طراحی دوربین مدار بسته

طراحی دوربین مدار بسته

آموزش طراحی دوربین مدار بسته: نقطه شروع برای بررسی یک سیستم دوربین مدار بسته طراحی دوربین مداربسته می باشد. دریافت نمودن تصاویر و تبدیل آنها به سیگنال‌های ویدئویی وظیفه دوربین است. دوربین‌ها با همه ی تفاوت‌ها در مدل دارای بخش های  دارای شباهتی نیز می باشند.

در اصل می توان گفت همه دوربین‌ها لنز با قابلیت تنظیم فوکوس و زاویه تصویر  را دارا نیستند در صورتی که در خیلی از آنها این قابلیت را دارا می باشند . به کابل کوآکسیال ورودی BNC متصل می گردد.

مانیتور وظیفه نمایش تصاویر ضبط شده به وسیله دوربین مداربسته را بر عهده دارد. می‌تواند یک تلویزیون یا یک مانیتوربه عنوان  مانیتور یک سیستم مدار بسته به حساب آید که تفاوت آنها در واقع در نوع ورودی آنها می باشد . باید از ورودی آنالوگ برای تلویزیون استفاده نماید  درصورتی که مانیتور باید با سوکت VGAبه تقسیم کننده وصل گردد.

ایجاد تصویر در طراحی دوربین مدار بسته

CCDدر واقع مخفف اصطلاح Charged Coupled Device می باشد.

CCD یک ابزار الکترونیکی به شمار می آید که متشکل از میزان زیادی از دیودهای بسیار ریز حساس به نور است . بر روی چیپ CCD هر دیود موجود ولتاژی را تولید می‌ نماید که دقیقا نسبت مستقیمی با نوری که دریافت می‌کند دارا می باشد . در واقع دیودی که در معرض نور قرار داده نشود ولتاژی را نیز تولید نخواهد نمود ودر واقع عنوان رنگ سیاه به معنی عدم وجود ولتاژ تلقی خواهد شد . مشابها بیشترین نور بیشترین ولتاژ را تولید خواهند کرد و این بیشترین ولتاژ به منزله رنگ سفید تلقی می‌ گردد . سطوح نور بین این زیادترین و هیچ نیز ترکیبات متفاوتی از خاکستری و طوسی را تشکیل  نموده است. همچنین در دوربین‌های رنگی سیگنال‌های مرتبط به رنگ‌ها همراه با میزان نور دریافت می گردند.

یک چیپ CCD میزان نوری که را  قادر است دریافت کند بسیار محدود می باشد پس بدین باید به وسیله محدود کننده‌ها شکل نور ورودی به چیپ  CCD به مقداری خیلی کمتر از مقدار واقعی خود تبدیل یابد.

Sensitivity یا حساسیت ‌ به عقیده بسیاری یکی از خصوصیاتی بسیار مهم برای انتخاب دوربین مدار بسته است که در واقع میزان حساسیت آن را نشان می دهد.
حساسیت یک دوربین میزان نوری را نشان می دهد که برای ایجاد تصویر دوربین به آن نیاز دارد. هرچه میزان حساسیت دوربین بالاتر باشد برای ایجاد تصویر به نور کمتری نیاز خواهد بود.

نسبت سیگنال به نویز (Signal to noiseratio (S/n در طراحی دوربین مدار بسته

همان گونه که از اسم این ویژگی پیدا است نشان دهنده مقدار میزان نسبت سیگنال‌های تصویر و نویز موجود در تصویر تولید شده است . بر روی تصویر نویز ایجاد شده به شکل دانه‌های برفک مشخص خواهد شد و بر روی مانیتور موجب پایین آمدن توانایی تشخیص در تصویر نمایش داده شده خواهد شد. واحد نشان دهنده نسبت s/nدسیبل  dB می باشد . بدین گونه  این ویژگی  ممکن است به شکل یک نسبت همچنین  مشخص گردد . جدول زیر نشان دهنده میزان مقدار معادل دسیبل به نسبت سیگنال به نویز است.

dB نسبت
۱۰۰ ۱۰۰,۰۰۰:۱
۶۰ ۱,۰۰۰:۱
۵۰ ۳۱۶:۱
۴۰ ۱۰۰:۱
۳۰ ۳۲:۱
۲۰ ۱۰:۱
۱۰ ۳:۱

 

