеры).

Так, например, при заданном фокусном расстоянии OF и расстоянии от эквивалентной линзы до ПЗС-матрицы OA (рис. 5.2), камера будет сфокусирована на наблюдаемом объекте BB₁, при этом, как видно из рисунка, одна точка наблюдаемого объекта B₁ проецируется в одну точку ПЗС-матрицы A₁. В этом случае наблюдаемый объект будет передаваться камерой с максимальной четкостью.

Если объект начнет удаляться от камеры вдоль линии главной оптической оси объектива (рис. 5.3), то каждая его точка будет проецироваться на плоскость ПЗС-матрицы в виде пятна, размеры которого будут

Рис. 5.2. Камера сфокусирована на наблюдаемом объекте.

увеличиваться по мере удаления объекта. Четкость изображения будет ухудшаться, что соответствует расфокусировке камеры на объекте.

Рис. 5.3. Расфокусировка камеры при удалении объекта наблюдения.

Аналогичная ситуация будет наблюдаться и при приближении объекта наблюдения к камере вдоль линии главной оптической оси объектива (рис 5.4).

Рис. 5.4. Расфокусировка камеры при приближении объекта наблюдения.

Из рисунков 5.2, 5.3 и 5.4 хорошо видно, что удобнее всего фокусировку камеры осуществлять путем изменения расстояния между плоскостью эквивалентной линзы и плоскостью ПЗС-матрицы (OA).

Таким образом, в данной идеализированной модели величина параметра глубины резкости равна 0. Другими словами, на линии главной оптической оси объектива не существует такого отрезка, в пределах которого наблюдаемый объект оставался бы в фокусе камеры.

Однако, наличие такого параметра, как глубина резкости свидетельствует о том, что существует такая окрестность (A₁A₂) на ПЗС-матрице, расхождение лучей в пределах которой не повлечет за собой уменьшения четкости изображения. Это обусловлено дискретной структурой ПЗС-матрицы. И окрестность по своей сути имеет смысл физического размера одного пикселя матрицы. Действительно – если при расфокусировке изображения размер пятна на ПЗС-матрице не превысит размер пикселя, это не повлияет на общую четкость изображения.

Таким образом, можно сделать косвенный вывод, что камеры, обладающие большим разрешением, имеют меньшие геометрические размеры пикселя и, следовательно, обладают меньшей глубиной резкости по сравнению с камерами того же формата матриц, но с меньшим разрешением.

Геометрические размеры пикселя производителями ПЗС-матриц практически никогда не указываются в технической документации. Обычно указывается лишь формат матрицы, а о количестве пикселей косвенно можно судить по указанному разрешению камеры в ТВЛ.

Известно, что для обычных (не широкоформатных) матриц отношение сторон составляет ¾. Для стандартных форматов матриц стороны известны. В частности, для формата матрицы 1/3 ” стороны равны 3.6 мм и 4.8 мм (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Отношение и размеры сторон в ПЗС-матрице формата 1/3”.

Дискретная точечная структура матрицы приводит к эффекту "биения" при наблюдении полосатой картинки. Например, если у матрицы 520 элементов по горизонтали, то, направив ее на тестовую таблицу, содержащую 260 черных и 260 белых линий, можно увидеть четкую картинку из 520 линий. Однако если сместить изображение на половину ячейки матрицы, то на каждую ячейку попадет половинка черной и половинка белой линии. Принято считать, что надежно в таком случае передается количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. То есть камера с 520 элементами имеет разрешение 390 ТВЛ. В настоящее время такой подход практически закрепился в стандартах [13].

В документации на камеры Spezvision VC-460C D/N XQ используемые мной при проектировании указано разрешение 600 ТВЛ. следовательно можно сделать вывод, что количество пикселей в матрице по горизонтали составит примерно:

.

Зная размер матрицы по горизонтали легко получить примерный горизонтальный размер пикселя .

.

