CC BY
352
УДК 621.364
Определение основных параметров зоны контроля видеокамеры системы видеоконтроля
Владимир Иванович Воловач, к.т.н., доцент, зав. каф. «Информационный и электронный сервис», e-mail: ssunrise@mail.ru
ФБГОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса» (ПВГУС), г. Тольятти
Исследовано влияние параметров видеокамер на геометрические размеры зоны контроля телевизионных систем видеоконтроля; отмечено, что эти размеры должны соответствовать назначению систем; предложены критерии, позволяющие оптимизировать построение данных систем; показано, что параметры зоны контроля влияют на изображение этой зоны на видеомониторе системы видеоконтроля.
The authors research the influence of videocamera parameters on geometric sizes of the control zone of videocontrol telesystems and make it clear that the sizes have to correspond to systems' purposes. The authors offer criteria letting optimize the systems' building and show that the control zone parameters influence the picture of the zone on the videomonitor of the videocontrol system.
Ключевые слова: параметры видеокамеры, ближняя и дальняя зоны обзора, граница идентификации, параметры зоны контроля.
Keywords: videocamera parameters, near-field and far-field scanned zones, identification border, control zone parameters
При проектировании систем видеоконтроля (СВК) значительное внимание уделяется определению геометрических размеров различных зон СВК и, соответственно, возможности оптимизации границ таковых зон и числа видеокамер (ВК).
При выборе видеокамеры и объектива для СВК определяющими являются необходимая разрешающая способность, чувствительность, способность обеспечивать достоверное изображение (в том числе при наличии движения в поле зрения ВК и наличии ярких источников света), а также возможно больший срок эксплуатации ВК [1]. В зависимости от назначения (для обнаружения, классификации или идентификации объекта) выбирают необходимый уровень разрешающей способности СВК, который, в свою очередь, обусловливает конструктивные особенности этой системы и, в значительной степени, ее стоимость. Кроме того, анализируя назначение СВК, конкретизируют и другие важные составляющие системы: тип используемых камер, формат формирователей сигнала изображения, параметры применяемых объективов, а также некоторые дополнительные факторы, например такие, как особенности крепления ВК, пресечение возможности скрытного вмешательства в работу СВК, влияние погодных условий и т. п.
Среди основных характеристик камер [2, 3], определяющих их применение в СВК, выделим следующие: оптический формат, с увеличением которого уменьшаются геометрические искажения изображения, что особенно характерно при боль-
ших угловых полях зрения ВК; разрешающая способность, которая непосредственно влияет на область применения камеры (обнаружение, классификация или идентификация объекта); пороговая чувствительность, от которой также зависит область применения камеры (для использования в системах с достаточным или плохим освещением); наличие автоириса, при котором обеспечивается управление объективом с электромеханической регулировкой диафрагмы, что особенно важно в СВК, использующих ВК с вариообъективами.
В [3] определены понятия, относящиеся к зоне обзора ВК: горизонтальное угловое поле зрения и вертикальное угловое поле зрения; реальная зона обзора в горизонтальной плоскости и т. п. Там же показано, что ближняя граница зоны обзора ВК определяется рядом параметров, прежде всего «мертвой зоной» и «условной мертвой зоной». В большинстве практических важных случаев нет необходимости разделять понятия мертвой и условно мертвой зон.
Введем понятие «зона контроля», ближняя граница которой определяется условно мертвой зоной, а дальняя - заданной разрешающей способностью ВК. В отличие от понятия «зона обзора» ВК введение понятия «зона контроля» позволяет выносить корректное заключение о выполнении вменяемых в каждом конкретном случае применения СВК функций обнаружения, классификации или идентификации объекта. Другими словами, объект, находящийся в зоне обзора ВК, может быть, например, не идентифицирован вследствие
значительного удаления объекта от видеокамеры. И заданная функция идентификации объекта системой видеоконтроля не будет выполнена. Использование понятия «зона контроля» позволяет избегать таких ситуаций и проектировать СВК, исходя из выполняемых ею функций.
