Дальность обзора камеры видеонаблюдения

От чего зависит дальность обзора камер видеонаблюдения?

Современные камеры видеонаблюдения позволяют получить достаточно четкое изображение объектов, которые удалены от видеокамеры на большие расстояния.

Однако, кроме видимости удаленного объекта, системы охранного видеонаблюдения решают и другие задачи, такие как детекция объекта, распознавание его и идентификация.

Поэтому при выборе камеры видеонаблюдения нужно обращать внимание на следующие показатели:

Уровень детекции (Detect) – расстояние до объекта, на котором камера видеонаблюдения позволяет оператору легко и безошибочно определять присутствует ли в кадре объект (человек или автомобиль). Для детекции на каждый 1 метр наблюдаемого объекта должно приходиться 25 отдельных пикселей.
Уровень наблюдения (Observe) – расстояние от камеры до объекта на котором можно описать как специфические особенности объекта, такие как, цвет одежды так и другие характеристики. Для данного уровня на каждый метр объекта должно приходиться 63 пикселя.
Уровень распознавания (Recognize) — расстояние от камеры до объекта (человек) на котором с большой долей вероятности оператор может узнать в лицо знакомого человека. Для этого на каждый метр наблюдаемого объекта должно приходиться 125 пикселя. Если предположить что лицо среднего человека имеет высоту 20-25 см, то на него должно приходиться около 25-30 вертикальных пикселей для уверенного распознавания.
Идентификация (Identify) – расстояние от камеры до объекта на котором снимок камеры можно без труда использовать для идентификации незнакомого человека. На метр здесь должно приходиться 250 пикселей.

Для того, чтобы получить значение пиксель/метр необходимо количество пикселей видеокамеры по горизонтали поделить на ширину зоны обзора видеокамеры.

Дистанция, на которую камера «видит», прежде всего зависит от ее объектива и разрешающей способности. К примеру на объектив с широким углом зрения (2,8 мм) будет приходиться меньше пикселей чем в случае использования объектива 4, 6 или 12 мм.

Тип матрицы так же играет значительную роль (различают CMOS – простая и популярная технология, или более современные CCD, Super HAD CCD и Sony Ex-View)

Большое значение имеет и физический размер матрицы(величина 1/3 – характерна для большинства стандартных камер, в более дорогих моделях эта величина составляет 1/2,8 а в профессиональных, интеллектуальных камерах видеонаблюдения до — 1/1,7)

Дальность обнаружения видеокамерой объекта наблюдения определяется также фокусным расстоянием. Теоретически видеокамера может «увидеть» объект на расстоянии в несколько сотен метров. На практике для этого нужна хорошая оптика, которая стоит запредельно дорого.

Фокусное расстояние объектива влияет на дальность распознавания гораздо больше чем разрешение. Однако стоит отметить, что чем больше фокусное расстояние, тем меньше углы обзора камеры.

Но если угол обзора будет минимальным, то настройка положения зоны обзора вызовет проблемы.

Для того, чтобы камера могла видеть на большое расстояние часто используется вариофокальные или длиннофокусные объективы.

При построении системы видеонаблюдения необходимо также учитывать то факт что все остальные компоненты системы, такие как видеорегистратор, дисплей, кабели, разъёмы, приёмопередатчики, могут значительно влиять на дистанцию обзора камеры. Чтобы избежать этого, необходимо чтобы разрешающая способность дисплея для видеонаблюдения превосходила или была равной разрешающей способности камеры видеонаблюдения.

Для аналоговых форматов прохождение видеосигнала от камеры до видеорегистратора не должно иметь искажений. Для этого необходимо использовать качественный телевизионный кабель либо UTP кабель с активными приёмопередатчиками видеосигнала. На коротких кабелях (30-40 м) как правило используют пассивные широкополосные балуны.

