Kamera a její výkon

Parametry bezpečnostních kamer, jejich hardware a základní rozdělení dle snímacího prvku a některých parametrů.

V článku Objektiv, důležitá součást systému jsme společně nahlédli, či si spíše zopakovali, základní informace a jiný úhel pohledu na téma vhodně zvoleného objektivu. Jako vždy platí pravidlo, že systém je tak dobrý jako jeho nejslabší komponent. Proto jsme pro Vás vybrali některé komponenty a parametry kamer, které mohou napovědět, jak dobrý musí být samotný hardware kamery, aby splnil Vaše očekávání. Každý z výrobců ke svému cíli nejlepšího produktu hledá jinou cestu.

Mezi základní nastavitelné parametry u bezpečnostních kamer patří elektronická závěrka (shutter), hodnoty zesílení, snímací prvek a hlavně výkon digitálního zpracování obrazové informace ve vlastním DSP procesoru. Lze si tak již na první čtení v technických parametrech kamery udělat obrázek, jaký výsledek můžeme očekávat.

Základem je nastavitelná elektronická závěrka, která funguje velice podobně jako časy na fotoaparátu. Elektronika z čipu shromažďuje elektrický náboj, kdy podle množství světla se náboj tvoří různě rychle. Podle velikosti shromážděného náboje pak vznikne bílý nebo černý bod. Protože je použita půlsnímková frekvence 50Hz, je náboj standardně shromažďován po dobu 1/50 vteřiny. Elektronická clona pracuje tak, že dle úrovně výstupního signálu zkracuje dobu, po kterou se náboj shromažďuje. Čím kratší doba, tím světlejší scénu lze zobrazit. Kamery mívají rychlost elektronické závěrky v rozsahu 1/50 až 1/100.000 vteřiny.

Výhody tohoto systému jsou nasnadě – elektronická cesta je daleko rychlejší než mechanická – neobsahuje mechanické prvky. Ze stejného důvodu nedochází k opotřebení. Kameru s rychlou závěrkou tak lze použít i do míst s velmi proměnnou intenzitou světla i bez automatického objektivu.

Nastavení výsledného videa

Abychom správně nastavili výsledné video, nejprve se podívejme na typ snímacího prvku, rozměr a citlivost.

Snímací prvek je vlastně fotocitlivá plocha, která převádí dopadající světlo procházející objektivem. Důležité je, že samotný senzor je vždy barvoslepý a tak se barevného záznamu dociluje pomocí masky. Každá jedna aktivní plocha převádí dopadající světlo na analogové napětí, které je dále prostřednictvím A/D převodníku korigováno na čísla. Následuje zpracování v obrazovém procesoru a výsledná informace je dále generována ve formě digitálního obrazu. Běžně jsou dnes dostupné dva typy používaných snímačů. U prvku CCD se využívá schopnosti transportovat signál z buněk skrze jiné buňky pomocí registrů, aniž by tím utrpěla kvalita zachyceného signálu.

U CMOS senzoru je každá jednotlivá buňka osazena vlastním zesilovačem a může být díky tomu přímo adresována a čtena pomocí jejich (X,Y) souřadnic. Zásadní rozdíl tedy není ve vlastní konstrukci citlivé části buňky, ale v tom, jak je buňka čtena. U CCD jsou buňky čteny postupně díky přenosu náboje a tak je skrze buňky dosaženo při fyzickém čtení menšího zastoupení nežádoucího šumu. Oproti specifickému čtení přes registr dovolí jednoduchý CMOS senzor adresací na masce vyšší rozlišení s různou rychlostí čtení.

Vliv rozdílného provedení snímacích prvků na expozici

Výsledná kvalita expozice může být dále ovlivněna například stále více používanou technologií Pixim. V roce 1990 na Stanfordské univerzitě vývojový team firmy PIXIM vytvořil prvek, který svými vlastnostmi poskytne vysoce kvalitní obraz se zvětšeným dynamickým rozsahem, a tím významně zlepší kvalitu obrazu v podexponovaných a přeexponovaných částech obrazu. Jádrem vynálezu je zahrnutí digitálního převodníku pro každý samostatný pixel obrazového snímače. Protože každý pixel obrazového snímače má svůj digitální převodník je na výstupu dosaženo nezávislého zpracování a tak lze hovořit o stovkách tisíců kamer uvnitř jediného snímače.