به عنوان نمونه مقدار دسیبل ۴۰ نسبت ۱۰۰ به یک را نشان داده می شود به بدین معنی صد برابر نویز تولید شده کمتر از سیگنال تصویر ایجاد شده است. از انجایی که احتمال می رود شما هیچ پیش فرضی از میزان مناسب s/nندارید در جدول زیر این نسبت را هم مقایسه کرده ایم:

 

dB S/N نسبت کیفیت تصویر
DB60 ۱,۰۰۰ عالی, هیچ نویز قابل تشخیصی وجود ندارد
DB50 ۳۱۶ خوب, کمی نویز در تصویر وجود دارد اما کیفیت خوب است
DB40 ۱۰۰ معقول, تصویر نسبتا خوب است اما همه جزئیات مشخص نیست
DB30 ۳۲ تصویری ضعیف است با حجم زیادی از نویز
DB20 ۱۰ تصویر غیر قابل استفاده است

 

Automatic gain control (AGC) کنترل بازده بطور خودکار

مکانیزم AGC به طور اتوماتیک ، هنگامی که نور ورودی به دوربین از حد مورد نیاز احتیاج برای ایجاد تصویر کمتر می‌شود، وارد عمل شده و اقدام به تقویت سیگنال ورودی می‌ نماید.  تا جایی این تقویت انجام می‌ گردد که برای تشکیل تصویر  سیگنال ورودی به حدی استاندارد رسیده باشد. از طرفی دیگر این تقویت سیگنال ورودی باعث ایجاد نویز اضافه در تصویر هم خواهد شد و بدین صورت  در نور پایین کیفیت تصویر دوربین به میزان قابل توجهی پایین می‌آید. در مکانیزم AGC با توجه نمودن به نوع تقویت کنندگی مقدار نویز تولیدی در نور کم ممکن است متفاوت باشد.

به علت بالا رفتن قابلیت‌های دوربین‌ مدار بسته های تحت شبکه ، استفاده از آنها نسبت به گذشته به صورت روزانه درحال افزایش می باشد و از این رو تلاش شده تا درادامه مطلب به برخی از این خصوصیت ها بپردازیم.

وضوح یا تفکیک پذیری

در دوربین‌ها تحت شبکه رزولیشن به پیکسل عنوان می‌ گردد با توجه به اینکه این دقیقا از دوربین‌های آنالوگ که رزولیشن آنان با تی وی لاین (TVL) مشخص می‌شد (تعداد خطوط افقی موجود در تصویر) متفوت است. به عنوان نمونه ۵۲۰ تی وی لاین در یک دوربین آنالوگ با رزولیشن ۷۵۲*۵۸۲برابری می‌نماید(که در نوع آنالوگ رزولیشن نسبتا بالایی به شمار می‌رود) به صورت دوربین‌های شبکه استفاده از دوربین‌های ۲ و ۳ مگاپیکسلی با سرعتی رایج شده و این دوربین‌ها این توانایی را دارند که تصاویری به مراتب بهتر از دوربین‌های آنالوگ ارائه  نمایند . هم اکنون حتی دوربین‌های شبکه با وضوح ۱۶ و ۲۰ مگاپیکسر هم موجود است . می‌توانند این دوربین‌ها تصاویر را با تمام جزئیاتشان به نمایش بگذارند. از این دوربین‌ها عموما به منظور مشاهده نمودن محیط‌های پهناور استفاده می گردد.

عملکرد در نور کم

عملکرد مناسبی دوربین‌های تحت شبکه ابتدایی در نور کم دارا نبودند و مکانیزم جبران‌کننده آنها هم در تصویر باعث کاهش تعداد میزان فریم‌ها شده است که منجر به یک تصویر بی کیفیت و نامنظم می شود . در صورتی که دوربین‌های کنونی این امکان را دارند که  حتی در نور یک لوکس تصویر نسبتا مناسبی را نیز ایجاد  نمایند و استفاده مناسب از نور موجود را بنمایند و در هر وضعیتی ۲۵ فریم در ثانیه را ایجاد نمایند.

عملکرد در شبکه

در رابطه با استفاده از دوربین‌های تحت شبکه به عنوان یکی از نگرانی‌های اساسی مسئولان شبکه تاثیرپذیری آنها بر روی شبکه و کاهش سرعت آن می باشد . زیرا که  حجم گسترده ای از اطلاعات مرتبط به دوربین باید در هر لحظه در شبکه به ویژه در دوربین وضوح بالا جابه جا  گردد و این می‌تواند با توجه به پهنای باند محدود شبکه باعث ایجاد اختلال در شبکه نیز باشد. با این وجود شبکه‌های گیگابایتی امروزی این امکان را دارند که به راحتی نصب این دوربین‌ها را پشتیبانی  نمایند و اگر که اختلال ایجاد گردد باید ظرفیت شبکه را افزایش  بدهند . برای جلوگیری از ایجاد اختلال در شبکه روش دیگر استفاده از کابل‌های داده و عدم نصب مستقیم دوربین‌ها به شبکه می باشد به گونه ای که تصاویر شبکه خاص خود را در سیستم دارا باشند.

