Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет геосистем и технологий»
(СГУГиТ)

А. Н. Поликанин

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ОХРАНЫ И ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ.
СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
И ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия для обучающихся по направлению подготовки
10.03.01 Информационная безопасность (уровень бакалавриата)

Новосибирск
СГУГиТ
2021

УДК 626.81
П501

Рецензенты: доктор технических наук, профессор, СибГУТИ О. Г. Мелентьев
доктор технических наук, доцент СГУГиТ С. Н. Новиков

Поликанин, А. Н.
П501
Технические средства охраны и видеонаблюдения. Системы видеонаблюдения и тепловизионного контроля [Текст] : учеб. пособие /
А. Н. Поликанин. – Новосибирск : СГУГиТ, 2021. – 46 с.
ISBN 978-5-907320-92-5
Учебное пособие подготовлено старшим преподавателем А. Н. Поликаниным на кафедре информационной безопасности СГУГиТ.
Пособие посвящено вопросам изучения телевизионных и тепловизионных
систем наблюдения, их основных характеристик и тактик применения. Содержит
практическую часть с примерами решения распространенных задач, стоящих перед специалистами-проектировщиками систем видеонаблюдения, таких как расчет и подбор объектива под конкретные условия наблюдения и определение дальности распознавания (идентификации) человека.
Учебное пособие по дисциплине «Технические средства охраны и видеонаблюдения» предназначено для обучающихся по направлению подготовки 10.03.01
Информационная безопасность (уровень бакалавриата).
Рекомендовано к изданию кафедрой информационной безопасности, Ученым
советом Институт оптики и технологий информационной безопасности СГУГиТ.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СГУГиТ

УДК 626.81

ISBN 978-5-907320-92-5

© СГУГиТ, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................ 4
1. Сетевое видео: обзор, преимущества .......................................................... 5
2. Применение систем сетевого видеонаблюдения ..................................... 10
3. Состав и характеристики телевизионных систем наблюдения .............. 14
3.1. Световая чувствительность ................................................................. 14
3.2. Объективы ............................................................................................. 15
3.2.1. Поле зрения камеры ................................................................... 16
3.2.2. Автоматическая и ручная диафрагма ....................................... 18
3.2.3. Глубина резкости ....................................................................... 19
3.3. Приемник излучения ............................................................................ 21
3.3.1. Общие характеристики приемника излучения камеры .......... 21
3.3.2. Спектральная чувствительность ............................................... 23
3.3.3. CCD-матрицы ............................................................................. 24
3.3.4. CMOS-матрицы .......................................................................... 24
4. Системы охранного телевидения ............................................................... 26
4.1. Состав систем охранного телевизионного наблюдения ................... 26
4.2. Расчет полей зрения и выбор объективов камер видеонаблюдения .............................................................................................. 27
4.3. Размещение камер ................................................................................ 31
4.4. Расчет дальности распознавания камер видеонаблюдения ............. 34
5. Системы тепловизионного контроля ......................................................... 36
Заключение ...................................................................................................... 44
Библиографический список............................................................................ 45

3

ВВЕДЕНИЕ
Современные системы телевизионного наблюдения – это, прежде
всего, сетевые структуры, способные легко масштабироваться, настраиваться и подбираться под запросы конкретного потребителя.
Переход к открытым видеосистемам в сочетании с преимуществами
сетей, цифровой визуализации и интеллектуальных систем обработки изображения камер дает гораздо более эффективное средство безопасности
наблюдения и удаленного мониторинга, чем когда-либо прежде.
Сетевое цифровое видео предоставляет все, что предлагало аналоговое
видео, а также более широкий спектр функций, применение которых возможно только с помощью цифровых технологий.
Прежде чем приступить к проектированию системы видеонаблюдения,
необходимо подумать, какие его функции требуется обеспечить. Не менее
важно учитывать такие факторы, как производительность, совместимость,
масштабируемость, гибкость и перспективная функциональность.
Данное учебное пособие представляет обзор и расчет основных параметров камер и систем видеонаблюдения, обеспечивая реализацию преимуществ и потенциала технологий сетевого видео.

4

1. СЕТЕВОЕ ВИДЕО: ОБЗОР, ПРЕИМУЩЕСТВА
Современное видеонаблюдение – это, прежде всего, сетевое видео.
Оно позволяет осуществлять передачу данных по проводному или беспроводному IP интернет-протоколу, как и многие другие виды связи, такие как
электронная почта, веб-сервисы и компьютерная телефония. Цифровое видео, аудио и другие данные могут передаваться через ту же самую сетевую
инфраструктуру.
В сравнении с аналоговыми, традиционными системами видеонаблюдения, сетевые предоставляют множество преимуществ. Особенно это касается охранного видеонаблюдения. В технической литературе принято
обозначение CCTV (Closed-Circuit TeleVision).
Сетевое видео, часто называемое IP-видеонаблюдением, использует
проводную или беспроводную IP-сеть в качестве магистрали для передачи
данных. При использовании технологии Power over Ethernet (PoE) сеть
также может использоваться для передачи питания на сетевые видеоустройства. Сетевая видеосистема позволяет контролировать и записывать
видео из любой точки сети, будь то в локальной сети (LAN), в глобальной
сети (WAN) или в Интернете [1].
Кроме того, возможность почти бесконечного масштабирования позволяет использовать подобные системы на объектах любого размера
и любой сложности с минимальными изменениями в концепции архитектуры.
Структура сетевой системы видеонаблюдения представлена на рис. 1.
Основные компоненты сетевой видеосистемы:
 сетевая камера;
 видео кодировщик;
 сеть;
 сервер и хранилище;
 управляющее программное обеспечение.
5