Jinou variantou pro dosažení kvalitní reprodukce při dobré světelnosti je patentovaná technologie snímacího prvku pod označením EXview HAD od Sony. Samotný snímač a jeho aktivní snímací body jsou pokryty navíc řadou droboulinkých čoček, které zařídí, aby se na citlivou plošku čipu dostalo více světla. Konstrukce snímače tak zaručí již v prvopočátku zisk více potřebných informací pro následné zpracování. Firma Sony uvádí hodnoty zlepšení citlivosti na světlo 2krát pro viditelné světlo a 4krát pro blízkou infračervenou oblast (800 ~ 900 nm) ve srovnání s používanými konvenčními CCD snímači.

Používané rozměry snímacích prvků

Označení	Průměr	Šířka	Výška	Poměr stran
1/3"	6 mm	4,8 mm	3,6 mm	4:3
1/2,7"	6,592 mm	5,27 mm	3,96 mm	4:3
1/2"	8 mm	6,4 mm	4,8 mm	4:3
1/1,8"	8,933 mm	7,176 mm	5,319 mm	4:3
2/3"	11 mm	8,8 mm	6,6 mm	4:3
1"	16 mm	12,8 mm	9,6 mm	4:3

Tabulka ukazuje, že čím vetší bude snímací prvek, tím je vyšší předpoklad lepšího poměru dosažené citlivosti a výsledné rozlišitelnosti požadovaných detailů. V tomto ohledu se jedná pouze o obecnou úvahu, kterou ovlivňuje celá řada dalších faktorů jako např. elektromagnetické pozadí (šum). Dnes již nelze takřka poznat, jaký je použit typ snímače. Důležitým parametrem pro oblast citlivosti snímače je právě hodnota šumu, která je generována na jednotlivých světločivných buňkách jako malý náhodný náboj a posléze vyhodnocena jako dopadající světlo. Zde je klíčová hodnota odstupu skutečného signálu od šumu označována zkratkou SNR.

Zpracování obrazu a výkon DSP

Samotné DSP je mikroprocesor, jehož hlavním cílem je průběžné zpracování velkého množství dat, návrh a optimalizace digitálně reprezentovaných signálů v definovaných algoritmech. Procesor pracuje s jednotkou „bit“ a každá základní jednotka obsahuje informaci typu "nula / jednička" nebo "zapnuto / vypnuto". Jinak řečeno, jednobitová informace nám udává, zdali je otevřeno / zavřeno. Dvoubitová informace jsou vlastně už 4 stavy a osmibitové zpracování je 256 stavů. Dnešní běžně používané kamery obsahují DSP procesory o výkonu od 10 do 20bit, pomocí kterých je možné zpracovat mimořádně vysoké úrovně šedi a přesnosti barev. Výkon DSP tak vede ke kvalitní reprodukci detailů obrazu ve vysokých a nízkých úrovních pozorovaných scén.

Další termíny...

AWB
BLC
WDR, ExWDR
SlowShutter
Lumii
CLVI
atd.

...najdete ve slovníčku pojmů CCTV (ke stažení zde)

Z dosavadní praxe lze velmi kvalitní bezpečnostní kamery poznat již samotnou skladbou hardwarového složení komponentů. Malý CMOS snímač nemůže poskytnout vysoké rozlišení při dobré citlivosti, naopak kvalitu CCD snímače a výsledek může pokazit malý výkon digitálního procesoru (DSP). Výsledkem vhodné kombinace není tedy "zázrak", jak bychom mohli někdy soudit z četby reklamních prospektů, ale lepé rozlišitelný obraz plný potřebných detailů.