Швейцарский нож для инсталлятора систем видеонаблюдения

Видеоскоп - программно-аппаратный комплекс для проверки и настройки трактов передачи видеосигнала прямо на объекте

Признаёмся - мы фанаты всякого рода приборов и гаджетов, облегчающих жизнь инсталляторам и вообще техническим специалистам. Настоящий профессионал всегда должен быть вооружен до зубов. Иначе битва с техникой будет безнадежно проиграна. Прибор, работа которого описана ниже, недавно поступил к нам на тестирование вместе с прилагающимся к нему софтом. Подробные результаты испытаний будут опубликованы в электронном журнале Security Focus (раздел "Потребительские тесты"). А на этой странице мы публикуем статью, которую нам прислал кандидат физико-математических наук Серга Евгений Васильевич, заместитель директора по науке компании "Новые технологии".

Качество любой телевизионной системы и надежность ее работы определяют не только камеры, но и каналы видеотракта - кабель, согласующие устройства, устройства ввода видеосигнала. При настройке каждого канала часто возникают трудности, связанные с отсутствием у инсталлятора как специальной аппаратуры, так и профессиональных навыков.

Новое устройство, разработанное в ООО "Новые Технологии", получило название "Видеоскоп CVS-VS". Это программно-аппаратный комплекс, который позволяет качественно настраивать видеоканалы, подключаемые к системам CVS, без дорогостоящей измерительной аппаратуры, даже при отсутствии навыков у инсталлятора. Более того, видеоскоп CVS-VS дает возможность оценить качество используемого кабеля и применяемых согласующих устройств - усилителей, корректоров, приемников-передатчиков видеосигнала по витой паре и т.д.

Рассмотрим все звенья видеотракта, оказывающие влияние на разрешение системы.

Камера

Камера с матрицей 576 строк имеет теоретическое разрешение по вертикали 576 ТВЛ (с уменьшением модуляционной характеристики до 0). Практическое же разрешение по вертикали будет меньшим: 576 х 0,7 = 403 ТВЛ (при уменьшении модуляционной характеристики на 403 ТВЛ не более 6 дБ, т.е. в два раза).

Чтобы определить теоретическое разрешение камеры по горизонтали (с уменьшением модуляционной характеристики до 0), необходимо число активных пикселов в строке умножить на 0,75, т.е. привести его к вертикальному размеру (т.к. теоретическое разрешение по горизонтали равно количеству пикселов, укладывающихся в вертикальный размер изображения). Практическое же разрешение по горизонтали, как и по вертикали, будет меньшим. Так, для камеры, имеющей в строке 768 пикселов, оно составит: 768 х 0,75 х 0,7 = 403 ТВЛ (при уменьшении модуляционной характеристики на 403 ТВЛ не более 6 дБ, т.е. в два раза).

Этот факт является очевидным, так как при квадратном пикселе (для матрицы 768 х 576) разрешение по горизонтали не может превышать разрешение по вертикали.

Несмотря на то, что теоретическое разрешение не может превышать 576 ТВЛ (для матрицы 768 х 576 пикселов, при полном подавлении модуляционной характеристики), многие производители камер приводят, исключительно в рекламных целях, явно завышенные значения, например, 560 ТВЛ с подавлением модуляционной характеристики до 20 дБ (т.е. в 10 раз) и даже 600 ТВЛ. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) камер часто приводятся до уровня модуляции 10%. При этом амплитуда видеосигнала на предельном разрешении может изменяться от 10% до 90%.

Часто в камерах на высоких частотах устанавливается избыточный подъем характеристики, что, в свою очередь, является причиной появления муара на изображении. Это оказывает нежелательное влияние на органы зрения и приводит к быстрой утомляемости оператора. Именно по этой причине на входах устройств видеоввода обычно устанавливают специальный фильтр (так называемый Antialiasing Filter), который подавляет в спектре видеосигнала высокочастотные шумы и все "вредные" частоты выше 6 МГц. В результате изображение немного улучшается.

Вывод:

1. Разрешение, близкое к 560 ТВЛ, для камеры с матрицей 768 х 576 пикселов можно получить лишь при тщательном рассмотрении статического изображения измерительной таблицы на аналоговом мониторе высокого разрешения.
2. В реальной жизни разрешение изображения существенно ниже, даже для статических объектов.
3. Разрешение изображения подвижных объектов еще ниже, т.к. во многом определяется их скоростью и временем экспозиции, но это тема отдельного разговора.