Рис. 1. Структура сетевой системы видеонаблюдения

Поскольку сетевая камера и видеокодировщик, используемый для подключения к аналоговым камерам, являются компьютерным оборудованием, у них есть возможности, с которыми не могут сравниться аналоговые
камеры видеонаблюдения.
Компоненты сети, сервера и хранилища являются стандартным
IT-оборудованием. Возможность использовать стандартное оборудование – одно из основных преимуществ сетевого видео.
Прочие компоненты сетевой видеосистемы включают аксессуары, такие как корпуса камер и переходники PoE, активные разветвители.
Основные преимущества цифровых сетевых видеосистем [1].
1. Основные компоненты – сетевые камеры, видеорегистраторы (кодировщики) имеют возможность удаленного доступа и настройки. Это позволяет пользователю просматривать записанные фрагменты или наблюдать
их в реальном режиме времени, находясь в любой точке мира, где можно
подключиться к глобальной сети. Особенно это важно, когда охрану
и наблюдение осуществляет сторонняя компания, охранное предприятие
или надзорный орган. В традиционной, аналоговой системе видеонаблюдения пользователи вынуждены находиться на конкретном месте, обычно
называемом пост наблюдения.
2. Обеспечение высокого качества изображения. В практическом видеонаблюдении высокое качество изображения имеет важное значение для
6

обеспечения четкой фиксации происходящего инцидента и идентификации
вовлеченных лиц или объектов. Современные сетевые цифровые камеры не
имеют стандартной развертки, диктовавшей определенное количество
строк кадра, вследствие использования стандартной же полосы пропускания телевизионного сигнала. Благодаря цифровым технологиям современная камера позволяет делать запись кадра с любой плотностью дискретных
элементов, ограниченных лишь максимумом полосы пропускания тракта
передачи данных. Кроме того, сохранение изображения происходит легче
и проще, чем в аналоговой системе.
Сегодняшние аналоговые системы используют цифровой видеорегистратор в качестве носителя записи. В результате происходит несколько
аналого-цифровых преобразований сначала для записи, а потом для воспроизведения. Захваченное видео ухудшается при каждом преобразовании
между аналоговым и цифровым форматами, а также с увеличением протяженности кабелей.
3. Управление событиями и интеллектуальное видео. Количество камер, установленных сегодня во всех общественных местах и на частных
территориях, обуславливает огромный объем записанного видео, просмотреть которые полностью не хватит времени у любого разумного количества
наблюдателей. При этом его нужно еще и правильно проанализировать
и интерпретировать. Цифровая видеокодировка позволяет использовать
встроенное программное обеспечение, анализаторы изображения, которые
автоматически исключают из записи или предоставления к просмотру
сцены, где ничего не происходит, либо включают алгоритм запрограммированной реакции на стандартные события без привлечения внимания человека. Все это недоступно в аналоговых системах.
Такие функции, как обнаружение движения, звуковая сигнализация обнаружения или сигнализация несанкционированного доступа, анализ событий. Все это позволяет сетевым камерам постоянно анализировать входные
данные для обнаружения события и автоматической реакции на события
с отправкой тревожных уведомлений. Функциональные возможности
управления событиями можно настроить под пользователя. Пользователи
могут определять сигналы тревоги или события с помощью установки разного рода «триггеров». Также можно настроить ответы на события (напри7

мер, запись на один или несколько сайтов как локальных, так и удаленных
в целях безопасности; активация внешних устройств, таких как сигнализация,
освещение и двери; отправка уведомления сообщения пользователям) [1].
4. Масштабируемость и гибкость. Как уже было указано, сетевая видеосистема растет вместе с потребностями пользователя. На базе IP-системы можно реализовать много сетевых камер и видеокодировщиков,
а также других цифровых устройств для совместного использования в одной проводной или беспроводной сети передачи данных. Таким образом,
любое количество сетевых видео продуктов может быть добавлено в систему без значительных или дорогостоящих изменений сетевой инфраструктуры. Это невозможно в аналоговой системе, где специальный коаксиальный кабель должен проходить непосредственно от каждой камеры
к аппаратуре просмотра / записи. Если требуется звук, также необходимо
использовать отдельные аудио кабели. В цифровой сети аппаратура может
быть размещена и подключена к сети практически из любого места, а система может быть как открытой, так и закрытой по желанию [1].
5. Экономическая эффективность. Система IP-видеонаблюдения обычно
имеет более низкую совокупную стоимость владения, чем традиционная
аналоговая система видеонаблюдения. Инфраструктура IP-сети часто
уже используется для других цифровых приложений в организации, поэтому сетевое видео может совмещать существующую инфраструктуру.
Кроме того, цифровые видеопотоки можно маршрутизировать по всему
миру, а не только внутри одной локальной видео сети. Затраты на управление и оборудование также ниже, поскольку серверные приложения
и хранилище работают на основе отраслевых стандартов на базе открытых систем серверов, а не на собственном оборудовании, таком как цифровой видеорегистратор в случае аналоговой системы видеонаблюдения.
Кроме того, технология Power over Ethernet, которую нельзя применить
в аналоговой видео системе, может использоваться в сетевой. PoE позволяет сетевым устройствам получать питание от коммутатора с поддержкой
PoE или переходника через тот же кабель Ethernet, который переносит данные (видео). PoE обеспечивает существенную экономию затрат на установку и может повысить надежность системы. Структура показана на
рис. 2.
8