Для IP камер для передачи сигнала требуется на расстоянии 100 метров друг от друга устанавливать сетевые коммутаторы, что усложняет монтаж и удорожает систему.

Поэтому во многих случаях гораздо проще и дешевле расположить обычные камеры видеонаблюдения ближе к объекту, но при этом выбрать такие, которые имеют большую дальность передачи видеосигнала.

Основные характеристики

В любом оптико-механическом устройстве, в том числе и в камере наблюдения, есть ряд важных характеристик, по которым определяется эффективность их работы:

фокус и светочувствительность объектива;
разрешающая способность;
формат ПЗС-матрицы;
возможность цифровой обработки сигнала;
угол обзора видеокамеры;

Все эти характеристики тесно взаимосвязаны между собой и определяют, собственно мощность оптического инструмента.

Рассмотрим одним из важнейших показателей – угол обзора видеокамеры. Чтобы было понятнее, что это такое, можно провести аналогию с человеческим оптическим инструментом, глазом – это угол зрения, охват максимально видимого пространства.

Угол» обзора

Угол обзора, характеризует видимый обхват наблюдаемого пространства. Напрямую зависит от фокусного расстояния объектива и размера ПЗС-матрицы. Так, при одинаковых объективах, угол обзора будет больше у видеокамеры с большей матрицей.

Расчёт

Расчёт можно производить несколькими методиками.

Угол обзора напрямую зависит от фокусного расстояния. Отсюда следует, что рассчитав последнее, посредством вышеприведённой таблицы 1, можно определить искомый угол.

Формула расчёта выглядит так: f =»» r*A/L, где:

f – фокусное расстояние объектива.
r – метрическое расстояние до объекта, измеряемое в метрах.
A – размер в миллиметрах одной из сторон матрицы; принимается та, которая определяет плоскость наблюдения: вертикальная или горизонтальная зона наблюдения.
L – размеры объекта в метрах; принимаются в соответствии с размерной стороной матрицы: по вертикали или горизонтали.

Таким образом, будет рассчитан тот угол наблюдения, при котором объект будет занимать почти весь экран монитора. Принимая во внимание важность объекта и целесообразность наблюдения территории находящейся вокруг него, определяется в % та часть экрана, которою может занимать охраняемый предмет.

При этом окончательная формула принимает вид: f =»» r*A/(100*L/h), где:

h – полный размер объекта на экране, выраженный в процентах;

Расчёты вручную по такой методике достаточно трудоёмкое занятие, поэтому были разработаны соответствующие программы для компьютерных вычислений.

Пример расчёта:

Объект наблюдения – въездные ворота на территорию предприятия. Задача, стоящая перед службой наблюдения – фиксировать марки и номерные знаки въезжающих и выезжающих автомобилей.

Исходные данные для расчёта:

r =»» 10 метров, – расстояние от объектива до границы ворот;
h =»» 5%, – размер объекта на мониторе по горизонтали;
A =»» 8,46 мм (1/3”), – размер матрицы;
L =»» 0,52 метра, – размер номерного знака;

Тогда фокусное расстояние объектива составит: f =»» 10*8,46/(100*0,52/5) =»» 10,429 мм.

Сверившись с таблицей, видим, что угол зрения камеры составит около 27 градусов.

Угол обзора, можно определить более коротким путём, но надо учесть, что недорогие объективы страдают оптическими искажениями, особенно сильна сферическая аберрация.

Формула расчёта: a =»» 2arctg(b/2f), где:

a – угол обзора видеокамеры, в метрических градусах;
тригонометрическая функция (арктангенс);
b – размер матрицы в миллиметрах по одной из сторон;
f – эффективное фокусное расстояние объектива в миллиметрах;

Пример расчёта:

Объект наблюдения точно такой же, как и в выше приведённом примере. Исходные данные принимаем точно такие же.

Угол обзора составит: a =»» 2arctg(8,46/2*10,5) =»» 29 градусов.

