Зараз, на початку 21-го століття, телевізійні цифрові і мережеві технології починають використовуватися для забезпечення безпеки не тільки бізнесу і держави, а й для безпеки житла, сімейного та особистого збагачення.
Сучасному міському жителю Система Охоронного телебачення (СОТ) вже представляється явищем знайомим і звичним. Інтуїтивно будь-кому зрозуміло, з чого така система складатиметься. Це камера, яка «дивиться» на об'єкт, що захищається, якась середовище, через яку сигнал надійде в пункт спостереження (наприклад - дроти), монітор, в який дивиться охоронець і, обов'язково, відеореєстратор.
Об'єктив представляється мало значним елементом, складовою частиною камери. Хоча навіть користуючись пилососом, зрозуміло, що чистити килим і вузьку глибоку щілину треба за допомогою різних насадок. Важливо, що порівняно недорогі конструкції для охоронних цілей, що складаються з камер і об'єктивів, повинна вирішувати завдання більш складну, ніж студійні камери. Вони повинні працювати цілодобово! І, якщо камера закріплена на високій щоглі або стіні, в термо- і влагозащитном кожусі, регулювати два рази на добу фокусування неможливо. Це не відноситься до дистанційно керованим камерам, які можна буде обговорити окремо.
До того, як обговорювати, якими можуть бути об'єктиви і камери, що забезпечують прийнятну якість зображення, хотілося б зупинитися на термінології, що стосується електромагнітних хвиль, світла, сприйняття і відтворення кольору.
На рис. 1 Представлена частина спектра електромагнітних хвиль по обидві сторони видимого діапазону. Слід пам'ятати, що праворуч від цього відрізка лежать всі традиційні радіохвилі - від УКХ до понад довгих, а зліва, жорсткий рентген і гамма-кванти.
На верхній шкалі вказані і довжини хвиль і частоти. Для того щоб ясніше розуміти масштаб явищ, пов'язаних з будь-якою ділянкою діапазону електромагнітних хвиль, бажано орієнтуватися і в довжинах хвиль і в частотах.
Старше покоління звикали до радіоприймачів, шкали яких були проградуйовані в метрах; з смугами ДХ, СХ, КВ і УКВ. Молоде ж покоління відмінно знає, що «в Bluetooth і WiFi використовується неліцензованому, повсюдно доступний діапазон 2,4 ГГц». Якщо згадати, що швидкість світла - це триста тисяч км / с, то зрозуміло, що частоті 300кГц відповідає хвиля довжиною 1км; 300МГц - 1м.
Ще 20 років тому дахи всіх московських будинків прикрашали антени, спрямовані на Останкінську вежу. Розміри цих антен демонстрували, що мовлення радянського телебачення вироблялося на метрових хвилях. А WiFi працює поблизу кордону дециметрових і сантиметрових хвиль. При цих «обчисленнях» можна округляти і помилятися в півтора - два рази, важливий тільки порядок, щоб не помилятися в 10 і більше разів.
І ще, з приводу довжин хвиль. У ЗМІ з'явилися повідомлення про створення нової оглядової техніки на «Т-хвилях». Може виникнути враження, що на початку 21 століття відкрито новий тип випромінювання, подібно до того, як після великого відкриття Рентгена, яке він скромно назвав X-променями, багато разів «відкривали», а потім закривали різні, наприклад N-промені. Так ось, техніка і технологія випромінювання, прийому, обробки і візуалізації напевно нові, але T-хвилі, це просто терагерцового діапазону електромагнітних хвиль, або субміліметровий від 300 до 30мкм. Це частина більш широкого діапазону, який по-англійськи називається microwaves, а в російській технічній літературі - СВЧ. Субміліметровий діапазон переходить безпосередньо в довгохвильову частину ІК. Тут виникає цікавий термінологічний парадокс - короткі і ультракороткі радіохвилі виявляються набагато довше, ніж довгі оптичні хвилі інфрачервоного діапазону.
Обговоримо тепер діапазон видимих хвиль і, в першу чергу назви кольорів, і різночитання в цих назвах.
