Выбор положения и ориентации TВ-камер

Вoлxoнский В.В., прoфeссoр СПб Гoсудaрствeннoгo унивeрситeтa инфoрмaциoнныx тexнoлoгий, мexaники и oптики, рукoвoдитeль нaпрaвлeния систeм бeзoпaснoсти ЗAO “Xoнeвeлл”
Т.e. тaк нaзывaeмыe «мeртвыe зoны». При нaличии в зoнe тeлeвизиoннoгo кoнтрoля рaзличныx прeдмeтoв или oбъeктoв нaблюдeния пoявляются нeпрoсмaтривaeмыe учaстки изoбрaжeния. Нaпримeр, знaя мeстo устaнoвки тeлeкaмeры, мoжнo пeрeмeщaться пo пoдзeмнoй стoянкe, «прикрывaясь» oпoрaми и стoящими aвтoмaшинaми. Вo всex случaяx пoявляeтся вoзмoжнoсть прeoдoлeть, пo крaйнeй мeрe, чaсть зoны, нe пoпaдaя в пoлe зрeния тeлeкaмeры. ВЛИЯНИE УГЛA НAКЛOНA
Выбoр пoлoжeния ТК
Грaфик, xaрaктeризующий рaспрeдeлeниe вeличины искaжeний изoбрaжeния кaк функцию углa нaклoнa γ,
сoстaвляeт oкoлo 16°.Eсли прeдпoлoжить рaзницу в рoстe 15 см, тo минимaльный угoл будeт oкoлo 25°.Искaжeния при этoм (рис. Oднaкo oчeвиднo, чтo при этoм вслeдствиe измeнeния рaкурсa пoявляются дoпoлнитeльныe искaжeния изoбрaжeния в вeртикaльнoй плoскoсти. Пoэтoму мoжнo рeкoмeндoвaть знaчeния углa нaклoнa, нe прeвышaющиe 20-25°. Пoэтoму нужeн кoмпрoмисс мeжду упoмянутыми критeриями. Выxoдoм из пoлoжeния мoжeт быть устaнoвкa тeлeкaмeры нa бoльшeй дaльнoсти с мeньшим (трeбуeмым) углoм нaклoнa. 8. Прeдпoлoжим, что субъекты наблюдения двигаются на расстоянии 1 м друг за другом, они одинакового роста и размер лица составляет 25 см. Т.е. 7, а) позволяет заметно уменьшить опасность загораживания лиц впереди идущими (рис. Например, какТК3 на рисунке 8. Потенциальный нарушитель, увидев телекамеру, на подходе к ней наклонит голову или прикроет лицо рукой. А качество изображения будет не хуже при сохранении поперечного размера зоны обзора. Тогда из простейших геометрических рассуждений угол наклона должен быть равенγmin = arctg 0,25. В этом случае надо установить ее на большем расстоянии от зоны видеоконтроля с сохранением поперечных размеров этой зоны (корректировкой фокусного расстояния). Минимально требуемый угол наклона с точки зрения отсутствия загораживания может быть выбран следующим образом. Для достижения таких углов необходимо уменьшать высоту установки (рис. Однако в помещениях с высокими потолками могут возникнуть дополнительные сложности с креплением камеры. 3) сравнительно невелики. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ВХОДОВ В ЗДАНИЕ Дополнительным преимуществом такой установки может служить следующее. Вероятность таких действий для камеры, установленной в далеке, будет меньше. Увеличение высоты установки (рис. Рис.
