Некоторые особенности выбора положения и ориентации телевизионных камерНекоторые особенности выбора положения и ориентации телевизионных камер
Многочисленные телевизионные репортажи о криминальных событиях с видеозаписями смутных силуэтов, из которых практически нельзя получить никакой скольконибудь существенной информации о преступниках, и наглядные примеры неправильной установки телевизионных камер на улицах по служили поводом для написания этой статьи. 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?! И это происходит при наличии большого количества публикаций в этом направлении, например, прекрасной серии статей А. Попова, работ Ю. Гедсберга и ряда других авторов. Рассмотрим особенности некоторых характерных задач установки телекамер(ТК), при которых зачастую допускаются ошибки, существенно снижающие реальные возможности телевизионной системы наблюдения. Очевидно, что выбор положения телекамер в пространстве в значительной степени влияет на функциональные характеристики ТВ систем наблюдения. В первую очередь на такие, как информативность изображения, его качество и размер контролируемой зоны. Этот выбор зависит от ряда общих факторов, а также от особенностей конкретной задачи построения ТВ системы наблюдения. Более того, эти факторы и особенности зачастую предъявляют противоречивые требования к выбору места положения, высоты установки и ориентации телекамеры. Поэтому при выборе упомянутых параметров обычно решается компромиссная задача.С этой точки зрения оптимизация выбора высоты установки и положения телекамеры позволяет практически при тех же затратах достичь выигрыша в ряде параметров. Например, увеличить размер контролируемой зоны, повысить инфор мативность изображения и/или улучшить его качество. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫСОТУ УСТАНОВКИРассмотрим основные факторы, влияющие на выбор положения телекамеры.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 ТЕЛЕКАМЕРЫОбычно в системах безопасности стоит задача обеспечить не только обзор некоторой зоны, но также и контроль состояния самой ТК. Это необходимо дляснижения вероятности несанкционированного воздействия на телекамеру какэлемент системы безопасности. С точкизрения защищенности телевизионной камеры высоту установки надо выбирать достаточно большой, чтобы минимизироватьвозможность прямого механического, атакже и других видов воздействия на ТК.Рассмотрим, каковы могут быть эти воздействия.
Рис.1 Повреждение телекамеры падающими сосульками С точки зрения исключения возможности рассмотренных несанкционированных действий высота установки ТК должна выбираться по возможности больше(конечно, в разумных пределах). По крайней мере, чтобы исключить прямые воздействия на камеру без использованиясредств «удлинения» руки – палки и томуподобных приспособлений. Если, конечно, это позволяет конструкция объекта.Однако следствием увеличения высоты установки при фиксированном расстоянии от контролируемой зоны будет увеличение угла наклона, приводящее к изменению ракурса. Последнее может вызывать недопустимые искажения, например,в задачах идентификации или распознавания действий. Эта особенность будетрассмотрена ниже. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТАЗачастую конструктивные особенности объекта, с одной стороны, позволяютрешить некоторые задачи защищенностителекамер, а с другой стороны, создаютограничения по выбору места их установки. Например, выбор места установки может определяться наличием на зданиикарниза, под которым можно установитьтелекамеру, чтобы избежать прямого воздействия осадков (дождя и снега) или повреждения камеры падающими с крышиснегом или сосульками. То есть повыситьее защищенность. На рисунке 1 приведенпример, когда не учет упомянутого обстоятельства привел к повреждению телекамеры. В то же время небольшое еесмещение влево (под балкон) легко позволило бы избежать этого. Другой пример – уже имеющиеся наконтролируемой территории столбы, накоторые можно установить телекамеру,также в определенной степени ограничивают выбор места ее установки. РАЗМЕРЫ ЗОНЫ ОБЗОРАПри прочих равных условиях, например, при постоянном угле обзора, размеры контролируемой зоны будут менятьсяв зависимости от высоты установки телекамеры. Поэтому, если требуется максимально увеличить размеры контролируемой зоны, этого можно добиться простоувеличением высоты установки. Но приэтом нельзя забывать о выполнении требований по разрешению и о влиянии изменения ракурса на получаемое изображение.Также определяющим фактором может быть уменьшение теневых зон приувеличении высоты установки. Поэтому,если требуется, к примеру, только видеоконтроль наличия объектов в контролируемой зоне, и в то же время изменениеракурса не влияет сколько-нибудь существенно на решаемую задачу, то такжеможно увеличивать высоту установки ТК. Ясно, что если увеличение высоты установки производится не с целью увеличения зоны обзора, то необходима коррекция фокусного расстояния объективав сторону увеличения его значения дляприведения размеров зоны обзора к требуемому. НЕПРОСМАТРИВАЕМЫЕ УЧАСТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯПри наличии в зоне телевизионногоконтроля различных предметов или объектов наблюдения появляются непросматриваемые участки изображения. Т.е. такназываемые «мертвые зоны». Такие зонымогут быть:
Во всех случаях появляется возможность преодолеть, по крайней мере, частьзоны, не попадая в поле зрения телекамеры. Например, зная место установки телекамеры, можно перемещаться по подземной стоянке, «прикрываясь» опорами истоящими автомашинами. Поэтому надоучитывать, что могут использоваться нетолько существующие непросматриваемыезоны, но и создаваемые искусственно. ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНАПри изменении угла наклона будетпроисходить изменение соотношений видимых и реальных размеров объектов. Т.е.будут появляться определенные искажения изображения объекта. Строго говоря,такие изменения будут иметь место и прификсированном положении камеры и меняющемся положении объекта в зоне обзора. Т.е. при изменении углового направления на объект наблюдения. Но дляначальной оценки будем полагать, что объект находится на оси телекамеры. Такжедля простоты будем полагать, что объектплоский и расположен вертикально. Если ось камеры перпендикулярнаплоскости наблюдения, то реальное изображение плоского объекта и его видимое изображение будут совпадать. При изменении высоты установки телекамеры и соответствующем увеличенииугла наклона видимый размер объектанаблюдения в горизонтальной плоскостиизменяется сравнительно мало или не меняется при соответствующей корректировке фокусного расстояния. Но в вертикальной плоскости он будетзависеть от угла наклона телекамеры. Последний, в свою очередь, обычно зависит отвысоты установки. На рисунке 2 для примера показаны видимые изображения объекта (показанного на рисунке 2, а) при телекамере, направленной к плоскостиобъекта под углами 30° и 45° на рисунках2, б и 2, в соответственно. Очевидно, чтопроисходит изменение соотношений между размерами видимого изображения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Величина таких искажений может характеризоваться коэффициентом K(?) линейных искажений равным соотношениювидимого DВид и реального DРеал размеров.Отличие будет определяться значением угла наклона телекамеры ? и будет равно: График, характеризующий распределениевеличины искажений изображения как функцию угла наклона ?, изображен нарисунке 3.
Видно, что при значениях угла больших 20°-25° искажения достаточно быстро возрастают, что необходимо учитывать при выборе значения Н высотыустановки телевизионной камеры.Также для объектов, находящихся внижней части зоны обзора, будут появляться дополнительные искажения. Поскольку появляется дополнительная составляющая угла наклона (или точнее углового направления на объект наблюдения). Это иллюстрируется на рисунке 4. Рис.2 Искажения видимого изображения Рис.3 Линейные искажения Рис.4 Изменение углового направления на объект Рис.5 Формирование изображения с большим углом наклона ТК Рис.6 Телевизионный контроль потока людей Рис.7 Телевизионный контроль потока людей с большей высотой установки ТК
Эта составляющая может достигатьзначения, равного половине угла обзора?/2 в вертикальной плоскости. Т.е. общее значение угла будет ?+?/2. И наоборот, для объектов в дальней части зоны обзора искажения будут меньше. Когда речь идет о решении задачи распознавания действий, то обычно особыхсложностей не возникает. Если же необходимо решить задачу идентификации, тоона может оказаться трудно решаемой илине решаться совсем. Особенно, если человек наклоняет лицо вниз, что существенно усугубляет ситуацию.Также надо ясно понимать, что реальные объекты не являются плоскостными.Поэтому фактические искажения будутнелинейными и могут быть значительнобольше.Реальный пример отсутствия учетарассмотренного фактора приведен нарисунке 5 [2].В этой ситуации формируется «видсверху» субъекта наблюдения. Очевидно,что сколько-нибудь существенной информации о нем из такого изображения неполучить. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПОТОКА ЛЮДЕЙОдна из типичных задач – телевизионный контроль потока людей. Например,проходящих по коридору. При выборе положения телекамеры и угла ее наклонанужно руководствоваться в первую очередь требованиями минимума геометрических искажений и минимума загораживания впереди идущими лиц идущих сзади.Для выполнения первого требования необходимо уменьшать высоту установки. Адля второго – увеличивать. Сказанное иллюстрируется на рисунках 6 и 7. Однако если они идут друг за другом(случайно или умышленно), то лица людей на заднем плане частично или полностью закрываются впереди идущим(рис. 6, б). Следовательно, у потенциального преступника есть возможность избежать видеофиксации. Рис.8 Выбор положения ТК Увеличение высоты установки(рис. 7, а) позволяет заметно уменьшитьопасность загораживания лиц впередиидущими (рис. 7, б). Однако очевидно,что при этом вследствие изменения ракурса появляются дополнительные искажения изображения в вертикальной плоскости.Поэтому нужен компромисс между упомянутыми критериями. Минимально требуемый угол наклона с точки зрения отсутствия загораживания может быть выбранследующим образом. Предположим, чтосубъекты наблюдения двигаются на расстоянии 1 м друг за другом, они одинаковогороста и размер лица составляет 25 см. Тогда из простейших геометрических рассуждений угол наклона должен быть равен?min = arctg0,25. Т.е. составляет около 16°.Если предположить разницу в росте 15 см,то минимальный угол будет около 25°.Искажения при этом (рис. 3) сравнительно невелики. Поэтому можно рекомендовать значения угла наклона, не превышающие 20-25°.