Геометрические размеры зоны контроля ВК зависят от формата формирователя сигнала изображения; в настоящее время наиболее часто используются форматы 16,93 и 25,4 мм для передающих телевизионных трубок и форматы 6,35; 8,47 и 12,7 мм для твердотельных камер [1].
При выборе объектива для видеокамеры следует учитывать: формат объектива, который должен совпадать с форматом камеры или, в крайнем случае, при постоянном фокусном расстоянии может быть больше формата камеры; диафрагменное число, как правило, различное для камер, используемых вне и внутри помещений; способ установки диафрагмы, который может быть ручным или автоматическим; фокусное расстояние, которое определяет горизонтальное и вертикальное угловые поля зрения ВК.
Основные отличия требований, предъявляемых к ВК, которые используются для контроля периметров и пространств охраняемых объектов вне помещений, от требований к камерам, применяемым для контроля внутренних объемов помещений, сводятся к следующему: угловые поля зрения ВК для наружных видеокамер обычно меньше, чем для внутренних видеокамер; меньше их диафрагменные числа; чувствительность внешних ВК выше; желательна автоматическая регулировка диафрагмы.
Рассмотрим более подробно влияние параметров видеокамер, в том числе и ВК с вариообъективами, на геометрические размеры зоны контроля СВК. Эта зона представляет собой часть площади (или объема) пространства, контролируемая видеокамерами СВК, в пределах которой достигается требуемый уровень разрешающей способности системы. Очевидно, что правильное определение размеров зон контроля ВК приводит к оптимизации построения СВК в целом, в частности, позволяет более эффективно использовать видеодетекторы движения для контроля охраняемых пространств, детекторы оставленных или унесенных предметов и др.
Угловое поле зрения ВК определяется назначением СВК и, следовательно, геометрическими размерами зоны контроля: так, для видеонаблюдения за периметрами используют ВК с малыми уг-
ловыми полями зрения, а для охраны помещений угловое поле зрения ВК выбирают в пределах 60.. .90 . В [4] показано, что наиболее приемлемым с физиологической точки зрения является угловое поле зрения в пределах 60...70. В ряде случаев отказываются от использования широкоугольных видеокамер в пользу поворотных ВК с меньшими угловыми полями зрения, например, когда необходимо идентифицировать объект, за которым ведется наблюдение.
Используя соотношение [3], можно определить интересующее горизонтальное угловое поле зрения ВК:
ШАЗ
а = 2агС£^^.
2 /
(1)
где ШАЗ - ширина активной зоны формирователя изображения, мм; /- фокусное расстояние объектива, мм.
Ширина активной зоны формирователя изображения ШАЗ может быть определена исходя из формата видеокамеры [1], более точные данные для конкретных марок ВК приводятся в технических описаниях производителей.
Очевидно, что размер зоны обзора ВК можно изменять в интересующем направлении, осуществляя подбор объектива с необходимым фокусным расстоянием либо используя вариообъектив.
Вертикальное угловое поле зрения ВК в, вследствие принятого формата изображения, определяют по формуле
в = 0,75а. (2)
При проектировании СВК используют стандартные объективы ВК, имеющие фокусные расстояния 3,5; 6,0; 12; 25; 50; 75 мм и т. д. При известном фокусном расстоянии применяемого объектива можно определить один из взаимосвязанных параметров: ширину зоны контроля ВК на заданном расстоянии от видеокамеры либо расстояние от видеокамеры при заданной ширине зоны контроля. Приближенные расчеты проводят, используя выражение [1]
НЗК = ^Б
АЗ
ЗК '
/
(3)
где НЗК - ширина зоны контроля, м; LБЗК - расстояние от камеры до ближней границы зоны контроля, м.
Ширина зоны контроля определяется на ближней границе зоны (рис. 1, а). На рис. 1 показаны: 1 - видеокамера; 2 - ближняя граница зоны обзора видеокамеры, ограниченная не просмат-
риваемой, условно мертвой либо мертвой зоной; и зона обзора ВК приведены в двух плоскостях: на
3 - ближняя граница зоны контроля; 4 - зона кон- рис. 1, а - в горизонтальной плоскости, на рис. 1, б троля видеокамеры; 5 - граница идентификации; - в вертикальной плоскости.