И это происходит при наличии большого количества публикаций в этом направлении, например, прекрасной серии статей А. Этот выбор зависит от ряда общих факторов, а также от особенностей конкретной задачи построения ТВ-системы наблюдения. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫСОТУ УСТАНОВКИ Поэтому при выборе упомянутых параметров обычно решается компромиссная задача. Гедсберга и ряда других авторов. Например, увеличить размер контролируемой зоны, повысить информативность изображения и/или улучшить его качество. Чего только стоят слова из репортажа, что ТВ-система «позволила составить описание преступника – среднего роста и крепкого телосложения» – это все, что смогла сделать самая информативная часть системы безопасности в настоящее время?! Более того, эти факторы и особенности зачастую предъявляют противоречивые требования к выбору места положения, высоты установки и ориентации телекамеры. Многочисленные телевизионные репортажи о криминальных событиях с видеозаписями смутных силуэтов, из которых практически нельзя получить никакой сколько-нибудь существенной информации о преступниках, и наглядные примеры неправильной установки телевизионных камер на улицах послужили поводом для написания этой статьи. Рассмотрим особенности некоторых характерных задач установки телекамер (ТК), при которых зачастую допускаются ошибки, существенно снижающие реальные возможности телевизионной системы наблюдения. С этой точки зрения оптимизация выбора высоты установки и положения телекамеры позволяет практически при тех же затратах достичь выигрыша в ряде параметров.
2009. 60-64. Волхонский В.В. № 2 (38). Критерии выбора разрешающей способности в системах теленаблюдения. www.ntv.ru 1. PROSystem CCTV.
Тем более что рассматриваемое место является практически идеальным для этого. 12, ТК1), то камера установлена правильно.    Однако с точки зрения решения задачи идентификации – нет. Типичный вариант установки телекамеры приведен на рисунке 12, ТК1. Еще один пример реальной задачи – видеоконтроль потока пассажиров, входящих на эскалатор.
При изменении угла наклона будет происходить изменение соотношений видимых и реальных размеров объектов. при изменении углового направления на объект наблюдения. Но для начальной оценки будем полагать, что объект находится на оси телекамеры. Т.е. Очевидно, что происходит изменение соотношений между размерами видимого изображения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отличие будет определяться значением угла наклона телекамеры γ и будет равно: Последний, в свою очередь, обычно зависит от высоты установки. Величина таких искажений может характеризоваться коэффициентом K(γ) линейных искажений равным соотношению видимого DВид и реального DРеал размеров. Также для простоты будем полагать, что объект плоский и расположен вертикально. будут появляться определенные искажения изображения объекта. При изменении высоты установки телекамеры и соответствующем увеличении угла наклона видимый размер объекта наблюдения в горизонтальной плоскости изменяется сравнительно мало или не меняется при соответствующей корректировке фокусного расстояния. Если ось камеры перпендикулярна плоскости наблюдения, то реальное изображение плоского объекта и его видимое изображение будут совпадать.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПОТОКА ЛЮДЕЙ Поскольку появляется дополнительная составляющая угла наклона (или точнее углового направления на объект наблюдения). Когда речь идет о решении задачи распознавания действий, то обычно особых сложностей не возникает. Поэтому фактические искажения будут не линейными и могут быть значительно больше. И наоборот, для объектов в дальней части зоны обзора искажения будут меньше. изображен на рисунке 3. Очевидно, что сколько-нибудь существенной информации о нем из такого изображения не получить. Также надо ясно понимать, что реальные объекты не являются плоскостными. Эта составляющая может достигать значения, равного половине угла обзора β/2 в вертикальной плоскости. Видно, что при значениях угла больших 20°-25° искажения достаточно быстро возрастают, что необходимо учитывать при выборе значения Н высоты установки телевизионной камеры. Реальный пример отсутствия учета рассмотренного фактора приведен на рисунке 5 [2].В этой ситуации формируется «вид сверху» субъекта наблюдения. Также для объектов, находящихся в нижней части зоны обзора, будут появляться дополнительные искажения. общее значение угла будет γ + β/2. Т.е.
   Рассмотрим еще одну из типичных ошибок при установке телекамер.
Однако если они идут друг за другом (случайно или умышленно), то лица людей на заднем плане частично или полностью закрываются впереди идущим (рис. А для второго – увеличивать. Например, проходящих по коридору. 6, б). Одна из типичных задач – телевизионный контроль потока людей. Сказанное иллюстрируется на рисунках 6 и 7. Для выполнения первого требования необходимо уменьшать высоту установки.    Следовательно, у потенциального преступника есть возможность избежать видеофиксации.