Для достижения таких углов необходимо уменьшать высоту установки (рис. 8,ТК2). Однако в помещениях с высокими потолками могут возникнуть дополнительныесложности с креплением камеры. Выходомиз положения может быть установка телекамеры на большей дальности с меньшим(требуемым) углом наклона. Например, какТК3 на рисунке 8. В этом случае надо установить ее на большем расстоянии от зонывидеоконтроля с сохранением поперечныхразмеров этой зоны (корректировкой фокусного расстояния).Дополнительным преимуществом такой установки может служить следующее.Потенциальный нарушитель, увидев телекамеру, на подходе к ней наклонит голову или прикроет лицо рукой. Вероятностьтаких действий для камеры, установленнойвдалеке, будет меньше. А качество изображения будет не хуже при сохранениипоперечного размера зоны обзора. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ВХОДОВ В ЗДАНИЕКак отмечалось выше, увеличение высоты установки приводит к росту искажений изображения наблюдаемого объекта,что требует уменьшения высоты. Но тогдавозникает противоречие с требованиемобеспечения защищенности телекамеры.Это противоречие можно разрешить, увеличивая расстояние до объекта наблюдения с одновременным увеличением фокусного расстояния объектива. Т.е.уменьшением угла обзора. Рассмотрим этуситуацию. Рис.9 Установка ТК вблизи входа в здание Типичным примером такой задачи является телевизионный контроль входа вздание. Обычным решением, часто встречающимся на практике, является установка телекамеры вблизи подъезда. Но тогда она направлена вниз под большимуглом (рис. 9). В этом случае решаетсяпрактически только задача фиксации входящих и выходящих людей. Поскольку накадре записанного изображения формирует «вид сверху» субъекта. Решить задачу идентификации практически невозможно, даже если субъект наблюдения непредпринимает никаких мер для того, чтобы избежать видеофиксации лица. Т.е., кпримеру, не наклоняет голову или не надевает кепку с козырьком (рис. 5).Также уменьшается и информативность изображения в целом – становитсятрудно, а зачастую и практически невозможно оценить рост, детали одежды и другие признаки субъекта. Кроме того, сравнительно небольшое расстояние досубъекта наблюдения может приводить ик необходимости увеличения угла обзора. Что, в свою очередь, снижает качество изображения. Для выбора более удачного решения сформулируем основныетребования для подобной задачи теленаблюдения. Это могут быть следующие.
Рис.10 Установка ТК в стороне от входа в здание В ситуации, приведенной на рисунке 9,фактически решаются только две последних задачи и то лишь частично.Возможности теленаблюдения в такой ситуации могут быть существенноулучшены при удалении телекамеры в сторону от объекта (рис. 10, ТК2).В этом случае при выборе положенияТК можно руководствоваться следующими соображениями.