6 - дальняя граница зоны контроля; 7 - дальняя Обычно формулу (3) преобразуют для вычис-
граница зоны обзора видеокамеры. Зона контроля ления расстояния от видеокамеры до ближней
границы зоны контроля ХБЗК по заданной ширине этой зоны и известным параметрам видеокамеры и объектива. В последующем, на основании найденного значения £бзк, определяют место расположения ВК, высоту подвеса и угол наклона камеры по вертикали.
Расстояние от ВК до ближней границы зоны контроля может быть определено из следующего выражения:
^бзк = 0,5#ЗК ctg ) • (4)
Дальняя граница зоны контроля зависит от величины заданной разрешающей способности ВК. Эта граница, определяемая расстоянием ЬдЗК до видеокамеры, не совпадает с дальней границей зоны обзора ВК, на которой разрешающая способность ниже заданного значения, а следовательно, объекты могут быть не обнаружены (либо не классифицированы, либо не идентифицированы).
Установить дальнюю границу зоны контроля возможно с разной степенью точности. Приближенный расчет [1] предполагает определение искомой границы по экспериментальным данным классификации цели размером 1 фут (0,3 м). При этом для безошибочной классификации цели разрешающая способность ВК по горизонтали должна быть не менее шести ТВ-линий. Таким образом, дальняя граница зоны контроля ЬдЗК будет определяться разрешающей способностью применяемой камеры: чем она выше, тем дальше будет удалена дальняя граница зоны контроля. Соответственно, с увеличением ^дж будет возрастать и длина зоны контроля L3K ВК.
Более точно дальнюю границу зоны контроля определяют по формуле [2]
L = (5)
^ДЗК - / Л ’
Д 150tg (а )
где LдЗK - расстояние от видеокамеры до дальней границы зоны контроля, м; h - минимальная высота объекта, который следует различать, мм; R - разрешающая способность ВК, число ТВ-линий.
Определение геометрических размеров зоны контроля не должно ограничиваться только нахождением длины, ширины и площади этой зоны (см. рис. 1, а). Для корректного решения задачи обнаружения, классификации и, особенно, идентификации объекта необходимо учитывать также и конфигурацию зоны контроля ВК в вертикальном сечении, т. е. следует говорить об обнаружении объекта в некотором объеме пространства.
Высоту зоны контроля на ее ближней границе КБ3КН, в соответствии с (2) - (4) для случая расположения оптической оси ВК по нормали относительно плоскости наблюдения, определим как
гБЗк = 0,75!бзк = 0,375Язк -А3акЛд(^). (6)
Поскольку в большинстве практических случаев угол наклона у ВК составляет менее 90° относительно названной плоскости, определим высоту зоны контроля (см. рис. 1, б) на границах зоны контроля с учетом данного замечания. Следует учитывать, что конфигурация зоны контроля в вертикальном сечении представляет собой прямоугольную трапецию, поэтому для случая идентификации объекта необходимо определить высоту зоны контроля Уд3К в худших условиях обнаружения - на дальней границе этой зоны:
^дзк = (^доз - ^дзк )с15(т + '/в) = ^озс15(У + в/2), (7)
где ЬО3 = ЬдО3 - Ьд3К - расстояние между дальней
границей обзора камеры ЬдО3 и дальней границей зоны контроля £д3К, м; у - угол между оптической осью камеры и нормалью к плоскости наблюдения, град.
В свою очередь, дальняя граница обзора камеры вычисляется по формуле
Ьдоз = Нк (у + % ), (8)
где Нк - высота установки ВК, м.