Если, конечно, это позволяет конструкция объекта. По крайней мере, чтобы исключить прямые воздействия на камеру без использования средств «удлинения» руки – палки и тому подобных приспособлений. С точки зрения исключения возможности рассмотренных несанкционированных действий высота установки ТК должна выбираться по возможности больше (конечно, в разумных пределах). На рисунке 1 приведен пример, когда не учет упомянутого обстоятельства привел к повреждению телекамеры. Последнее может вызывать недопустимые искажения, например, в задачах идентификации или распознавания действий. То есть повысить ее защищенность. Другой пример – уже имеющиеся на контролируемой территории столбы, на которые можно установить телекамеру, также в определенной степени ограничивают выбор места ее установки. РАЗМЕРЫ ЗОНЫ ОБЗОРА
Изображение на экране монитора для разного положения ТК Очевидно, что сравнение надо вести при одинаковом размере зоны обзора WH (в нашем примере соответствующем ширине коридора). 18. 17, б). На рисунке 17 показан такой пример, встречающийся на практике достаточно часто. Рис.
Поэтому, если требуется, к примеру, только видеоконтроль наличия объектов в контролируемой зоне, и в то же время изменение ракурса не влияет сколько-нибудь существенно на решаемую задачу, то также можно увеличивать высоту установки ТК. При прочих равных условиях, например, при постоянном угле обзора, размеры контролируемой зоны будут меняться в зависимости от высоты установки телекамеры. Но при этом нельзя забывать о выполнении требований по разрешению и о влиянии изменения ракурса на получаемое изображение. НЕПРОСМАТРИВАЕМЫЕ УЧАСТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Поэтому, если требуется максимально увеличить размеры контролируемой зоны, этого можно добиться просто увеличением высоты установки. Также определяющим фактором может быть уменьшение теневых зон при увеличении высоты установки.
Опубликовано: “Алгоритм Безопасности” № 3, 2011 год. Взято с http://www.os-info.ru
Принуждение субъекта наблюдения к движению в определенном направлении Рис.
То, что при этом не весь пассажир будет попадать в кадр, не имеет существенного значения – поскольку эскалатор движется, будет последовательно получено изображение всего человека целиком. Идущие впереди пассажиры закрывают собой лица идущих сзади. условия для решения требуемых задач телевизионного наблюдения становятся значительно лучше. Пассажиры стоят на ступеньках эскалатора, что практически сводит на нет загораживание сзади идущего впереди идущим пассажиром. 12. Это обеспечивает сама конструкция эскалатора. Тогда условия наблюдения существенно улучшатся по следующим причинам. Камера, направленная вниз, формирует искаженное изображение. Причины этого следующие. А если пассажиров много, то они и так закрывают нижнюю часть тела друг друга и такого вопроса не возникнет. Камеру можно направить прямо на лицо, практически исключив искажения. Рис. КОНТРОЛЬ ЗОНЫ ВДОЛЬ ЗДАНИЯ При угле горизонтального обзора 1 метр в вертикальной плоскости лицо (около 25 см) будет занимать приблизительно 1/3 экрана, соответствующего 0,75 м. Но при таком расположении телекамеры, направленной на подходящих к эскалатору пассажиров сверху, их лица либо будут отображаться с существенными искажениями, даже если субъект наблюдения не прячет от телекамеры свое лицо, либо совсем не отображаться. Встав на эскалатор, пассажиры обычно поднимают голову, что также уменьшает искажения. И задача идентификации может решаться на достаточно хорошем уровне. На подходе к эскалатору все естественно смотрят себе под ноги, наклоняя лицо вниз, что усугубляет искажения. Т.е.