Сделав допущение о том, что горизонтальный размер пикселя ПЗС-матрицы примерно равен вертикальному, можно сделать вывод о порядке величины .

Рассмотрим более подробно ситуацию, когда наблюдаемый объект приближается к камере вдоль линии главной оптической оси объектива (рис 5.6).

Рис. 5.6. Графическая модель оценки параметра глубины резкости ( ) при приближении наблюдаемого объекта к камере.

Параметр напрямую связан с глубиной резкости и, как видно из рисунка зависит от размера пикселя ПЗС-матрицы . Эту зависимость достаточно просто выразить из подобия и .

Однако для расчетов воспользоваться полученной формулой затруднительно. Если расстояние до наблюдаемого объекта ( ) легко определимо, то параметры H и h определить сложнее. Во-первых, параметр H не характеризует высоту объекта, как может показаться на первый взгляд. На практике высота наблюдаемого объекта всегда больше диаметра объектива камеры и поэтому из верхней точки объекта невозможно провести луч, параллельно главной оптической оси так, что бы он попал в эффективный диаметр объектива (рис 5.7). Поэтому под точкой C₁ в данной ситуации следует понимать наиболее удаленную от главной оптической оси точку наблюдаемого объекта, из которой еще возможно провести луч на эквивалентную линзу параллельно главной оптической оси.

Рис. 5.7. Построение изображения «высокого» объекта на ПЗС-матрице.

Во-вторых, соответственно параметр h в этом случае не является размером изображения наблюдаемого объекта на ПЗС-матрице, а характеризует размер изображения той части наблюдаемого объекта, которая на рисунке ограничена точками BB₁.

Исходя из этого, поскольку , величину H можно определить, как эффективный диаметр объектива камеры. Эффективным диаметром объектива принято называть диаметр изображения диафрагмы, если смотреть на него с передней стороны объектива. Эффективный диаметр объектива можно легко рассчитать, зная фокусное расстояние и F-число.

Для организации видеонаблюдения в зоне расположения кассовых аппаратов предлагается использовать объектив HF0550AI с фокусным расстоянием 20 мм и F-числом = 1.6

Для определения величины h воспользуемся соотношениями, вытекающими из подобия и .

Для нахождения l – расстояния от эквивалентной линзы до изображения, воспользуемся основной формулой линзы:

Примем расстояние до объекта равное 5 метрам, следовательно

Таким образом:

Физически это означает, что, используя камеру наблюдения с описанными выше параметрами (20мм F/1.6, 600 ТВЛ), сфокусировав ее на объект, находящийся на расстоянии 5 м от камеры вдоль линии главной оптической оси, при приближении наблюдаемого объекта, объект будет всегда оставаться в фокусе.

Камеры, предназначенные для наблюдения за обстановкой на торговых площадях и коридорах как правило находятся на большем расстоянии от объекта наблюдения и для них рационально использовать объективы с небольшим фокусным расстоянием. в связи с этим предлагается выбрать объектив LB-020 GM с фокусным расстоянием 2мм и F-числом = 1.2

эффективный диаметр объектива камеры

Расстояния от эквивалентной линзы до изображения:

Примем расстояние до объекта равное 10 метрам, следовательно

Таким образом:

Физически это означает, что, используя камеру наблюдения с описанными выше параметрами (2мм F/1.2, 600 ТВЛ), сфокусировав ее на объект, находящийся на расстоянии 10 м от камеры вдоль линии главной оптической оси, при приближении наблюдаемого объекта, объект будет оставаться в фокусе пока не преодолеет расстояние в 9,5 метров до камеры.

Целью видеонаблюдения за действиями кассиров банке является выявление несоответствий в финансовых операциях и несанкционированных действий сотрудников.

В специальных телевизионных следящих системах для определения вероятности распознавания объекта на телевизионном растре используется критерий Джонсона, который применительно к распознаванию изображения объекта выглядит следующим образом:

(3.1)

 где N - количество ТВЛ по горизонтали или вертикали (минимальное из них). P(N) - вероятность распознавания объекта.