Несовпадение результатов вызвано небольшим округлением исходных данных до второго знака после запятой.

Чёткость изображения

Чёткость изображения, или разрешение камер наблюдения – это способность устройства уверено фиксировать минимальные размеры объекта наблюдения на определённом расстоянии до камеры.

Разрешение, и соответственно, чёткость изображения зависят:

от качества объектива и его фокусного расстояния;
от технических характеристик ПЗС-матрицы (количество и качество пикселей);
от расстояния: «объектив – наблюдаемый объект»;

Если используется визуальное приёмное устройство (монитор), то добавляются:

качество преобразования сигнала в приёмном устройстве (видеорегистраторе);
технические характеристики воспроизводящего прибора (монитора);

Для разных камер, – аналоговых и по IT-технологиям (цифровые) чёткость определяется по своим характеристикам.

Аналоговые видеокамеры

Для данного типа камер применяется показатель ТВЛ – телевизионные линии. Показывает, какое количество чередующихся чёрно-белых линий размещается на мерном участке в вертикальной или горизонтальной плоскостях.

Аналоговые камеры, по степени разрешения, подразделяются на приборы:

со средним качеством изображения: около 500 пикселей, – соответствует 380…420 ТВЛ;
высокая степень разрешения: свыше 750 пикселей, – больше 1000 ТВЛ, соответственно;

Многим знакома эта характеристика – так характеризуются свойства видеокамеры в мобильном телефоне.

Расстояние до объекта

На рис.1 (в начале статьи) показано, что объекты «1» и «2», находящиеся под одним и тем же углом обзора, на матрице отображаются одинаково, количество задействованных пикселей на восприятие обоих объектов, равно. Иными словами, количество информации приходит разное, но ближе расположенный объект, обладает меньшим объёмом данных – его детализация получается чётче, мелкие детали не «смазываются», не сливаются друг с другом.

Для того чтобы увеличить разрешение, детализацию объекта, необходимо приблизить объект «2» к объективу. Осуществляется это изменением фокусного расстояния, то есть, камера «наезжает» на объект. Но это применимо только для видеокамер, имеющих объективы с изменяемым фокусным расстоянием («плавающий» объектив).

Возможно оснащение приёмного устройства специальным программным обеспечением, позволяющим обрабатывать полученный цифровой сигнал, с целью увеличения детализации наблюдаемого объекта. Но это повлечёт к значительному удорожанию системы видеонаблюдения.

Примеры зависимости чёткости картинки от фокусного расстояния объектива, угла обзора и расстояния до объекта приведены в таблице:

Фокусное расстояние объектива, мм	Горизонтальный угол обзора для матрицы =»» 1/3”, линейные градусы	Возможность обнаружения человека, метры (данные ориентировочные)	Возможность идентификации человека, метры(данные ориентировочные)	Возможность определения номера автомобиля, метры(данные ориентировочные)
2,8	86	19	1,4	–
3,6	72	25	1,8	–
4,0	67	28	2	5
8,0	36	56	4	5
12,0	25	84	6	8
25,0	12	175	12,5	16
50,0	6	350	25	33
80,0	3,3	560	40	53
120,0	2,1	840	60	80

При расчётах дистанций, за основу принимаются европейские нормы:

20 пикселей/метр – норма для разрешения при обнаружении объекта в поле обзора;
100 пикселей/метр – показатель, применяемый при распознавании объекта;
250 пикселей/метр – разрешение при идентификации;

В тексте приведены определяющие факторы, отвечающие за угол обзора видеокамеры.