Рис.11 Принуждение субъекта наблюдения к движению в определенном направлении Кроме того, изображение нижней части тела будет формироваться в противоположной от телекамеры части зоны обзора. Также этот недостаток может бытьвосполнен другими камерами, например,находящимися внутри здания.Конечно, возникает опасность, чтосубъект наблюдения в этом случае будет подходить со стороны телекамеры иуходить в сторону от нее. И его лицо непопадет в поле зрения. Но в рассматриваемой ситуации, по крайней мере, всеостальные задачи, сформулированныевыше, будут решены. Также можно искусственно создать условия, вынуждающие субъект наблюдения двигаться в направлении на камеру. Например, сделавступеньки перпендикулярно стене и ограждение, как показано на рисунке 11,чтобы объект был вынужден двигатьсяв направлении на камеру.При выборе положения телекамеры(справа или слева) надо учитывать конструкцию двери (в каком направленииона открывается), чтобы избежать загораживания ею субъекта. Установкасправа может быть предпочтительней,поскольку позволит также избежать загораживания лиц, спускающихся по ступенькам.Таким образом, рассмотренный вариант установки позволит уменьшить дополутора$двух метров вертикальный размер зоны обзора вблизи входа и получить либо полное ростовое изображение человека, либо изображение верхнейчасти туловища и головы. Т.е. полностьюили частично разрешить все сформулированные требования. Следовательно,данный вариант имеет преимущество посравнению с установкой ТК вблизи зоны наблюдения. ВИДЕОКОНТРОЛЬ ПАССАЖИРОВ, ВХОДЯЩИХ НА ЭСКАЛАТОРЕще один пример реальной задачи –видеоконтроль потока пассажиров, входящих на эскалатор. Типичный вариантустановки телекамеры приведен нарисунке 12, ТК1. Судить по внешним признакам о правильности установки однозначно нельзя. Так, если задача состоитв оценке ситуации перед входом на эскалатор, например, для обнаружения образующегося скопления пассажиров, чточревато давкой (рис. 12, ТК1), то камераустановлена правильно. Однако с точкизрения решения задачи идентификации –нет. Тем более что рассматриваемое место является практически идеальным дляэтого. Рис.12 Телевизионный контроль пассажиров на эскалаторе Возможности по решению задачиидентификации в данной ситуации весьма хорошие, поскольку ширина поля зрения может быть уменьшена до 1 метра.Это обеспечивает сама конструкция эскалатора. Но при таком расположении телекамеры, направленной на подходящихк эскалатору пассажиров сверху, их лицалибо будут отображаться с существенными искажениями, даже если субъект наблюдения не прячет от телекамеры своелицо, либо совсем не отображаться. Причины этого следующие.
Рис.13 ТК для контроля зоны вдоль здания Поэтому явно целесообразно сместитькамеру вниз по потолку и направить еегоризонтально на наклонную часть эскалатора, как показано на рисунке 12, ТК2. Тогда условия наблюдения существенно улучшатся по следующим причинам.
КОНТРОЛЬ ЗОНЫ ВДОЛЬ ЗДАНИЯРис.14 Неправильная ориентация ТК для контроля зоны вдоль здания Рассмотрим еще одну из типичныхошибок при установке телекамер. Нарисунке 13 показан такой пример, к сожалению, встречающийся на практике достаточно часто. Хорошо видно, что камера направлена практически параллельностене здания и поверхности земли. Оценим, к чему это приводит.На рисунках 14, а и 14, б показаны зоны обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. Закрашенные области соответствуют малоинформативным частям изображения(рис. 14, в) контролируемой зоны на экране монитора. Очевидно, что приблизительно половину правой части изображения занимает стена здания (что явно мало информативно). А из оставшейся частиизображения также приблизительно половину составляют небо и территория вблизи горизонта. Предполагаем, конечно, чтоу установщиков не стояла задача контроля воздушного пространства и состояниястены. Рис.15 Ориентация ТК для контроля зоны вдоль стены здания Рис.16 Изображение на экране Т.е. практически 3/4 всего изображения не несет полезной информации. А этоозначает, что просто правильной ориентацией можно увеличить ресурсы системыприблизительно в 4 раза без каких-либодополнительных материальных затрат.На рисунке 15 показана корректнаяориентация телекамеры в горизонтальной(рис. 15, а) и вертикальной (рис. 15, б)плоскостях, позволяющая уменьшить неинформативные участки изображения.Очевидно, что в этом случае происходит существенное увеличение эффективной зоны обзора и информативная частьизображения будет занимать большуючасть экрана (рис. 16, а).Также в этой ситуации может оказаться полезным сужение угла обзора. Тогдапри той же информативной части зоныобзора на экране, как в исходном случае,разрешение будет выше (рис. 16, б). Рис.17 Установка ТК для телевизионного контроля коридора
Подобные ситуации часто встречаются и с обзорными телекамерами, когдазначительную часть «красивого» изображения контролируемой зоны занимаетнебо и область вблизи горизонта с практически неразличимыми и обычно ненужными деталями. При этом правильная ориентация телекамеры, достигаемая простоувеличением угла наклона, позволит увеличить размеры зоны телевизионного контроля при абсолютно тех же ресурсах системы и затратах. Таким образом, приведенные вышерассуждения и примеры показывают важность такой, на первый взгляд, простойзадачи, как правильная ориентация камеры, позволяющая более полно и эффективно использовать ресурсы оборудованиясистемы.