Устройство видеоввода

Любое устройство видеоввода имеет определенное количество оцифровок по строке (пикселов), а значит, имеет собственное разрешение.

Теоретическое разрешение устройства видеоввода по горизонтали, как и для камер, определяется количеством пикселов, приходящихся на вертикальный размер изображения, т.е. количество пикселов в строке необходимо умножить на 0,75. Разрешения устройств видеоввода при различных количествах оцифровок в строке таковы:

640 х 0,75 = 480 ТВЛ,
702 х 0,75 = 526 ТВЛ,
768 х 0,75 = 576 ТВЛ,
896 х 0,75 = 672 ТВЛ (только в системах CVS!)

На практике разрешение по уровню модуляции не менее 6 дБ отличается от теоретического разрешения на множитель 0,7:

640 х 0,75 х 0,7 = 336 ТВЛ,
702 х 0,75 х 0,7 = 368 ТВЛ,
768 х 0,75 х 0,7 = 403 ТВЛ,
896 х 0,75 х 0,7 = 470 ТВЛ (только в системах CVS!)

Разрешение по вертикали равно количеству строк, т.е. 576 ТВЛ, а результирующее разрешение по вертикали определяется только разрешением камеры.

Общее разрешение трактов оцифровки определяется АЧХ камеры и АЧХ устройства видеоввода. Расчеты показывают, что при суммарном уменьшении модуляционной характеристики до 10% разрешение для камеры с 768 пикселами в строке и устройства видеоввода с 768 пикселами в строке не превышает 450 ТВЛ. (Соответственно, 416 ТВЛ для устройства видеоввода с 702 пикселами в строке и 530 ТВЛ для устройства видеоввода с 896 пикселами в строке).

Видеоканал

Для того чтобы реализовывались все достоинства камеры и устройства видеоввода, видеоканал должен обеспечить в пределах 6,25 МГц (500 ТВЛ) практически линейную АЧХ. Более того, частоты выше 6,25 МГц, приводящие к появлению муара на изображении, следует подавлять.

Видеоскоп CVS-VS измеряет АЧХ именно в этом диапазоне, т.е. до 500 ТВЛ.

Для решения практической задачи "обнаружения объекта" в области высоких частот АЧХ может иметь "завал" до 6 дБ (т.е. в 2 раза), а для "качественной идентификации объекта" такой "завал" должен быть не более 3 дБ (в 1,41 раза).

При передаче по кабелю видеосигнал ослабляется как на низких частотах (из-за активного сопротивления кабеля), так и на высоких частотах (из-за емкости кабеля), что приводит к уменьшению контраста и четкости изображения. Например, сопротивление кабеля РК-75-3.7-36Ф на низких частотах составляет 6 Ом на 100 м, а кабеля RG-59 со стальной центральной жилой - 18 Ом на 100 м. Витая пара ТППэп 5х2х0,5 имеет сопротивление 18 Ом на 100 метров, а UTP level 5 - 20 Ом на 100 м.

Сопротивление и потери на высокой частоте, например, на частоте цветовой поднесущей 4,43 МГц, для коаксиального кабеля и витой пары также различны. Так, потери в кабеле РК-75-3.7-36Ф составляют 1,7 дБ на 100 м, в RG-59 - 2,7 дБ на 100 м, в ТППэп - 4 дБ на 100 м, в UTP level 5 - 5 дБ на 100 м.

Для устойчивой работы устройства видеоввода требуется номинальная амплитуда синхроимпульсов, которая составляет величину 0,3 В, и форма импульса, близкая к прямоугольной. Дифференциальные выбросы, которые могут привести к срыву синхронизации, не должны превышать 0,1 В.

Расчеты и измерения на видеоскопе показывают, что для устойчивой работы системы (рекомендуемая амплитуда синхроимпульса больше 0,26 В) и решения задачи "обнаружения объектов" максимальная длина кабеля РК-75-3,7-36Ф составляет 300 метров, кабеля RG-59 - 150 метров. При этом для решения задачи "идентификации объектов" длина кабеля РК-75-3.7-36Ф не должна превышать 150 м, кабеля RG-59 - 100 м. Большие длины потребуют применения усилителей-корректоров.