محدودیت طول کابل

بر روی کابل  Cat5 داده‌ها دارای محدودیت مسافت تا ۱۰۰ متر می باشند . با این حال تقویت‌کننده‌هایی موجود هستند که به آسانی این مسافت را به ۲۰۰ متر افزایش می‌دهند و با استفاده از لوازم فشرده ‌تر می‌توان باعث افزایش این مسافت تا ۵۰۰ متر شد . با این وجود در زمان نصب دوربین‌های شبکه باید به محدودیت فاصله آنان و طول کابل هم مثل دوربین‌های انالوگ توجه نمود.

اصول ضبط دیجیتال در طراحی دوربین مداربسته

هر تصویر به تعدادی از پیکسل‌ ها یا نقطه ها در ضبط دیجیتال تقسیم می گردد. برای هر یک از این پیکسل‌ها مبدل انالوگ به دیجیتال ویژگی ها متفاوت آن پیکسل مانند رنگ و روشنایی را به اعداد دیجیتال تبدیل می نماید و یک تصویر را همگی اطلاعات این پیکسل‌ها با هم تشکیل داده اند و یک تصویر متحرک را مجموع تصاویر با هم و به ترتیب تشکیل می‌دهند . این امکان وجود دارد بر روی یک حافظه دیجیتال اطلاعات دیجیتال مرتبط به هر پیکسل ضبط گردد . می‌تواند ۴۵۰ کیلوبایت فضا را یک تصویر معمولی از یک دوربین تک فام (سیاه و سفید) اشغال نماید و این ظرفیت به ۶۵۰ کیلوبایت در یک تصویر رنگی خواهد رسید . باید به دنبال راهی از این سمت برای کاهش دادن میزان ظرفیت تصاویر باشیم . به وجود آمدن روش‌های مختلف کمپرس تصویر با وجود چنین ضرورتی موجب گردید.

یک فریم  تصویر می تواند  حجم زیادی از اطلاعات زائد را  دارا باشد. همه اطلاعات به شکل ساده‌ای در سیستم‌های انالوگ تصویر ضبط می گردند در صورتی که در یک سیستم دیجیتال این کار ظرفیت زیادی را اشغال خواهد نمود بدین صورت  از هر فریم باید اطلاعات زائد را جدا  نمود. در واقع جدا کردن در کیفیت تصویر ضبط شده تغییر محسوسی را ایجاد نخواهد کرد در صورتی که به شدت ظرفیت آن را کاهش خواهد داد. بیشتر روش‌های فشرده سازی تصویر محدودیتی در فشرده سازی را دارا می باشند و کیفیت تصویر به شدت در صورت فشرده کردن تصویر ،کاهش خواهد یافت و به نقطه‌ای که پس از آن کیفیت تصویر بصورت قابل توجهی افت می‌کند  Knee می‌گویند.

روش‌های متفاوت فشرده سازی تصویر در طراحی دوربین مدار بسته

به عنوان معروف‌ترین روشهای فشرده سازی تصویرها استاندارد  JPEGاسم خود را از گروه به وجود آورنده این استاندارد یعنی  Joint Photographic ExpertGroupگرفته است. در این روش فشرده سازی Knee در ۱:۸ (یک به هشت) صورت گرفته است. در تصاویر متحرک از استاندارد Motion JPEGیا M-JPEG استفاده می‌شود. در این استاندارد Knee در ۱:۱۵ رخ می دهد . بدین گونه ظرفیت یک تصویر ۴۵۰ کیلوبایتی به ۳۰ کیلوبایت با استفاده از استاندارد M-JPEGدر بیشترین مقدار فشرده سازی تغییر یافته است . در صورتی که این ظرفیت هنوز هم  ظرفیت خیلی زیادی می باشد زیرا  در مدت زمان۲۴ ساعت به فضایی بالغ بر ۶ گیگا بایت که در صورتی که حتی ۲ فریم در ثانیه هم ضبط داشته باشید نیاز خواهید داشت.