Рис. 2. Структура системы Power over Ethernet

9

2. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ
СЕТЕВОГО ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
Сетевое видео можно использовать практически в неограниченном
числе применений, однако большая часть из них обычно связана с наблюдением службы безопасности или удаленным наблюдением за людьми, местами, имуществом и операциями.
Ниже приведены некоторые типичные возможности применений
в ключевых отраслевых сегментах [1].
1. Торговля. Сетевое видеонаблюдение в розничных магазинах обеспечивает значительное снижение краж, повышает безопасность персонала
и посетителей, оптимизирует управление продажами и движение товара.
При этом главным преимуществом можно считать то, что охранное наблюдение можно совместить и интегрировать вместе с системой удаленного
наблюдения за товаром и продажами, которые используются для записи
действий персонала и определения присутствия или отсутствия товаров на
полках магазина. Система может обеспечить быстрое обнаружение потенциальных инцидентов, а также любых ложных срабатываний, которые являются настоящим бичом всех систем безопасности.
Сетевое видео также может помочь определить наиболее популярные
зоны магазина и записать активность потребителей и покупательское поведение, установить, когда нужно пополнить полки, а когда нужно открывать
больше кассовых аппаратов из-за длинных очередей. Примеры видеонаблюдения в сфере торговли показаны на рис. 3.
2. Транспорт. Сетевое видео может повысить личную и общественную
безопасность в аэропортах, на автомагистралях, вокзалах и в других транспортных системах. Его можно использовать для мониторинга условий дорожного движения, чтобы уменьшить заторы и повысить эффективность
движения. Также его применяют для обеспечения соблюдения правил дорожного движения, фиксации превышения скорости и перемещений в запретных зонах или для обнаружения забытых вещей. Пример обнаружения
забытых вещей приведен на рис. 4.
10

Рис. 3. Видеонаблюдение в торговле

Рис. 4. Обнаружение забытых вещей

3. Образование. От детских садов до университетов сетевые видеосистемы помогают предотвратить вандализм и повысить безопасность сотрудников и учащихся. Пример видеонаблюдения приведен на рис. 5.
11

Рис. 5. Видеонаблюдение в учреждениях образования

В учебных заведениях, где уже есть ИТ-инфраструктура, сетевое видео
представляет собой более выгодное и экономичное решение, чем аналоговая
система, потому что новые кабели не требуются. Сетевое видео также можно
использовать для дистанционного обучения студентов и школьников без
личных посещений занятий.
4. Промышленность. Сетевое видео можно использовать для мониторинга и повышения эффективности производственных линий, процессов
и логистических систем, а также для обеспечения складского хозяйства
и систем управления запасами. Также можно использовать сетевое видео
для организации виртуальных встреч и получения технической поддержки
на расстоянии. Пример наблюдений на производстве приведен на рис. 6.

Рис. 6. Наблюдения за техническими процессами
12

5. Общественная безопасность. Сетевое видео – один из самых полезных инструментов для борьбы с преступностью и защиты граждан. Его
можно использовать для обнаружения профилактики преступлений. Возможности удаленного наблюдения позволяют полиции быстрее реагировать на преступления, совершаемые в данный момент.
Продукты сетевого видео используются для защиты всех видов общественных зданий: от музеев и офисов до режимных объектов. Камеры, размещенные на входах и выходах из здания, могут записывать, кто входит
и выходит 24 часа в сутки. Они используются для предотвращения вандализма и увеличения безопасности персонала.
С помощью интеллектуальных видеоприложений, таких как подсчет
входящих подсчета, сетевое видео может предоставить статистическую информацию, такую как количество посетителей в здании или количество людей и транспортных средств, проследовавших через определенную зону.
Пример видеонаблюдения представлен на рис. 7.

Рис. 7. Статистическое определение людских и транспортных потоков
13

3. СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ
3.1. Световая чувствительность
Существует ряд элементов камеры, которые влияют на качество изображения и поле зрения, поэтому важно понимать это при выборе сетевых
камер. Данные элементы включают в себя параметры светочувствительности, тип объектива, тип датчик изображения и технику сканирования,
а также функции обработки изображений.
Светочувствительность сетевой камеры часто указывается в люксах, что
соответствует уровню освещенности, при котором камера создает приемлемое изображение. Чем меньше характеристика в люксах, тем лучше светочувствительность камеры. Обычно требуется не менее 200 люкс для того, чтобы
осветить объект и получить изображение хорошего качества. В общем, чем
больше света падает на объект наблюдения, тем лучше изображение. При недостаточном освещении будет затруднена фокусировка и изображение будет
зашумлено или затемнено. Чтобы сделать снимки хорошего качества в условиях низкой освещенности или темноты, необходима ночная камера, которая
использует ближний инфракрасный диапазон.
Разные условия освещения обеспечивают разную освещенность. Многие природные сцены имеют довольно сложное освещение как с тенями,
так и с бликами, которые дают разную освещенность в люксах в разных
частях сцены. Поэтому важно помнить, что одно показание в люксе не означает освещенность сцены в целом. Типичные уровни освещенности представлены в табл. 1 [2].
Многие производители указывают минимальный уровень освещения,
необходимый сетевой камере для того, чтобы создать приемлемое изображение. Однако разные производители используют разные методы измерений и имеют разные критерии приемлемого изображения. Чтобы правильно
сравнить характеристики двух разных камер при слабом освещении, камеры должны быть размещены рядом и должны наблюдать за движущимся
объектом при слабом освещении.
14