Но в процессе эксплуатации возникают такие факторы, влияющие на показатели прибора:

нарушение работоспособности объектива, в случае изготовления оптической составляющей из полимерного материала (помутнение объектива);
некачественное закрепление корпуса к опорной конструкции (дрожание от порывов ветра или других воздействий);
утрата своих свойств смазочной составляющей в конструкции видеокамеры (сложность перемещения самой камеры или объектива);
электронные помехи, влияющие на передаваемый сигнал, а также другие различные факторы;

Кроме теоретических расчётов по углу обзора, важными факторами являются:

точка установки, должна обеспечить максимальный обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
защищенность от воздействия климатических или каких-либо механических воздействий;
доступность, при совершении профилактических работ по поднастройке видеокамеры и профилактическому обслуживанию;

Каждый объект требует индивидуального подхода при определении угла обзора, чёткости картинки на мониторе. Всё это определяется при постановке задач по определению параметров наблюдаемой территории и рассчитывается специалистами.

Фокусное расстояние объектива камеры видеонаблюдения- это параметр видеокамеры, который мы берем за основу при расчете зоны видеонаблюдения. От его величины и физического размера матрицы зависит угол обзора объектива. Проведя не сложные геометрические расчеты можно довольно точно определить зону, которая будет попадать в кадр камеры видеонаблюдения.

Для ведения видеонаблюдения на обширном участке используются камеры с широким углом обзора , а при просмотре объектов «зажатых» , типа длинный коридор с узким.

Параметры, влияющие на угол обзора

Как уже писалось выше, три параметра видеокамеры взаимозависимы, это:

Фокусное расстояние объектива;
Угол обзора объектива;
Физический размер матрицы видеокамеры.

Чем больше фокусное расстояние объектива, тем меньше угол обзора. Следовательно, можно наблюдать за объектами, которые находятся на относительно большом удалении от камер видеонаблюдения. И наоборот, чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора. Соответственно в кадр камеры попадает больше объектов.

Угол обзора, также зависит от размера чувствительного элемента –матрицы. Чем больше размер матрицы, тем меньше угол обзора камеры и наоборот.

Расчет фокусного расстояния объектива видеокамеры

Расчет фокусного расстояния камеры видеонаблюдения необходим для правильного подбора видеокамеры. Конечно, производители указывают в технических характеристиках нам физический размер матрицы, фокусное расстояние и иногда угол обзора. Но для общего понимания, посмотрим, что влияет на выбор фокусного расстояния, это:

На каком расстоянии находится объект наблюдения;
Физического размера матрицы;
Размера объекта.

Итак, имея заданные технические характеристики камеры, можно рассчитать фокусное расстояние объектива камеры видеонаблюдения по следующим формулам:

F=»» hS/Н или F=»» vS/V,

где h – размер матрицы по горизонту;

S – расстояние до объекта видеонаблюдения;

H – горизонтальный размер объекта;

v – размер матрицы по вертикали;

V – вертикальный размер объекта.

Размеры сторон матрицы камеры видеонаблюдения приведены в таблице:

Размер матрицы	1/4”	1/3”	1/2”
По горизонтали, мм	3,2	4,8	6,4
По вертикали, мм	2,4	3,6	4,8

Пример расчета фокусного расстояния и выбор камеры

Необходимо наблюдать за въездом и проходом через ворота на территорию предприятия;

Задача наблюдения: обнаружение машин и людей при въезде входе на территорию предприятия;

Ширина прохода и ворот 6 метров;

Расстояние от камеры до прохода 7 метров;

Камера Proto AHD-1W-EH10F(?)IR, после буквы F должно указываться фокусное расстояние. Его мы рассчитаем по вышеприведенной формуле:

где 3,2 размер матрицы по вертикали, т.к. в камере Proto AHD-1W-EH10F(?)IR установлена матрица размером 1/4”. Так как объективы на видеокамере выполнены с фиксированными фокусными расстояниями, то выбираем ближайший меньший т.к. если выбрать ближайший больший, то часть объекта не будет попадать в кадр камеры.