Высота зоны контроля УБ3К на ее ближней границе определяется из выражения
^БЗК = (^ДОЗ - ^БЗК ) (т + в/2 ). (9)
Найденная высота зоны контроля Уд3К должна соответствовать назначению СВК. Например, для решения простой задачи обнаружения объекта высота зоны контроля на дальней границе может быть даже несколько меньше роста человека. Вместе с тем указанный подход явно неприменим в системах, служащих для классификации и идентификации объектов, когда вследствие ограниченности зоны контроля в высоту невозможно будет вынести достоверное решение о том, кто находится в зоне контроля: нарушитель или сотрудник данной организации. Конкретные рекомендации по выбору названного параметра приводятся в литературе, например в [3].
Поскольку варианты построения СВК достаточно разнообразны, и они используются в различных условиях внутри и вне помещений, для реализа-
ции общих подходов целесообразно определять в пределах зоны контроля ВК ее некоторую часть, где гарантированно происходит обнаружение нарушителя в полный рост и, соответственно, становится возможным провести его классификацию и идентификацию. В большинстве практически важных случаев целесообразно определять дальнюю границу этой зоны на таком расстоянии, при котором высота контролируемого пространства (назовем ее высотой идентификации ¥и) гарантированно будет не менее роста высокого человека, т.е. Уш > 1,9.. .2,1 м.
Таким образом, наряду с дальней границей зоны контроля 6 введем в рассмотрение границу идентификации нарушителя 5 (см. рис. 1, а), т.е. наиболее удаленное от ВК расстояние, на котором возможно различить черты лица нарушителя, независимо от его положения в пределах зоны. Очевидно, что реальная зона контроля видеокамеры в этом случае будет уменьшена; причем степень уменьшения будет определяться как параметрами зоны контроля, так и параметрами ВК. Определим границу идентификации Ьи, используя соотношение
А = нк їв (г + в)- ^
?+%
(10)
АМЗ = А + А2 = А + Нк^(у-в/2 )’
(11)
./шіп
Wl
АЗ
2'8 (/2)’
а верхняя граница фокусного расстояния /ш деляется так:
75LWA
/шах
АЗ
Я
(12)
опре-
(13)
где Ь - расстояние от камеры до наблюдаемого объекта, м.
Целесообразно рассматривать расстояние Ь в (13) равным ЬдЗК, т. е. производить контроль происходящих изменений на дальней границе зоны контроля заведомо в худших условиях наблюдения.
При увеличении фокусного расстояния до /шах произойдет уменьшение горизонтального углового зрения камеры до величины
«шіп = 2агс1в:^ = 2агсШ-Я
, ____0 . (14)
2 /тах 75Ь ' '
В соответствии с изменениями зоны обзора ВК будут меняться и границы зоны контроля видеокамеры.
Для нахождения дальней границы зоны контроля ВК при использовании вариообъективов преобразуем формулу (5) в более удобный вид
щ
А
ДЗК
75W,
(15)
АЗ
Для определения длины мертвой зоны, не просматриваемой ВК (см. рис. 1, б), используют выражение [5]
где Ь1 - расстояние от объектива ВК до поверхности ее крепления, м; Ь2 - размер мертвой зоны без учета расстояния Ь1, м.
Для простоты будем полагать в дальнейшем Ь1 = 0 (что в большинстве случаев вполне допустимо). При необходимости учета этого расстояния следует скорректировать расчеты не только для определения ЬМЗ, но также и для других параметров, например, при расчетах £тах (см. ниже (16)).
Определим, каким образом при использовании вариообъектива будет изменяться зона обзора ВК в горизонтальной плоскости. Согласно [3] нижняя граница фокусного расстояния вариообъектива /тт выбирается для нормальных условий работы для требуемого значения а в соответствии с (1):
Изменение ближней границы зоны контроля находят, используя выражения (3) или (4).