Таблица 1
Уровни освещенности
Освещенность, лк
100 000
10 000
500–1 000
100
1–10
0,1

Условия
Яркий солнечный полдень, улица, безоблачное небо
Средняя уличная освещенность с переменной облачностью
Обычная офисная освещенность
Слабоосвещенная комната
Уличные сумерки
Лунная ночь

3.2. Объективы
Объектив – это набор линз. Объектив сетевой камеры выполняет несколько функций, которые включают:
 формирование поля зрения, т. е. определение того, насколько сцена
и уровень детализации должны быть обеспечены;
 управление количеством света, проходящего к приемнику изображения, чтобы оно было правильно построено;
 фокусировка путем регулировки элементов объектива или расстояния между объективом и приемником изображения.
Внешнее взаимное расположение элементов объектива и приемника
изображения (матрицы) можно представить на рис. 8.

Рис. 8. Основные элементы цифровой камеры
15

3.2.1. Поле зрения камеры
При выборе камеры следует учитывать необходимое поле обзора и степень детализации изображения. Поле зрения определяется фокусным расстоянием объектива и размером датчика изображения. Обычно оба параметра указаны в техническом описании камеры.
Фокусное расстояние определяется как расстояние между входной
линзой (или определенной точкой в сложной сборке линз) и точка, в которой все световые лучи, идущие из бесконечности, сходятся вместе (обычно
там расположен приемник излучения камеры). Чем больше фокусное расстояние, тем уже поле зрения.
Схематично эти основные размеры представлены на рис. 9.

Рис. 9. Эквивалентная схема камеры

Основные размеры камеры связаны соотношением, определяемым по
формуле

L Y
 ,
F Y'
где L – расстояние ведения съемки;
F – фокусное расстояние объектива камеры;
16

(1)

Y – размер наблюдаемой сцены;
Y ' – размер матрицы.
По полю зрения объективы можно классифицировать:
 на широкоугольные (угол изображения от 75° и больше) – короткий фокус;
 нормальные (угол изображения 30–65°) – средний фокус;
 длиннофокусные (угол изображения от 30° и меньше) – длинный
фокус.
Изменение фокуса напрямую влияет на увеличение деталей изображения с одновременным уменьшением поля зрения как в серии приближений,
показанной на рис. 10.

Рис. 10. Изменение увеличения и поля зрения сцены
17

3.2.2. Автоматическая и ручная диафрагма
В помещениях, где уровень освещенности может быть постоянным,
можно использовать объектив с ручной диафрагмой. Этот тип объектива
либо имеет кольцо для регулировки диафрагмы, либо диафрагма фиксируется на определенном числе f.
Объектив с автоматически регулируемой диафрагмой рекомендуется
для использования вне помещений и там, где освещение сцены постоянно
меняется. Освещенности сцены могут меняться в очень широких пределах,
как это видно из табл. 1, где между минимальными уровнями чувствительности камеры и максимальными разница в один миллион раз. В то же время
диапазон изменения времени накопления заряда матрицей составляет всего
лишь 2 000 раз. При превышении предельного уровня освещенности и переполнения заряда в ячейке матрицы будет происходить тотальная засветка
поля зрения, и на экране будет белое поле вместо изображения. Следовательно камера, применяемая вне помещений днем и в сумерках, на открытых солнечных пространствах должна обязательно иметь диафрагму. Диафрагма объектива выглядит как на рис. 11.

Рис. 11. Диафрагма объектива

Степень раскрытия диафрагмы определяется диафрагменным числом f,
показанным на рис. 12.
Апертура диафрагмы контролируется камерой и используется для поддержания оптимального уровня освещенности датчика изображения, если
18

настройки экспозиции и усиления не установлены. Диафрагму также
можно использовать для управления глубиной резкости (объяснено в разделе ниже) и для получения более четких изображений. Большинство линз
с автоматической диафрагмой управляется процессором камеры через постоянный ток (DC) и поэтому называется «DC-iris» линзы [3].

Рис. 12. Степень раскрытия диафрагмы
3.2.3. Глубина резкости
Критерий, который может иметь значение для прикладного видеонаблюдения, – это глубина резкости. Глубина поля резкости относится
к расстоянию перед и за точкой фокусировки, где объекты кажутся резкими
одновременно, как на рис. 13.

Рис. 13. Демонстрация глубины резкости
19

Глубина резкости зависит от степени раскрытия диафрагмы объектива.
Чем больше диафрагменное число (меньше раскрыта диафрагма), тем
больше глубина резкости, как показано на рис. 14.

Рис. 14. Зависимость глубины резкости от диафрагмы

Глубина резкости также зависит от размера фокусного расстояния объектива, как показано на рис. 15.