روش  MPEG روش نسبتا جدیدتر (نسبت به M-JPEG) است که به واسطه وسیله گروه Motion  Picture Expert Group طراحی و ایجاد شده است . این استاندارد این توانایی را دارد که نه تنها در هر تصویر بلکه در میان تصاویر متفاوت و مجاور هم بخش های اضافی یا مشابه را شناسایی و حذف نماید.

از هر تصویر سه فریم مختلف در روش  MPEG I ساخته می‌ گردد. فریم اول (I-frame) همه ویژگی ها و اطلاعات مربوط به ساخت تصویر مورد نظر را دارا می باشد . نام فریم بعدی فریم پیش‌بینی (P-frame) است و از I-frame تصویر قبلی ایجاد می گردد و به منظور ایجاد تصویر بعدی از آن استفاده می‌ گردد. از دو فریم قبلی و بعدی فریم آخر یا فریم پیشبینی دوتایی (B-frames) ساخته می گردد . بخش ‌های تکراری و زائد در این روش فشرده سازی در هر تصویر نه تنها بلکه بین تصاویر مختلف با استفاده از مقایسه فریم‌ها با هم حذف می‌ گردند و در این روش به این ترتیب ظرفیت تصاویر ضبط شده بسیار کمتر از روش JPEG می باشد.

اگر که  که تصویر گرفته شده از یک مکان با توجه نمودن به اصل مقایسه تصاویر دارای حرکت کمتر و عوامل ثابت بیشتری باشد (مثل تصاویر گرفته شده با دوربین‌های مداربسته ثابت) ظرفیت تصاویر از حالت‌های دیگر خیلی پایین تر خواهد بود و به همین علت این روش فشرده سازی امکان فشرده کردن تصاویر را تا نسبت ۱:۱۰۰ نیز فراهم می آورد.

نوع پیشرفته‌تری از فشرده‌سازی به روش  MPEG فرمت MPEG-2 می باشد با استفاده از این روش فشرده سازی می‌توان ۹۰ دقیقه از یک فیلم با کیفیت VHSرا در فضایی به بزرگی ۶۵۰ مگابایت ذخیره کرد . در تصاویر مجاور از طرفی قابلیت استفاده از  interframeیا حذف بخش‌های تکراری دارای محدودیت‌هایی نیز می باشد . اگر که تصاویر فشرده شده تغییرات دائمی و ناگهانی را دارا باشد به شدت میزان فشرده سازی تصاویر کاهش پیدا م یکند  به این دلیل در فرمت‌هایی که دارای قابلیت  interframe هستند ظرفیت تصاویر ضبط شده  در تصاویر تا حد زیادی به تغییرات هم وابسته می باشد.

جدول زیر نشان دهنده یک مقایسه کوتاه و مفید را بین روش‌های فشرده‌سازی تصاویر در دوربین‌ مدار بسته می باشد.

 

نوع فرمت KNEE باINTERFRAME
JPEG ۴ –۸:۱ این قابلیت را ندارد
M-JPEG ۱۰ -۱۵:۱ این قابلیت را ندارد
MPEG ۱۰ –۱۵:۱ ۱۰۰:۱
FRACTAL ۲۰ –۳۰:۱ >100:1
WAVELET ۳۰:۱ >100:1

 

نگاهی کلی به سیستم مدار بسته

در واقع سیستم دوربین مداربسته سیستمی می باشد که برای اتصال دوربین‌ها به نمایشگر در آن از یک مدار بسته استفاده شده است . به طور کلی بین یک سیستم مداربسته با یک سیستم انتقال تصاویر تلویزیون در طریقه انتقال تصاویر تفاوت وجود دارد. در سیستم انتقال تلویزیون به صورت باز انتقال تصاویر صورت می‌گیرد و به صورت آزاد امکان دریافت تصاویر موجود است با وجود اینکه در یک سیستم مداربسته تصاویر در مداری خاص به نمایشگرهای محدودی انتقال پیدا می نماید.

کاربردهای سیستم مداربسته

کابردهای امنیتی را می توانیم به صورت حتمی بزرگترین کاربرد سیستم‌های مداربسته بدانیم اما با وسعت یافتن این سیستم‌ها استفاده از آنها روزانه در بخش ‌های متفاوت گسترش پیدا می کند . در زیر به چندین مثال از کاربردهای خاص این سیستم‌های اشاره کرده ایم:

* نظارت بر ترافیک بر روی پل‌ها
* ضبط تصاویر در اجاق کیک پزی برای جلوگیری از ایجاد مشکل در حین پخت
* استفاده از توانایی ضبط Time lapseبه منظور انیمیشن‌های خمیری
* سیستم موقت سنجش سطح ترافیکی شهر
* استفاده در باغ وحش برای کنتل دائم حیوانات
* استفاده نمودن در ورزشگاه برای دیدن بهتر صحنه‌های بازی
* استفاده در اتوبوس‌ها برای جلوگیری از خرابکاری
با صدها کاربرد دیگر دوربین‌های مداربسته این لیست را می‌توانیم  پر کنیم.