Анализируя связь между изменением горизонтального углового поля зрения ВК а и изменением ее зоны контроля, например при использовании вариообъективов, приходим к следующему выводу: величины ближней (ЬБЗК) и дальней (ЬдЗК) границ изменяются практически прямо пропорционально изменению угла а только при малых значениях этого угла. Так, при изменении а от 10 до 2,5 приближенные значения границ зоны контроля будут отличаться от действительных менее чем на 0,6%. При использовании достаточно больших значений а степень неточности будет значительно возрастать, например, при том же 4-кратном изменении а от 400 до 100 погрешность вычисления зоны контроля составит более 16%. При этом происходит «приближение» как ЬБЗК, так и ЬдЗК по сравнению с их действительными значениями. Таким образом, приближенное вычисление границ зоны контроля, основанное на пропорциональном, относительно изменения угла а, пересчете значений ЬБЗК и ЬдЗК, допустимо только при малых (приблизительно до величины а = атах < 200 ) значениях зоны обзора ВК. При значительных угловых полях зрения видеокамеры следует использовать полный расчет по приведенным формулам.
Для оптимизации построения системы видеоконтроля производится сравнительная оценка реализации нескольких вариантов размещения ВК. В качестве критериев оценки, в том числе в дополнение к критериям охранных систем [6] при использовании СВК в интегрированных системах охраны [4], могут быть предложены специальные коэффициенты. Это коэффициенты контроля площади ККП и контроля объема ККО, которые определяют степень контроля наблюдаемых площадей и пространств данной ВК или СВК в целом, а также коэффициент заполнения экрана монитора X.
Следует отметить, что вводимые автором коэффициенты позволяют более успешно решать важнейшую задачу охранных систем - повышать эффективность обнаружения объектов (в частности, распознавание сигналов тревоги в СВК [7]) и оценивания вектора перемещения в видеодетекторах движения [8], а также получать более высокую степень интегрирования СВК и радиотехнических устройств охраны [9, 10].
Коэффициент контроля площади вычисляется по формуле
кКП = 5Ж/, (16)
где ^ЗК = (^ДЗК --АзК ) НЗК = АзКНЗК - площадь
2 т
зоны контроля, м ; ЬЗК — длина зоны контроля, м; *^шах — максимально возможная для данных условий площадь наблюдения, м2.
Максимально возможная площадь наблюдения представляет собой равнобокую трапецию (см. рис 1, а), ограниченную границами 2 и 7. Будем определять эту площадь через известные параметры — дальнюю границу обзора камеры ЬдОЗ и длину мертвой зоны:
¿тахДО^ МЗ-? )Ш(“/2). (17)
При этом следует обратить внимание на то, что на экране монитора для величины 5”тах граница мертвой зоны совместится с ближней границей зоны контроля, т.е. ЬМЗ = £бзк.
Коэффициент контроля объема рассчитывается по формуле
Кко = Узк/Уж , (18)
где Узк — объем зоны контроля, м3; Утах — максимально возможный для данных условий объем пространства наблюдения, м3.
Объем пространства наблюдения Утах представляет собой некоторую призму; для определения объема зоны контроля Узк из этой призмы
(19)
«вырезают» неоцениваемые пространства между границами 2 - 3 и 6 - 7 (см. рис. 1).
В результате проведения несложных, но громоздких вычислений получим следующие выражения для определения интересующих объемов:
ymaxH= L ctg(r + %)oi tgа)-°,5L2 [Л-|
V3K = (^"Д03 - LБЗК ) ctg ( Y + ß/2 ) :
LA03tg (a/2)- 0,5 (LR03 - LA3K) ctg {y - “2 -(LA03 - Lдзк) ctg (У + в/2
LÄ03tg (a) - °’5 (^03 - LД3К ) ctg [- - — J J ■ (2°)
3она контроля на экране видеомонитора, в силу специфики представления изображения, носит вид равнобокой трапеции (рис. 2). Проанализируем связь между геометрическими размерами зоны контроля и соответствующим этой зоне изображением на экране видеомонитора. Для определения искомой связи введем коэффициенты вертикального ki и горизонтального kh соответствия размеров для экрана видеомонитора:
k = L3K/ • k = H3K/
ki = /L, • kh = /H
ДГ3К
(21)
где Хн = ХдОЗ - ЬМЗ — вспомогательный параметр,
длина зоны наблюдения, м; НдрЗК = ХдЗК tg (^2) — ширина дальней границы зоны контроля, м.