Рис. 15. Зависимость глубины резкости от фокусного расстояния

Глубина резкости может быть важна, например, при мониторинге парковки, где может возникнуть необходимость идентифицировать номерные
знаки автомобилей на 20, 30 и 50 метров одновременно.
С глубиной резкости и автодиафрагмой связана особенность применения камер на открытых пространствах. Особенность заключается в том, что
при монтаже камер в дневное время суток автодиафрагма автоматически
держит минимальную степень раскрытия, поскольку на матрицу падает
слишком большой поток света. В результате глубина резкости макси20

мальна, все наблюдаемые и интересующие пользователя объекты находятся в фокусе и видны резко. Однако в дальнейшем, в вечернее время суток, после установки камеры, при плохом освещении автодиафрагма расширяется до значений f/2,8 или даже f/2, глубина резкости значительно сжимается. При этом из поля зрения фактически выпадают все те объекты, которые до того были хорошо наблюдаемы в солнечный день. Поэтому при
монтаже камеры в яркий день необходимо применять светофильтры, снижающие поток излучения, падающий на матрицу, имитируя тем самым сумеречное освещение.
3.3. Приемник излучения
3.3.1. Общие характеристики приемника излучения камеры
В качестве приемника излучения в современных камерах применяется
матрица ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью). Матрица состоит из множества
светочувствительных элементов – пикселей. Внешний вид матрицы с набором элементов можно представить в виде, представленном на рис. 16.

Рис. 16. Светочувствительная матрица CCD
21

Англоязычная аббревиатура CCD (Charge-Coupled Device) переводится как «прибор с зарядовой связью». Число элементов матрицы определяет ее разрешающую способность. Каждый светочувствительный элемент
обеспечивает формирование одной точки результирующего изображения
на экране – пиксель (pixel), от английского фонетического сокращения слов
Picture Cell [1].
При прочих равных условиях, чем меньше размер одного элемента
матрицы, тем более высокое разрешение она имеет, поскольку способна передать более мелкие детали изображения. На рис. 17 показано, как изображение раскладывается до его элементарных частей в виде пикселей.

Рис. 17. Построение изображения пикселями

Размеры матриц обычно являются стандартными и условно измеряются в дюймах, соотношение сторон составляет 3 : 4.
Наиболее распространенные размеры матриц прибора с зарядовой связью (ПЗС) камер видеонаблюдения представлены на рис. 18.
При этом размер в дюймах не совпадает с реальным размером в миллиметрах, потому что дюймовое обозначение является условным, можно
сказать традиционным, унаследованным от обозначения форматов предыдущего поколения приемников излучения, – видиконов.
22

Рис. 18. Размеры матриц ПЗС

Все стандартные, применяемые сейчас форматы матриц, представлены
в табл. 2.
Таблица 2
Стандартные форматы матриц
Формат, дюйм

1''

2/3''

1/2''

1/3''

1/4''

1/5''

Ширина, мм

12,8

8,8

6,4

4,8

3,6

2,4

Высота, мм

9,6

6,4

4,8

3,6

2,4

1,8

По типам применяемых технологий матрицы можно разделить на
CCD-матрицы и CMOS-матрицы.
3.3.2. Спектральная чувствительность
Эта характеристика определяет спектральный диапазон восприятия
камеры. В целом, все цветные матрицы имеют график спектральной чувствительности примерно сходный с человеческим глазом, то есть от 0,4
до 0,8 мкм. Это определяется применением на матрице спектральных фильтров, предназначенных для разделения общего белого потока на составные
цветовые части стандарта RGB.
Однако черно-белые камеры не имеют таких фильтров, либо они могут
убираться при переходе из цветного в черно-белый режим, поэтому спектральная чувствительность такой матрицы определяется физическими спо23

собностями проникновения фотонов света в кремниевую структуру, то есть
до значения свыше 1,1 мкм. Спектральная характеристика матрицы представлена на рис. 19.

Рис. 19. Спектральная характеристика матрицы

3.3.3. CCD-матрицы
CCD (в русской аббревиатуре – ПЗС) датчики используются в камерах
более 40 лет и представляют собой множество преимуществ. Как правило,
они по-прежнему имеют немного лучшую светочувствительность и производят меньше шума, чем датчики CMOS. Более высокая светочувствительность обеспечивает более качественные изображения в условиях низкой
освещенности.
Однако ПЗС датчики дороже и сложнее встраивать в камеру. ПЗС матрица может также потреблять в 100 раз больше энергии, чем эквивалентный
датчик CMOS [1].
3.3.4. CMOS-матрицы
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) – комплиментарные полупроводники на основе оксида металлов (КМОП). Последние достижения в области КМОП-сенсоров приближают их к своим ПЗС-анало24

гам с точки зрения качества изображения. CMOS-датчики снижают общую
стоимость камер, поскольку они содержат всю необходимую логику, позволяющую облегчить формирование относительно всех элементов камеры.
По сравнению с ПЗС-матрицами КМОП-сенсоры предоставляют больше
возможностей интеграции и больше функций. CMOS-датчики также имеют
более быстрое считывание (что является преимуществом, когда требуются
изображения с высоким разрешением). Меньшее рассеивание заряда на
уровне подложки, а также в целом меньший размер системы. Мегапиксельные КМОП-сенсоры более доступны и менее дороже, чем мегапиксельные
ПЗС-сенсоры [1].