Т.е. Например, для удаления телекамеры от объекта наблюдения потребуется объектив с большим фокусным расстоянием и предъявляются более жесткие требования к креплению камеры. информативность достаточно низка. На рисунке 18, а показано изображение контролируемого коридора на экране для телекамеры ТК1. Тогда разрешение в этой точке будет равным для обеих телекамер. Мутные изображения свидетельствуют либо о плохом качестве оборудования, в первую очередь телекамер и объективов, либо о неправильном выборе параметров сжатия (например, запись в формате CIF или с чрезмерно большим коэффициентом сжатия), либо о слишком низкой скорости записи. Рис. Соотношение изображения фигур, расположенных в начале и конце зоны обзора, дополнительно иллюстрирует сказанное. мало информативной его части. Соседние кадры видеозаписи происшествия А, к сожалению, примеры из телерепортажей постоянно демонстрируют существенные ошибки также и в выборе этих параметров. В данной статье не рассматривались такие вопросы, как качество записанного изображения (в первую очередь, разрешающая способность) и скорость записи. Ширина зоны обзора в точке А равна ширине коридора WH. И, следовательно, к увеличению в целом информативности изображения, формируемого ТК2 по сравнению с ТК1. Ясно, что реальные задачи весьма разнообразны и не всегда приведенные выше рассуждения будут применимы. 19. Располагая телекамеру в положении, соответствующем ТК2, необходимо откорректировать фокусное расстояние так, чтобы размер зоны обзора в точке А был также равен ширине коридора WH.
Телевизионный контроль пассажиров на эскалаторе
19) явно отсутствует момент нанесения удара – есть исходный кадр, а на следующем уже резко отклонившаяся назад пострадавшая и завершающее движения руки нападавшего. ЛИТЕРАТУРА: Это означает, что скорость записи выбрана слишком низкой. А самого удара не зафиксировано. Так, на видеозаписи [2] избиения учительницы в Санкт-Петербурге (рис. И это относится как к проектировщикам и установщикам, так и к заказчикам, принимающим систему, которым и предстоит ее эксплуатировать.
И его лицо не попадет в поле зрения. Таким образом, рассмотренный вариант установки позволит уменьшить до полутора-двух метров вертикальный размер зоны обзора вблизи входа и получить либо полное ростовое изображение человека, либо изображение верхней части туловища и головы. Конечно, возникает опасность, что субъект наблюдения в этом случае будет подходить со стороны телекамеры и уходить в сторону от нее. При выборе положения телекамеры (справа или слева) надо учитывать конструкцию двери (в каком направлении она открывается), чтобы избежать загораживания ею субъекта. Установка справа может быть предпочтительней, поскольку позволит также избежать загораживания лиц, спускающихся по ступенькам. Кроме того, изображение нижней части тела будет формироваться в противоположной от телекамеры части зоны обзора. Например, сделав ступеньки перпендикулярно стене и ограждение, как показано на рисунке 11,чтобы объект был вынужден двигаться в направлении на камеру. ВИДЕОКОНТРОЛЬ ПАССАЖИРОВ, ВХОДЯЩИХ НА ЭСКАЛАТОР Но в рассматриваемой ситуации, по крайней мере, все остальные задачи, сформулированные выше, будут решены.
вдоль здания
Очевидно, что в этом случае происходит существенное увеличение эффективной зоны обзора и информативная часть изображения будет занимать большую часть экрана (рис. Предполагаем, конечно, что у установщиков не стояла задача контроля воздушного пространства и состояния стены. Хорошо видно, что камера направлена практически параллельно стене здания и поверхности земли. На рисунке 15 показана корректная ориентация телекамеры в горизонтальной (рис. На рисунках 14, а и 14, б показаны зоны обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. Закрашенные области соответствуют малоинформативным частям изображения (рис. 13. 16. 14. А это означает, что просто правильной ориентацией можно увеличить ресурсы системы приблизительно в 4 раза без каких-либо дополнительных материальных затрат. Подобные ситуации часто встречаются и с обзорными телекамерами, когда значительную часть «красивого» изображения контролируемой зоны занимает небо и область вблизи горизонта с практически неразличимыми и обычно ненужными деталями. Тогда при той же информативной части зоны обзора на экране, как в исходном случае, разрешение будет выше (рис. 16, а). 15, а) и вертикальной (рис. Т.е. 14, в) контролируемой зоны на экране монитора. Установка ТК для телевизионного контроля коридора Рис. А из оставшейся части изображения также приблизительно половину составляют небо и территория вблизи горизонта.