У російській мові існують мнемонічні фрази, які допомагають запам'ятати послідовність кольорів у веселці, наприклад: «Як Одного разу Жан Дзвонар Головою Свалил Ліхтар» або «Кожен Мисливець Бажає Знати Де Сидить Фазан». Друга фраза більш відома, а перша - смішніше, і, на мою повинна краще запам'ятовуватися.
Коли Сер Ісаак Ньютон відкрив розкладання білого світла на призмі і пояснив появу веселки, він спочатку побачив п'ять кольорів. Пізніше, за аналогією з музичної октави, виділив сім. Це Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet. (Richard Of York Gave Battle In Vain) Але, з іншого боку, зустрічається інформація, що англомовні глядачі бачать у веселці шість кольорів, мабуть тому, що Blue означає по-російськи два різних кольори. Деякі різночитання є і з приводу кордонів видимого діапазону. У деяких джерелах наводиться від 400 до 800 нм, в деяких від 400 до 700, іноді від 380 до 760. Але це різночитання не пов'язане з індивідуальними або віковими відмінностями, на кшталт вікової приглухуватості в фізіологічної акустики. Швидше це пов'язано з методами оцінки. У довідково-рекламних матеріалах монохроматические імпульсні джерела світла з довжиною хвилі 404нм називаються фіолетовими, а з довжиною 375нм - вже ультрафіолетовими.
Молекули пігменту в «Синіх» колбочках мають максимум чутливості на 430 нм, але є істотний хвіст навіть в УФ області. Але, на щастя, кришталик ока затримує ультрафіолет майже повністю, оберігаючи сітківку, але мутнея з віком. Якщо хтось із читачів зацікавиться фізіологією зору і кольору і оптичними приладами, можна порекомендувати книгу Тетяни Миколаївни Хацевич. «Медичні оптичні прилади, Фізіологічна оптика» Новосибірськ, 1998.
Так що ж таке колір ??
Уявімо собі таку установку. За невеликим матовим склом розташовані три монохроматичних джерела світла з довжинами хвиль 470, 550 і 630, з регульованою яскравістю кожного, наприклад три світлодіода, струми яких можна регулювати. Умовно розіб'ємо яскравість кожного діода на 256 рівнів, від нуля (не світиться) до максимуму, який приймемо за 255 одиниць. Якщо тепер, наприклад, встановити червоний діод на яскравість 200 одиниць, зелений на 64, а синій теж на 200, ми отримаємо світіння, відповідне кольором сукні Мішель Обами, колір фуксії. (В стандарті HTML Fuchsia - FF00FF). Точно також працює кожен піксель Вашого монітора або телевізора, де роль матового скельця грає відстань від ока до монітора, яке не дозволяє розрізнити світіння окремих різнокольорових крупинок люмінофора.
Найголовніше, що ніяких променів «кольору фуксії» не існує. І якщо довжина хвилі цілком фізична величина, яку можна поміряти приладом, то КОЛІР, поняття ТІЛЬКИ фізіологічне. Колір фуксії, сливовий, баклажановий, і тим більше, цегляні, коричневі, бурі тони, не існує ніде, крім потиличної кори великих півкуль. Але і, звичайно, на панелях художників і в колерними книжках. які до сих пір є малярів - професіоналів. У випромінюванні Вашого монітора є тільки три хвилі з частотами (довжинами хвиль) трьох люмінофорів і вони не змішуються ні в матовому склі, ні в прозорих середовищах очі, ні навіть в колбочковой апараті сітківки. Якщо порівнювати сприйняття висоти звукового тону і кольору, то звук визначається частотою, і акорд це однозначне поєднання чистих тонів. Колір має нескінченне число варіантів представлення, і однозначний тільки всередині строго певного стандарту, наприклад в RGB. Це обумовлено тим, що хоча більш 80% інформації про навколишній світ ми отримуємо по зоровому каналу, частотна вибірковість звукового набагато вище.
Цікаво, на які частоти «налаштовані» пігменти в колбочках, які повинні сприймати червоний, зелений і сині кольори. (Геніальну гіпотезу про триколірних зорі висловив ще Михайло Васильович Ломоносов) - це 560, 530 і 430нм. Перша цифра особливо вражаюча, максимум відгуку колбочки, яка відповідає за червоний колір, лежить в зеленій області !! Так що вся червоно-жовто-зелена палітра формується в потиличній корі шляхом порівняння відгуків від «Червоних» і «Зелених» колбочок. На рис. 2 наведені спектральні відгуки червоних зелених і синіх колбочок 
Дуже цікаві відкриття зроблені останнім часом в області зору птахів.