Рис. 2. Зона контроля ВК на экране видеомонитора
Известно, что для наиболее эффективного наблюдения зона контроля должна занимать не менее 75 % площади видеомонитора [1]. Для выполнения этого условия при размещении ВК следует определять коэффициент заполнения Хз, представ-
ляющий собой степень заполнения экрана монитора изображением зоны контроля для каждой камеры. Используем для определения Аз коэффициенты соответствия к и к,; учтем также, что на экране видеомонитора воспроизводятся не действительные размеры зоны контроля, а некоторые приведенные величины.
Общая площадь изображения на экране видеомонитора (см. рис. 2) определяется выражением £м = ИЗ к Ь, в котором И'ЗК - ширина зоны контроля на экране видеомонитора, Ь - длина зоны наблюдения на экране видеомонитора. Площадь изображения зоны контроля на экране видеомонитора вычисляется по формуле БН = 0,5 (Н Зк к 1^ Зк ) I н • Следует отметить, что при необходимости можно определять и другие параметры зоны контроля или зоны обзора ВК, приведенные к размеру изображения на экране монитора.
После несложных преобразований окончательно получим:
Б'
Лз = -ЗК = 0,5(1 + к, )к • (22)
Бм
Как видно из (22), коэффициент Яз определяется параметрами наблюдаемой зоны; размеры экрана видеомонитора влияния на величину Аз не оказывают. Из требований, сформулированных в [1], следует, что Аз > 0,75. В то же время в большинстве практических случаев коэффициент Аз ограничен и по верхнему значению, поскольку изображение зоны контроля на видеомониторе имеет вид трапеции, если только ВК не размещена перпендикулярно плоскости зоны контроля в ее центре.
Получить требуемое изображение зоны контроля на видеомониторе можно путем подбора видеокамеры, использования видеокамеры с вариообъективом, а также изменением угла и высоты подвеса ВК.
Таким образом, показано влияние параметров видеокамеры на геометрические размеры зоны контроля; предложены критерии, позволяющие производить оптимизацию построения систем видеоконтроля и интегрированных систем охраны в целом; определено влияние параметров зоны контроля на ее изображение на видеомониторе системы видеоконтроля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гарсиа М. Проектирование и оценка систем физической защиты: пер. с англ. М.: Мир. 2002.
2. Волхонский В.В. Телевизионные системы наблюдения. СПб.: Экополис и культура. 1997.
3. Гедзберг Ю. М. Охранное телевидение. М.: Горячая линия-Телеком. 2005.
4. Магауенов Р. Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учеб. пособие. М.: Горячая линия - Телеком. 2004.
5. Никулин О. Ю. Системы телевизионного наблюдения / О. Ю. Никулин, А. Н. Петрушин. Минск: Оберег - РБ.
1997.
6. Воловач В. И. Критерии оценки качества охранных устройств // Научные исследования в сфере сервиса. Межвузовский сб. научных трудов ГАСБУ. М.: ГАСБУ.
1998. С. 89 - 92.
7. Воловач В. И. Особенности распознавания сигналов тревоги в телевизионных системах видеоконтроля // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006. Т. 2. № 1. С. 50-54.
8. Артюшенко В. М. Синтез рекурсивных алгоритмов оценивания вектора перемещения в последовательности телевизионных кадров / В. М. Артюшенко, В. И. Воловач, А. С. О. Мамедов // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации: сб. статей I Меж-дунар. заочной научн.-техн. конф. / Поволжский гос. унт сервиса. Тольятти: Изд-во ПВГУС. 2011. С. 29 - 35.
9. Воловач В.И. Определение размеров зон обнаружения радиотехнических датчиков охраны периметров объектов // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. №1. С. 100 - 104.
10. Воловач В.И. Накапливающаяся вероятность обнаружения объектов в зоне контроля радиотехнических охранных устройств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т. 7. № 1. С. 17 - 20.
Поступила 04.04.2012 г.