ТК для контроля зоны
В общем случае положение телекамеры в пространстве определяется такими параметрами, как высота установки, расположение ТК относительно контролируемой зоны обзора и ее ориентация в пространстве. Очевидно, что рассмотрение этого вопроса не может осуществляться без учета особенностей выбора угла обзора и разрешающей способности системы [1]. ЗАЩИЩЕННОСТЬ ТЕЛЕКАМЕРЫ Рассмотрим основные факторы, влияющие на выбор положения телекамеры.
Механическое повреждение телевизионной камеры, приводящее к ее полной неработоспособности, к примеру, вандализм или умышленное воздействие с целью исключить возможность наблюдения. Это необходимо для снижения вероятности несанкционированного воздействия на телекамеру как элемент системы безопасности. Такие воздействия обычно осуществляются с использованием различных средств или приспособлений. В этом случае, если телекамера не имеет встроенных средств противодействия (скажем, функции подавления точечных источников излучения), то параметры формируемого изображения будут существенно меняться. В этом случае потеря изображения достаточно легко фиксируется оператором. К примеру, закрашивание может быть не полным, полупрозрачным, т.е. При изменении ориентации телекамеры непосредственной потери изображения не происходит. Обычно в системах безопасности стоит задача обеспечить не только обзор некоторой зоны, но также и контроль состояния самой ТК. Изменение ориентации телекамеры с целью создания непросматриваемых частей зоны и при этом сохранения формальной работоспособности устройства. Но его параметры меняются так, что реальное изображение при этом становится практически не пригодным для решения поставленных задач. Повреждение телекамеры падающими сосульками Поэтому целесообразно использовать конструкции телекамер, исключающие такие действия или позволяющие фиксировать их специальными датчиками. С точки зрения защищенности телевизионной камеры высоту установки надо выбирать достаточно большой, чтобы минимизировать возможность прямого механического, а также и других видов воздействия на ТК. Например, палки. Рассмотрим, каковы могут быть эти воздействия. Например, засветка в рабочем спектральном диапазоне.
Это противоречие можно разрешить, увеличивая расстояние до объекта наблюдения с одновременным увеличением фокусного расстояния объектива.    9. Вряд ли кто-то будет при этом ползком проникать в здание, даже если он имеет сведения о реальном поле зрения камеры. Но тогда возникает противоречие с требованием обеспечения защищенности телекамеры. Обеспечение оптимального угла наклона с точки зрения минимума искажений. Это могут быть следующие. Т.е., к примеру, не наклоняет голову или не надевает кепку с козырьком (рис. Оценка наличия сознательных действий по сокрытию лица от попадания в поле зрения камеры (как предварительного свидетельства последующих потенциально несанкционированных действий, т.е. Возможности теленаблюдения в такой ситуации могут быть существенно улучшены при удалении телекамеры в сторону от объекта (рис. А снизу либо поверхностью земли, либо даже выше, если не требуется получение изображения обуви или нижней части туловища, по крайней мере, в части зоны между основной зоной обзора и телекамерой. В этом случае при выборе положения ТК можно руководствоваться следующими соображениями. Получение информации об одежде входящего. Т.е. Но тогда она направлена вниз под большим углом (рис. 5).Также уменьшается и информативность изображения в целом – становится трудно, а зачастую и практически невозможно оценить рост, детали одежды и другие признаки субъекта. Для выбора более удачного решения сформулируем основные требования для подобной задачи теленаблюдения. Что, в свою очередь, снижает качество изображения. Это будет слишком заметно. 10, ТК2). Оценка некоторых биометрических параметров субъекта наблюдения (рост, особенности походки и т.п.). Как отмечалось выше, увеличение высоты установки приводит к росту искажений изображения наблюдаемого объекта, что требует уменьшения высоты. Обеспечение защищенности камеры. 9). Обычным решением, часто встречающимся на практике, является установка телекамеры вблизи подъезда. Для минимизации поля зрения можно ограничить его сверху ростом человека (например, несколько больше двух метров).