Виявилося, їх зір чотирьох кольорове. У колбочках присутній четвертий пігмент, чутливий до ближнього ультрафіолету, причому піки чутливості, розташовані рівномірніше, ніж у людини і набагато більш крута. (Тут під крутизною розуміється не сучасна емоційна оцінка, а конкретна фізична величина, яка вимірюється, наприклад, в дБ / Октаву) . Палітра птахів повинна бути в тисячі разів багатші, ніж у художників. І можливо, що, наприклад самці і самки ворон, яких люди бачать однаково чорними, сприймають один одного з різною і яскравою ультрафіолетової забарвленням оперення!
В Інтернеті є цікаве і дуже корисний додаток: http://yandex.ru/yandsearch?text=цвет. Якщо в пошуковому рядку набрати назву кольору, наприклад «коричневий колір», то потрапляєш в палітру з назвами найближчих квітів і в колірний круг, точніше в кільце насичених кольорів. Нижче знаходяться віконця, в яких стоять цифри, що показують, з якою силою повинні світитися червоний, зелений і синій люмінофори (RGB), щоб сформувати цікавий для Вас колір.
Головна перевага цієї іграшки, що допитливий користувач може сам задати в цих віконцях числа від 0 до 255 і отримати будь-який доступний адитивний RGB колір. У самому нижньому віконці просто повторені числа RGB, але в 16-річної системі числення, ff це 255. Ще більш наочно кольору представлені в наступних трьох віконцях. Це система подання кольоровості HUE (Тон, Насиченість, Яскравість). Якщо в останньому віконці (V%) стоїть 0, це чорний колір, незалежно від інших значень. Якщо в передостанньому (S%) і в останньому віконцях стоять 100% - це область (кільце) насичених кольорів, а число в першому віконці, це просто кут в градусах на даний колір з білого центру. Наприклад, 0 °, 100%, 100%, або, що те ж саме 360 °, 100%, 100% - це чисто червоний; це 255, 0, 0 в RGB координатах. Під кутом 60 ° лежить жовтий колір, під 120 ° зелений, під 240 ° - синій. Це область Монохроматичні квітів, кольорів веселки. Далі йдуть кольору, одержувані змішанням в різних співвідношеннях червоного і синього. Вони називаються: ліловий, пурпурний, бузковий, вишневий, малиновий, кармін-червоний і т.п. Цих кольорів у веселці немає. Можна відзначити, що триколірні зір людини адекватно повинно бути представлено в тривимірному просторі, і зображення всіх кольорів на одній площині завжди має дещо штучний характер. Зір птахів - чотиривимірних!
Уважний читач вже, напевно, помітив, що в міркуваннях ми втратили монохроматический фіолетовий колір. Найпростіша причина, чому ми користуємося RGB, а не RGV системою - чисто технічна. Коли виникало кольорове телебачення, не було фіолетових світлодіодів і люмінофорів. Але виявилося, це і не дуже принципово. Оскільки в області блакитного і більш короткохвильового спектра світло відчувають практично тільки «сині» колбочки, око погано розрізняє ці кольори один від одного, і його легко обдурити, пред'явивши схожу суміш. Наприклад, додаток від Яндекса, під фіолетовим розуміє суміш RGB 139, 0, 255 (273 °, 100%, 100%), а в одному з англомовних джерел - Violet - 238, 82, 238; тобто оці пред'являється суміш, де до синього і червоного приймеш ще відсотків тридцять зеленого. Ось Вам і «чистий» колір.