Выполним ещё одну проверку камеры на пригодность. Зона контроля имеет ширину 6 метров, задача стоит обнаружение. При обнаружении человека необходимо, чтобы на один метр контроля приходилось 20-30 пиксел разрешения камеры. При несложных расчетах видно, что камере Proto AHD-1W-EH10F36IR по силам не только обнаружение, но и распознавание человека на объекте, не говоря уже о машинах. На самом деле ещё необходимо вычислить фокусное расстояние по вертикали, а также высоту и угол установки видеокамеры, но мы эти расчеты намеренно упускаем, т.к. мы не ставим перед собой задачу полного расчета, мы хотели показать на данном примере только методику расчета фокусного расстояния и выбора камеры по этому расчету.

Формат матрицы 1/4″

Формат матрицы 1/3″

Формат матрицы 1/2.5″

Фокусное
расстояние, мм Угол обзора, градусов По горизонтали По вертикали 2 77 62 2,2 72 57 2,4 67 53 2,8 59 46 3 56 44 3,3 52 40 3,6 48 37 4 44 33 4,5 39 30 5 35 27 6 30 23 7 26 19 8 23 17 9 20 15 10 18 14 12 15 11 16 11 8,6 20 9,1 6,9 25 7,3 5,5 30 6,1 4,6 40 4,6 3,4 50 3,7 2,7 60 3,1 2,3 70 2,6 2,0 80 2,3 1,7 100 1,8 1,4 120 1,5 1,1

Фокусное
расстояние, мм Угол обзора, градусов По горизонтали По вертикали 2 100 84 2,2 95 79 2,4 90 74 2,8 81 65 3 77 62 3,3 72 57 3,6 67 53 4 62 48 4,5 56 44 5 51 40 6 44 33 7 38 29 8 33 25 9 30 23 10 27 20 12 23 17 16 17,1 12,8 20 13,7 10,3 25 11,0 8,2 30 9,1 6,9 40 6,9 5,2 50 5,5 4,1 60 4,6 3,4 70 3,9 2,9 80 3,4 2,6 100 2,7 2,1 120 2,3 1,7

Фокусное
расстояние, мм Угол обзора, градусов По горизонтали По вертикали 2 110 94 2,2 105 88 2,4 100 83 2,8 91 75 3 87 71 3,3 82 66 3,6 77 61 4 71 56 4,5 65 51 5 59 46 6 51 39 7 44 34 8 39 30 9 35 27 10 32 24 12 27 20 16 20,2 15,2 20 16,2 12,2 25 13,0 9,8 30 10,9 8,2 40 8,2 6,1 50 6,5 4,9 60 5,4 4,1 70 4,7 3,5 80 4,1 3,1 100 3,3 2,5 120 2,7 2,0

Для расчетов основных параметров камер видеонаблюдения можно использовать бесплатный калькулятор, с помощью которого можно не только получить численные значения показателей, но и визуально определить, как будет выглядеть группа силуэтов людей в кадре. Скачать калькулятор можно здесь.

Часто возникают ситуации, когда нет возможности четко определить зону контроля видеокамерой, или возникает необходимость менять размер этой зоны, но с небольшой периодичностью. Бывает и так, что человек хочет на месте более точно определить зону контроля. В этих случаях поможет камера с вариофокальным объективом, на которых можно менять без особых проблем фокусное расстояние вручную. Если же у вас возникает потребность приблизить или отдалить объект оперативно, то можно использовать камеру с моторизированным объективом. Существуют камеры, позволяющие не только оперативно менять фокусное расстояние (приближать, отдалять объект), но и изменять ракурс видеонаблюдения в пределах 360 градусов по горизонтали и 180 градусов по вертикали. Такие камеры называются Speed doome, о них вы можете почитать в статье «Скоростные купольные камеры»

Есть камеры с коридорным режимом видеонаблюдения. Такая камера устанавливается вертикально, а изображение поворачивается на 90 градусов. Таким образом, на мониторе отображается картинка не горизонтально, а вертикально. При этом отражается больше «полезной» информации, чем это было бы при нормальном расположении камеры.