25

4. СИСТЕМЫ ОХРАННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
4.1. Состав систем охранного телевизионного наблюдения
Средства и оборудование систем видеонаблюдения позволяют организовать комплекс видеоохраны независимо от реальных эксплуатационных
условий и режимов их работы:
 при разном уровне освещенности объекта (от полной темноты до яркого солнечного света);
 при различной удаленности видеокамер от оборудования приема видеосигналов;
 с промежуточными постами видеоохраны, оснащенными аппаратурой отображения и записи;
 закамуфлировано под светильники, пожарные датчики, детекторы
движения;
 максимально эстетично, учитывая архитектуру и интерьер объекта;
 в автономном режиме без участия оператора.
В сочетании с устройствами охранно-пожарной сигнализации (ОПС)
и / или другими элементами защиты и сохранности объектов, телевизионные системы наблюдения значительно повысят их эффективность. Кроме
этого система видеонаблюдения существенно облегчает организацию
охраны объекта, поскольку силами одного оператора можно контролировать обстановку одновременно нескольких зон, объектов.
Телевизионная система охранного наблюдения обеспечивает решение
следующих задач:
 круглосуточное наблюдение за периметром здания и внутренними
помещениями, от которых напрямую зависит работоспособность объекта;
 круглосуточная видеозапись изображений со всех видеокамер с регистрацией времени, даты и номера видеокамеры;
 просмотр видеоинформации на посту охраны с помощью персонального компьютера;
26

 возможность просмотра видеодокументов (в ускоренном / реальном /
замедленном масштабе и режиме «стоп-кадр») без нарушения работоспособности всей системы или ее части, с возможностью поиска изображения
по дате, времени, номеру видеокамеры, сигналам тревоги;
 гарантированное хранение информации в течение двух недель;
 регистрация пропадания видеосигналов;
 приоритетное отображение на мониторах зоны, откуда поступил сигнал тревоги или сигнал с датчиков охранной сигнализации;
 при пропадании электропитания система может функционировать
не менее четырех часов.
Большинство систем охранного телевизионного наблюдения оснащаются следующими компонентами:
 телевизионные камеры;
 корпуса камер (стандартные, купольные, антивандальные, взрывозащищенные, термокожухи);
 видеорегистраторы или платы захвата для компьютерного монтажа;
 установочные элементы и элементы управления камерами;
 средства передачи сигнала (проводные и беспроводные);
 светофильтры и системы подсветки.
Большинство камер наблюдения систем безопасности оснащается
съемными объективами, позволяющими подобрать камеру под индивидуальные потребности конкретного объекта. Все объективы выполняются со
стандартной резьбой крепления и взаимозаменяемы.
4.2. Расчет полей зрения и выбор
объективов камер видеонаблюдения
Расчет необходимого фокусного расстояния для камеры достаточно
прост и зависит от размеров пространства, которое должно быть видно
наблюдателю в монитор камеры наблюдения – линейного поля зрения.
Пример расчета поля зрения приведен ниже. Расчет выполняется при
наличии масштабных планов помещения, с помощью которых возможно
точно измерить расстояния и дистанции в метрах.
27

Имеется помещение с окном и дверью, которое необходимо наблюдать
камерой. В поле зрения должны находиться окно и дверь, остальные части
помещения не требуют контроля, рис. 20.

Рис. 20. К расчету фокусного расстояния объектива

Сначала очерчиваются границы наблюдаемого пространства «дверь –
окно». Далее в пределах получившегося угла рисуется биссектриса и перпендикуляр к ней в любом произвольном месте между камерой и наблюдаемыми объектами. Этот перпендикуляр в пределах угла поля зрения будет
линейным полем зрения Y, его необходимо определить в метрах по масштабу плана помещения, тогда расстояние от камеры до этого перпендикуляра будет расчетной дистанцией L, также в метрах.
После этого необходимо представить данные расстояния уже вместе
с эквивалентной оптической схемой камеры в виде объектива и матрицы,
установленной на расстоянии F – фокусное расстояние объектива, рис. 9.
Эквивалентная оптическая схема включает горизонтальный размер матрицы.
28

Размер Y' – это ширина матрицы из табл. 2. Формат матрицы выбирается заранее, исходя из имеющейся в наличии камеры. Если камеры еще
нет, можно выбрать матрицу из наиболее распространенных в настоящее
время на рынке систем видеонаблюдения – это матрицы формата 1/4
и 1/3 дюйма.
Далее из соотношения подобных треугольников получаем величину
требуемого фокусного расстояния F из формулы (1).
Разумеется, полученное значение может не найтись в предложениях
поставщиков оборудования, поскольку номенклатура поставляемых объективов ограничена. Поэтому следует выбрать объектив с ближайшим фокусным расстоянием меньше расчетного, поскольку при выборе большего значения угловое поле зрения уменьшится и часть видимого пространства будет потеряна.
При прочих равных обстоятельствах следует помнить о том, что объективы с большим фокусным расстоянием имеют меньшее поле зрения,
но демонстрируют более детальную картину.
В большинстве случаев для целей видеонаблюдения в помещениях достаточно объективов с фокусным расстоянием менее 12 миллиметров.
Для ориентации в параметрах выбираемых объективов можно воспользоваться табличными данными некоторых производителей, приведенными
в табл. 3.
Таблица 3
Параметры стандартных объективов
Фокусное
расстояние