ساده‌ترین سیستم مداربسته

ساده‌ترین نوع سیستم مداربسته فقط از بخش‌های اصلی یعنی دوربین، مانیتور و کابل رابط تشکیل شده است. بدون هیچ گونه واسطه و به طور مستقیم به دوربین کابل تصویر دوربین وصل می‌شود. این گونه سیستم فقط توانایی دیدن تصاویر را از یک دوربین و برای یک نمایشگر فراهم می سازد و امکان بازبینی تصاویر نیز وجود نخواهد داشت.

امکان نمایش دادن چندین دوربین با یک مانیتور قدم بعدی  می باشد . با واسطه یک سويچر در سیستم این امکان به وجود می‌آید. تصویر چند دوربین را به طور مجزا بر روی مانیتور به واسطه سوئیچر برای شما امکان پذیر می باشد. سوئيچر همچنین می‌توانسته است این امکان را فراهم کند تا صدا هم چنین از دوربین دریافت شود (البته در صورتی که دوربین میکروفن را دارا باشد). وقفه نمایش تصاویر در مدت زمان عوض کردن تصویر به عنوان یکی از معایب سوئیچر به شمار می آید . در سیستم‌های قدیمی فقط دوربینی که در آن لحظه در حالت نمایش بر روی مانیتور بود روشن می شد و مابقی دوربین‌ها خاموش می‌ماندند (چون امکان ضبط همه تصاویر باهم وجود نداشت) در زمان تغییر تصاویر بدین ترتیب مدتی طول می‌کشید تا تصویر درستی را دوربینی که تازه روشن شده بود ارائه دهد.

تغذیه دوربین‌ مدار بسته ها

تغذیه دوربین‌ها در یک سیستم مداربسته می‌تواند بشکل تغذیه مرکزی و تغذیه مجزا صورت بگیرد. در واقع هر یک از این روش‌ها خود  دارای مزایا و معایب ویژه می باشند.

این امکان را سیستم تغذیه مرکزی برای شما به وجود می‌اورد که همه دوربین‌ها تغذیه را از یک مکان کنترل  نمایند. شما می‌توانید این چنین برای دوربین‌ها از یک  UPS استفاده نمایید . در صورتی که مشکل بزرگ آن این می باشد که در منبع در صورت بروز عیبی باعث می شود تغذیه همه دوربین‌ها از کار بیوفتد. این چنین اگر در صورت بروز اتصالی این امکان وجود دارد که منبع تغذیه اصلی آسیب پیدا کند و به دین شکل باید شما هزینه بیشتری را پرداخت نمایید . در این گونه سیستمی بدین صورت اندازه طول کابل کشی هم افزایش می‌یابد چرا که باید از هر دوربین یک سیم تغذیه هم به منبع تغذیه (که عموما در محل نمایش تصاویر قرار دارد) برود.
در سیستم تغذیه به صورت جدا گانه به منظور هر یک از دوربین‌ها یک منبع تغذیه بصورت مجزا در نظر گرفته می‌شود. در این نوع اگر که مشکل رخ دهد فقط همان دوربین از مدار خارج میگردد و یا یک منبع تغذیه  فقط آسیب می‌بیند . عدم امکان کنترل شدن تغذیه دوربین‌ها از یک مکان عیب بزرگ چنین سیستمی به شمار می آید.

ضبط تصاویر

امکان ضبط تصاویر مرحله بعدی تکامل یک سیستم مداربسته  می باشد. برای ضبط تصاویر در گذشته از یک  Video Recorder استفاده می شده است که به صورت  به سوئیچر متصل شده و تصاویری را که بر روی مانیتور نشان  داده می‌شد را ضبط می نموده است.

هم اکنون  DVR ها و سیستم‌های  Stand alone این امکان را به شما می‌دهند که همه کنترل‌های مرتبط را علاوه بر امکان ضبط تصاویر با یک دستگاه به دست بیاورید که باعث پایین آمدن هزینه ، پیچیدگی و حجم سیستم مداربسته می گردند.

شرکت داده پردازان پارسوا

یک دیدگاه