В настройках систем CVS имеется корректор "Четкость", который позволяет дополнительно увеличить длину кабеля: идентификация будет возможна при длине кабеля до 300 м для РК-75-3.7-36Ф или до 150 м для RG-59.

Рис. 1. Осциллограмма синхроимпульса и АЧХ на кабеле RG-59 длиной 300 м

На экране компьютерного монитора видеоскоп CVS-VS представляет полную информацию о видеосигнале - о его амплитудных и частотных свойствах, о форме импульса. На рисунке 1 показана осциллограмма синхроимпульса после прохождения кабеля RG-59 длиной 300 м. Измеренные параметры показывают, что значение амплитуды импульса находится на грани допустимого (требуется усиление в 1,4 раза), а цвет подавлен более чем в 3 раза (т.е. более, чем на 9 дБ). Такое подключение допустимо только для камер низкого качества, при невысоких требованиях к устойчивой работе системы. Имеющийся в системах CVS корректор "Четкость" позволяет скомпенсировать эти потери. Установка данного параметра в положение "четкость 7" дает подъем АЧХ на 400 ТВЛ до 3 дБ, а в положение "четкость 8" - до 6 дБ.

На рисунке 1 видно, что для получения рекомендуемой АЧХ (зеленая область) желательна дополнительная коррекция видеосигнала в области высоких часот +3 дБ.

Сопротивление кабеля представляет собой некую эффективную величину, поэтому если в цепи видеосигнала имеется усилитель, которым можно скомпенсировать потери на сопротивлении кабеля, то эффективное сопротивление может и должно быть равным нулю.

Рис. 2. Осциллограмма синхроимпульса и АЧХ на кабеле RG-59 длиной 300 м после коррекции по амплитуде и частоте

На рисунке 2 показана скомпенсированная системным корректором (параметр "четкость 8") характеристика с включенным регулируемым усилителем или нормализатором (нормализатор измеряет амплитуду синхроимпульсов в пределах 0,15-0,6 В и автоматически приводит уровень видеосигнала к стандартному значению: амплитуда синхроимпульса - 0,3 В, размах видеосигнала - 1 В). К таким видеоканалам могут быть подключены камеры с разрешением до 400-500 ТВЛ.

Рекомендации

1. Используйте кабель и согласующие устройства, характеристики которых вам известны.
2. Прежде чем приступить к монтажу системы, проверьте с помощью видеоскопа характеристики кабеля предполагаемой длины и согласующих устройств. В случае несоответствия требуемых характеристик замените кабель или согласующие устройства.
3. После завершения монтажа еще раз проверьте и настройте все видеотракты.
4. Сохраните файлы или распечатки из программы видеоскопа CVS-VS на каждый видеоканал.
5. Выполнение данных рекомендаций позволит вам избежать неоправданных затрат на перекладку кабеля и на замену неправильно подобранных устройств согласования, упростит процесс устранения неисправностей и даст богатый опыт для будущих проектов.

Приобрести видеоскоп CVS-VS вы сможете в Интернет-магазине нашего журнала Security Focus. Мы позволили себе несколько расширить комплект поставки, и совместно с прибором и ПО наши покупатели получают также PCI-плату видеоввода на АЦП Conexant Fusion 878A. Отзывы о приборе -- строго положительные. Однако, по мнению специалистов, проводящих редакционное тестирование, было бы полезным выпустить модификацию видеоскопа в виде USB-устройства, которое могло бы подключаться к ноутбуку. Это позволит проводить весь комплекс измерений в мобильных условиях практически на любом объекте. Разработчики уже в курсе и обещают учесть наши пожелания. Надеемся, что мобильная версия комплекса не заставит себя долго ждать.

Рис.3. Измерение вертикального и горизонтального разрешения камеры

Когда версталась эта страница, нам стало известно, что производитель добавил в свой программно-аппаратный комплекс средства измерения характеристик комплекта "объектив+камера" (Рис. 3) - вертикального и горизонтального разрешения, отношения сигнал/шум и некоторых других параметров. А цена изделия - осталась прежней!