Формат
объектива

Формат чувствительного элемента
1/3 дюйма

1/2 дюйма

Асферические объективы
3,8 мм HSP

1/2 дюйма

68,8

89,2

6 мм HSP

1/2 дюйма

43,3

57,6

8 мм HSP

1/2 дюйма

34,0

44,9

Автодиафрагма
2,6 мм

1/3 дюйма

98,7

4 мм

1/3 дюйма

63,9
29

2/3 дюйма

1 дюйм

Окончание табл. 3
Формат чувствительного элемента

Фокусное
расстояние

Формат
объектива

1/3 дюйма

8 мм

1/3 дюйма

34,7

2,8 мм

1/2 дюйма

93,8

118,5

3,8 мм

1/2 дюйма

74,2

99,2

4,5 мм

1/2 дюйма

59,6

79,5

8 мм

1/2 дюйма

44,4

58,3

12 мм

1/2 дюйма

22,8

30,5

18 мм

1/2 дюйма

14,8

19,9

36 мм

1/2 дюйма

7,9

10,6

4,8 мм

2/3 дюйма

59,3

69,6

88,8

8,5 мм

2/3 дюйма

31,7

41,7

54,4

16 мм

2/3 дюйма

17,0

22,6

30,4

12,5 мм

1 дюйм

21,4

28,4

38,7

54,6

25 мм

1 дюйм

11,0

14,7

20,2

29,3

50 мм

1 дюйм

5,7

7,8

10,4

15,1

75 мм

1 дюйм

3,9

5,2

7,2

10,4

1/2 дюйма

2/3 дюйма

1 дюйм

Трансфокаторы
5,7–34,2 мм

1/3 дюйма

45,9–8,1

8–36 мм

1/3 дюйма

43,4–7,7

6–60 мм

1/3 дюйма

44,0–7,7

8–48 мм

1/2 дюйма

33,5–6,1

44,6–8,0

8–80 мм

1/2 дюйма

33,3–3,5

44,0–4,7

12–120 мм

1/2 дюйма

22,2–2,3

29,4–3,1

7,5–120 мм

1/2 дюйма

35,3–2,4

46,8–3,2

12,5–75 мм

2/3 дюйма

21,3–3,8

28,3–5,0

38,3–6,7

11–110 мм

2/3 дюйма

24,5–2,5

32,7–3,3

44,8–4,5

16–160 мм

1 дюйм

16,7–1,8

22,3–2,3

30,6–3,2

Игольчатые объективы
4 мм

1/3 дюйма

61,5

76,3

9 мм

2/3 дюйма

30,0

39,6

30

53,5

44,9–4,6

В данной таблице параметр «Формат объектива» означает, что данный
объектив может работать с матрицей соответствующего формата, обеспечивая ей максимальный размер поля зрения. То есть, если с объективом
формата 1/3 будет использована матрица формата 1/2, то часть поля матрицы не будет использована.
4.3. Размещение камер
Камеры наблюдения следует размещать в ключевых местах объекта, то
есть в тех, где наиболее вероятно проникновение нарушителя, и там, где
будут пролегать дальнейшие пути его движения.
Как правило, это коридор от главной двери, холлы, из которых путь
ведет в другие помещения, особо важные с точки зрения хранения материальных ценностей или обеспечения жизнеспособности объекта места.
При этом стоит помнить о том же принципе разумной достаточности,
что и при установке систем охранной сигнализации. Более того, так как
сама по себе камера наблюдения не является прибором, сигнализирующим
о вторжении, для того чтобы фиксация нарушения произошла, необходим
наблюдатель на пульте наблюдения. Однако при очень большом количестве камер эффективность его работы будет невысока.
Кроме того, желательно соблюдать общее правило установки камер
наблюдения – каждая из них должна находиться в поле зрения другой. Так
можно исключить возможные мертвые зоны.
Не стоит также увлекаться применением камер с дистанционным
управлением. Обычная стационарная камера с фиксированным направлением наблюдения и фокусным расстоянием гарантирует постоянный контроль самых вероятных мест вторжения. Камера же с ручным управлением
имеет некоторую вероятность быть отвернутой от места вторжения в тот
самый момент, когда оно происходит.
При размещении камер на плане объекта следует указывать их кодовое
обозначение и направление поля зрения. Примеры такого размещения приведены на рис. 21.

31

32

Рис. 21. Организация видеонаблюдения на этаже здания

Подключение камер к видеорегистратору следует оформить отдельной
структурной схемой с обозначением источника бесперебойного питания,
как показано на рис. 22.

Рис. 22. Структурная схема системы видеонаблюдения

33

4.4. Расчет дальности распознавания
камер видеонаблюдения
В ряде случаев необходимо решить задачу распознавания лиц людей,
посещающих объект, на некоторой дистанции. Задачей расчета является
нахождение максимального расстояния до объекта (в данном случае объектом является человек), при котором видеокамера, работающая совместно
с программным обеспечением цифровой системы видеонаблюдения, сможет распознать лицо человека.
В соответствии с существующей теорией автоматического распознавания цифровых изображений для успешного сравнения наблюдаемого
изображения лица человека с изображением, заложенным в памяти компьютера, изображение должно занимать участок матрицы размером не менее 25 × 25 элементов дискретизации.
Исходными данными для такого расчета должны быть: разрешение
матрицы (число элементов), ее размер и фокусное расстояние объектива.
Пример расчета приведен ниже.
Допустим, согласно исходным данным используемая матрица имеет
количество элементов 760 × 1 024, размер матрицы формата 1/2 дюйма,
то есть 4,8 × 6,4 мм. Фокусное расстояние объектива камеры равно
fоб = 8 мм.
Тогда размер одного элемента матрицы будет равен

Рэ 

Рм
,
Rм

где Р э – размер элемента матрицы, мм;
Rм – число элементов матрицы;
Р м – размер матрицы по вертикали, мм.

Проведем расчет
Р э = 4,8 / 760 = 0,0063 мм.

Размер изображения лица человека в этом случае будет составлять
Р л = Р э . 25 = 0,0063 . 25 = 0,158 мм.
34

(2)

Определим дальность распознавания в соответствии с рис. 23.

Рис. 23. Определение дальности распознавания

Величины на рис. 23 связаны друг с другом соотношением

L Л

,
F Рл
где L – расстояние до объекта мм;
F – фокусное расстояние объектива мм;
Л – размер лица человека;
Р л – размер изображения лица человека.
Тогда, преобразовав формулу (3), получим
L = (200 ꞏ 8) / 0,158 = 10 126 мм = 10,1 м.