Досвідчені перекладачі знають, що переводити назви кольорів з мови на мову, треба вкрай обережно, схожі слова на різних мовах можуть мати різні значення. Наприклад, Magenta - найближче до синього, а до російського Маренго відношення не має. А Purple, співзвучний з російським пурпур, навпаки ліловий (згадайте «Deep Purple»). Cyan, швидше за бірюзовий або аквамариновий, ніж блакитний, а Navy Blue, як мені здається, лежить десь між синім і темно синім. Щоб не виникло враження, що вище викладена істотна частина систем уявлення кольоровості, можна згадати субстрактівную систему CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key), яка використовується в друкарських системах і принтерах. Під «ключовим кольором» мається на увазі просто чорний барвник. Інша версія походження літери «K» - black. Система називається Субстрактівной, тому що на папері кольори віднімаються, а в Адитивною на екрані монітора - складаються. Детальну і зрозумілу статтю про кольори і їх сприйняття можна прочитати: http://youzhick.livejournal.com/174815.html.
У компактних і відносно недорогих одноматричну кольорових камерах систем охоронного телебачення, використовується, як правило, комплементарний мозаїчний фільтр з осередками додаткових один одному Cyan, Magenta, Yellow, Green квітів. При цьому яркостной і цветоразностниє сигнали формуються безпосередньо в сдвиговом регістрі ПЗС матриці. Про пристрій такого фільтра можна прочитати, наприклад, в книзі Владо Домьяновскі «CCTV, Біблія відеоспостереження Цифрові і Мережеві Технології» му, 2006.
Тепер можна вже перейти безпосередньо до відеокамер і об'єктивів, зокрема, до можливого впливу інфрачервоного світла, що потрапляє на матрицю.
Відеокамери з точки зору чутливості і можливостей цілодобової роботи бувають:
1. Чорно-білі відеокамери.
Відразу кілька слів про неточність цього терміна. Чорно-білий прилад може передавати тільки білий і чорний кольори, чорні текст і графіку на білому папері, наприклад, факс. Правильніше говорити про монохромних камерах. Але тут не повинно виникнути різночитань. Коли ми говоримо про чорно-білих камерах , Або про чорно-білих фотографіях, ми розуміємо, що кольору немає, але відтворюються градації сірого кольору.
Чорно-білі камери, як правило, мають чутливість на порядки вище, ніж кольорові камери. Це, зокрема, пояснюється чутливістю ПЗС матриці в ІК-області. Це породжує одну особливість, яку треба враховувати, при аналізі чорно-білих зображень.
Яскравості об'єктів, які наше око бачить однаковими, на зображеннях виглядають різними, і навпаки. Це пов'язано з различающимися яркостямі в ІК-діапазоні, і, особливо стосується тих об'єктів, які око бачить чорними. Наприклад, з двох осіб в чорному одязі один може виглядати світлим, а інший темним, в залежності від матеріалу. Чорна шерсть краще поглинає ІК хвилі, а джинсова тканина більше відображає.
Існують спеціальні відеокамери, чутливість яких підвищена в червоній і ближній інфрачервоній областях спектра (рис. 3).
Різниця в чутливості в червоній області може бути 6 і більше дБ. ІК чутливі відеокамери особливо ефективно використовувати при деяких умови навколишнього середовища (дощ, сніг, туман, сутінки). Це пов'язано з тим, що ІК світло, як довгохвильовий менше розсіюється на краплях, порошинки і кристалах.
Корисні також такі камери, коли обмежені можливості штучного освітлення або коли відеоспостереження бажано проводити непомітно. Особливо вони ефективні при використанні ІК підсвічування.
Вимоги до об'єктивів для чорно-білих камер вище, ніж для кольорових.
Це пов'язано з одним з спотворень, що вносяться лінзами, оптичними елементами об'єктивів - хроматична аберація. Справа в тому, що показник заломлення скла трохи залежить від довжини хвилі. Власне кажучи, саме ця властивість скляній призми і дозволило Ньютону спостерігати веселку.
У об'єктивах це призводить до того, що фокусні відстані для різних кольорів розрізняються. Якщо не вживати спеціальних заходів, це призводить до того, що зображення розмивається. Це схематично показано на рис. 4.
У хороших фото об'єктивах використовуються спеціальні прийоми для компенсації хроматичної аберації.
Вони полягають, наприклад, в підборі пар лінз (оптичних стекол) мають різні знаки спектральної залежності. В одній показник заломлення зростає з довжиною хвилі, а в іншій - падає.