Отсюда можно вывести обратную зависимость необходимого размера объекта (в ТВЛ) в зависимости от требуемой вероятности его распознавания:

(3.2)

где P - заданная вероятность распознавания объекта на телевизионном растре.

Высота и ширина реально наблюдаемого участка местности (в картинной плоскости) зависит от расстояния до него (при условии перпендикулярности оптической оси объектива к наблюдаемой плоскости), фокусного расстояния объектива и размеров преобразователя свет-сигнал (ПЗС матрицы). Эта зависимость выглядит следующим образом: Для 1/3" ПЗС матрицы:

(3.3)

 

где W - ширина наблюдаемого участка местности (в картинной плоскости) в метрах, L - расстояние до наблюдаемого участка местности в метрах, f - фокусное расстояние объектива в миллиметрах.

(3.4)

 где H - высота наблюдаемого участка местности (в картинной плоскости) в метрах,

L - расстояние до наблюдаемого участка местности в метрах,

f - фокусное расстояние объектива в миллиметрах.

Отсюда можно вывести требуемое фокусное расстояние объектива, исходя из заданной ширины (высоты) наблюдения участка местности на заданном расстоянии. Для частного случая 1/3" ПЗС матрицы фокусное расстояние объектива при заданной ширине наблюдаемого участка местности на заданном расстоянии:

(3.5)

 где W - ширина наблюдаемого участка местности (в картинной плоскости) в метрах,

L - расстояние до наблюдаемого участка местности в метрах,

f - фокусное расстояние объектива в миллиметрах.

Исходя из вышеописанных закономерностей, очень легко вывести зависимость требуемого фокусного расстояния объектива для распознавания объекта заданного размера на заданном расстоянии при требуемой вероятности распознавания.

Если размер объекта на ТВ растре N ТВЛ, а его линейный размер по горизонтали (в картинной плоскости) Wo метров и разрешении ТВ камеры по горизонтали R ТВЛ, то ширина картинной плоскости Wk:

(3.6)

Отсюда следует

(3.7)

где

L - расстояние до объекта, метров.

P - требуемая вероятность распознавания.

W - ширина объекта, метров.

R - разрешающая способность ТВ камеры, ТВЛ.

f - фокусное расстояние объектива, миллиметров.[17]

Определим минимальное требуемое фокусное расстояние для камер повышенного разрешения. Возьмем значение разрешения R= 600 ТВЛ. Камеры в кассовых комнатах будут крепиться к потолку над столом кассира, высота помещения L= 2,5 метра. Вероятность распознавания должна быть достаточно высока, условно присвоим ей величину P= 0,999(Достоверное распознавание). Предполагаемый размер распознаваемых объектов установим 20 см. Отсюда минимально требуемое фокусное расстояние объектива:

Объективы современных камер имеют большее фокусное расстояние: стандартный диапазон лежит в пределах от 2,8 до 16 мм. Поэтому особых требований к камере повышенного разрешения для распознания объектов из-за фокусного расстояния не возникает.

Для определения дальней зоны идентификации деталей небольших предметов используется коэффициент 0,63. Поэтому минимальное фокусное расстояние, при котором возможна идентификация равно:

2,5/0,63=3,96мм.

Камера видеонаблюдения должна охватывать рабочее место кассира. Исходя из этого, горизонтальное поле зрение составляет 2м. Зная горизонтальное поле зрение и формат ПЗС-матрицы можно узнать максимальное фокусное расстояние по формуле:

Где f – фокусное расстояние объектива, мм;

l – Расстояние до объекта наблюдения, м;

h – Ширина ПЗС-матрицы, мм;

H – Горизонтальное поле зрения, м.[18]

Таким образом, максимальное фокусное расстояние объектива составляет 6 мм, что примерно соответствует углу обзора 45°. Данные технические характеристики поддерживают большинство камер видеонаблюдения представленных на современном рынке при правильном выборе объектива или его настроек.