КОНТРОЛЬУЗКОЙ ПРОТЯЖЕННОЙ ЗОНЫОдна из типичных задач – видеоконтроль коридора или узкой полосы территории, например, периметра. На рисунке 17показан такой пример, встречающийся напрактике достаточно часто.Предположим, что требуется осуществить видеоконтроль коридора от сеченияв точке А (от начала требуемой зоны обзора) до его конца. Очевидно, что телекамера должна располагаться таким образом,чтобы нижняя «мертвая зона» заканчивалась не далее точки А (рис. 17, б). Зачастую проектировщики интуитивно считают,что чем ближе камера к началу требуемойзоны обзора, тем качество изображениябудет лучше. Но это не так. Рассмотрим исравним два варианта расположения ТК –ближе к началу зоны обзора и дальше отнее. Очевидно, что сравнение надо вестипри одинаковом размере зоны обзора WH(в нашем примере соответствующем ширине коридора). Рис.18 Изображение на экране монитора для разного положения ТК На рисунке 18, а показано изображениеконтролируемого коридора на экране длятелекамеры ТК1. Ширина зоны обзора вточке А равна ширине коридора WH. В конце коридора – WК1. При таком положениителекамеры изображение стен, заштрихованных на рисунке, занимает значительную часть общего изображения, т.е. информативность достаточно низка.Располагая телекамеру в положении,соответствующем ТК2, необходимо откорректировать фокусное расстояние так, чтобы размер зоны обзора в точке А был также равен ширине коридора WH. Тогдаразрешение в этой точке будет равным дляобеих телекамер. В конце коридора ширина зоны обзора WК2 второй телекамеры будет меньше, чем в предыдущем случае. Т.е.WК1 > WК2. Следовательно, разрешение наобъекте в дальней зоне будет лучше, чем впервом случае.Кроме того, сужение угла обзора приведет к уменьшению на экране части изображения, соответствующего стенам. Т.е.мало информативной его части. И, следовательно, к увеличению в целом информативности изображения, формируемого ТК2по сравнению с ТК1. Соотношение изображения фигур, расположенных в начале иконце зоны обзора, дополнительно иллюстрирует сказанное.Ясно, что реальные задачи весьма разнообразны и не всегда приведенные выше рассуждения будут применимы. И потребуется учет других факторов иограничений. Например, для удаления телекамеры от объекта наблюдения потребуется объектив с большим фокусным расстоянием и предъявляются более жесткиетребования к креплению камеры. Такжеможет оказать влияние наличие в телекамере устройств ИК подсветки. Повлиять навыбор положения ТК может требуемая глубина резкости и многое другое.В данной статье не рассматривалисьтакие вопросы, как качество записанногоизображения (в первую очередь, разрешающая способность) и скорость записи. А, к сожалению, примеры из телерепортажей постоянно демонстрируют существенныеошибки также и в выборе этих параметров.Мутные изображения свидетельствуют либо о плохом качестве оборудования, в первую очередь телекамер и объективов, либоо неправильном выборе параметров сжатия(например, запись в формате CIF или с чрезмерно большим коэффициентом сжатия), либо о слишком низкой скорости записи. Так,на видеозаписи [2] избиения учительницы вСанкт-Петербурге (рис. 18) явно отсутствует момент нанесения удара – есть исходныйкадр, а на следующем уже резко отклонившаяся назад пострадавшая и завершающее движения руки нападавшего. А самого удара незафиксировано. Это означает, что скоростьзаписи выбрана слишком низкой.Поэтому, учитывая вышесказанное,можно говорить о необходимости профессионализма и серьезного отношения ковсем «мелочам» в системах безопасностив целом и в системах теленаблюдения вчастности. И это относится как к проектировщикам и установщикам, так и к заказчикам, принимающим систему, которым ипредстоит ее эксплуатировать.
В. Волхонский, профессор СПб Государственного университета информационных технологий, механики и оптики, руководитель направления систем безопасности ЗАО «Хоневелл» |