Але в фотоапаратах це стосується, природно, тільки видимого діапазону. В даний час на ринках CCTV з'являються об'єктиви з написом «IR-corrected lens». Умовно це показано на рис. 5.
2. Кольорові відеокамери.
Для них необхідно передбачити усунення ІК складової світла для правильної передачі кольору. Для цього використовується спеціальний оптично елемент, який називається ІК режекторний (відрізує) фільтр (IR cut filter або Optical Low Pass Filter). Якщо такого фільтра немає, або він недостатньо ефективний, частина ІК енергії досягає матриці і викликає надлишкову засвічення «жовтих» і «пурпурних» пікселів. Це порушує перенесення кольорів, зокрема може проявлятися в тому, що чорні об'єкти будуть здаватися темно-червоними. Кольорові камери завжди мають меншою чутливістю, ніж чорно-білі.
На малюнках 6.1 і 6.2 показана одна і та ж сцена при висвітленні природним світлом з ІК фільтрами різної якості.
3. Камери типу ДЕНЬ-НІЧ.
Це сучасні камери, популярність яких зараз росте. Вони поєднують в собі переваги двох попередніх типів. При достатній освітленості вона працює як високоякісний кольоровий камера, а при згущенні сутінків, при певній освітленості, яка визначається користувачем, переходить в чорно-білий режим з високою чутливістю. Це, до речі, аналогічно роботі зорового аналізатора людського ока.
При зменшенні освітленості до приблизно одного - трьох люксів колбочковой апарат повністю вимикається, і людина переходить в чорно-білий, паличковий режим зору (в темряві всі кішки сірі). При переході з чорно-білого в кольоровий режим, автоматика камери вводить в світловий потік від об'єктива ІК фільтр. І навпаки, видаляє його при зворотному переході. В автоматичний контур стеження за освітленістю обов'язково вводиться затримка, від декількох до перших десятків секунд. Це робиться для того, щоб виключити спрацьовування при короткочасних змінах освітленості, і, головне, для виключення режимів автогенерации. Такі режими іноді відбуваються в контурі управління автодіафрагмою об'єктивів при невдалому підборі параметрів камери і об'єктиву і режим мимоволі змінюється з частотами до декількох разів на секунду.
Вимоги до об'єктивів для камер День - Ніч не менше жорсткі, ніж для чорно-білих камер.
ІК коригувальні об'єктиви з монохромними і День - Ніч камерами забезпечують контрастне зображення, оскільки весь світ сфокусований в площині ПЗС матриці. В результаті, зображення буде чітким, на велику глибину, в порівнянні зі стандартними об'єктивами.
Тут доречно навести спектри випромінювання деяких поширених джерел світла.
Не тільки Сонячне світло містить в собі ІЧ-випромінювання, а також багато штучні джерела, особливо галогенні. Але також і звичайні лампи розжарювання випромінюють значну кількість ІК світла. Див. Мал. 7, 8 і 9.
І коли об'єкт висвітлюється сумішшю видимого та ІЧ світла, можливо отримати істотне поліпшення відтвореного зображення без заміни камери, а тільки за рахунок заміни об'єктива.
Деякі джерела світла зовсім не містять ІК випромінювання, наприклад флюорісцентним, натрієві лампи високого тиску (які випромінюють характерний жовте світло в вуличних ліхтарях), лампи високого тиску на парaх ртуті, використовуваних на автомагістралях.
При зміні умов освітлення можуть виникнути проблеми. Наприклад, дорога висвітлювалася ртутними лампами (джерело не містять ІК випромінювання), але зійшло сонце, яке випромінює і ІК світло.
Головний висновок з усього вищевикладеного - для того, щоб правильно вибрати тип відеокамери для вашої системи і, що не менш важливо, тип об'єктива, вам, крім чіткого уявлення про геометрію спостерігається сцени і про розв'язуваних завданнях (наприклад, важливий Вам колір), необхідно знати цілодобові умови висвітлення цієї сцени.
Леонід Маркович Антокольський
Провідний спеціаліст компанії "Аквілон-А"
Якщо у Вас виникли питання, наші технічні експерти із задоволенням проконсультують Вас.
Задайте питання і замовте обладнання!