35

(3)

5. СИСТЕМЫ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ
Тепловизор – устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается
на дисплее как цветовое поле, где определенной температуре соответствует
определенный цвет или градация серого.
Приемный элемент тепловизора работает в инфракрасном диапазоне,
расположенном после видимого на шкале частот электромагнитного спектра, представленной на рис. 24.

Рис. 24. Электромагнитный спектр частот

В отличие от видеокамер тепловизор воспринимает не отраженное от
объектов излучение посторонних источников, а собственное тепловое излучение нагретых тел [5].
В результате тепловое изображение представляет собой картину распределения яркостей (цветности), зависящей от температурного излучения
в данных точках объекта, рис. 25.
36

Рис. 25. Тепловое изображение

В охранных системах тепловизионная съемка активно применяется
в силу того, что тепловизор позволяет видеть человека и механизмы,
а также другие нагретые предметы в условиях, когда камера не может обнаружить объект, например, как на рис. 26.

Рис. 26. Изображение обычной камеры и тепловизионной

Тепловизионная съемка активно применяется в том числе и в условиях
абсолютного отсутствия света для обнаружения объекта, как показано на
рис. 27.
37

Рис. 27. Обнаружение человека в абсолютной темноте

Кроме того, тепловое изображение очень контрастно выделяет нагретые объекты на фоне холодных поверхностей, как показано на рис. 28.

Рис. 28. Контрастное тепловое изображение

Все это позволяет использовать тепловизионные камеры в системах
охранного телевидения для обнаружения нарушителей там, где применение
38

обычных камер сильно затруднено погодными условиями, темнотой или
листвой.
Особенно хорошо видны объекты с высокой температурой на холодном фоне, например на рис. 29 представлено изображение автомобиля, сделанное вскоре после остановки движения.

Рис. 29. Автомобиль с нагретым двигателем

На термосъемке отчетливо видно нагрев капота и дисковых тормозов
передних колес при общей температуре окружающей среды – 6 оС.
Тепловизионные системы активно применяются для контроля протяженных периметральных и площадных зон. Например, система тепловизионного контроля, установленная в порту Кале, позволяет своевременно
обнаруживать автомобили и людей, приближающихся к закрытым зонам
и периметрам (рис. 30, 31).
Таким образом, преимущество тепловизоров перед обычными видеокамерами в том, что они позволяют четко определять теплоизлучающие
цели на фоне слабонагретых поверхностей. Так, дальность обнаружения видеокамерой человека обычно не превышает 500 м даже на однородной поверхности. Если же имеется ярко выраженная растительность, то обнару39

жение может быть затруднено и с дальности в несколько метров, особенно
при применении противником маскировочных средств.

Рис. 30. Периметральный тепловизионный контроль территории

Рис. 31. Обнаружение человека, приблизившегося к охраняемой зоне
40

Дальность обнаружения человека с помощью тепловизора может превышать 1 км. При этом цвет его одежды, камуфляж не играют роли. Исследования показывают, что даже при отображении человека экраном тепловизора массивом пикселей всего 4 × 1 происходит его уверенное обнаружение как теплового объекта на общем темном фоне [6] (рис. 32).

Рис. 32. Обнаружение, распознавание и идентификация
в тепловом изображении человека

Для расчета дальности действия тепловизора с точки зрения обнаружения и распознавания пользуются так называемым критерием Джонсона, который говорит о том, сколько дискретных элементов изображения требуется для решения данной задачи.
Критерий Джонсона применяется для оценки распознавания в любых
визуальных системах наблюдения. Для тепловизионного применения
обычно пользуются следующими порядками чисел (табл. 4).
При этом следует учитывать тот факт, что понятия «распознавание»
и «идентификация» в данном случае отличаются от тех, что приняты в системах безопасности. Так, термин «распознавание» в безопасности означает считывание системой контроля доступа лица человека со всеми его характерными индивидуальными чертами. А термин «идентификация» – это
однозначное «узнавание» личности человека, сохраненное в системе.
41

Таблица 4
Минимальные значения критерия Джонсона (N)
при наблюдении человека
Решаемая задача при наблюдении
человека на основе критерия Джонсона

Число пикселей
по горизонтальной координате, N

Обнаружение

1‒2

Распознавание

4‒6

Идентификация

8‒12

В тепловизионной технике однозначное узнавание личности принципиально невозможно по причинам, изложенным ниже. Поэтому принятые
термины обозначают следующее: распознавание – это определение класса
наблюдаемого объекта (человек, животное, механизм и т. д.); идентификация – это определение важных характерных черт наблюдаемого объекта,
например наличие оружия. На рис. 32 идентификация произошла после различения системой наблюдения винтовки за плечом человека.
Однако существует ряд трудностей, связанных с применением тепловизионной техники в целях информационной и физической безопасности.
Основная проблема заключается в том, что невозможно различить рельеф лица человека, как и любой рельеф внутри контура изображения, если
он не отличается от основного фона по температуре.
Визуальное изображение, получаемое глазом или видеокамерой, создает картину распределений яркостей отраженного излучения в зависимости от наклона поверхностей, проще говоря, систему светотеней. В тепловом изображении распределение яркостей зависит исключительно от
нагрева отдельных элементов наблюдаемой поверхности и рельеф не играет здесь никакой роли. Если лицо человека будет нагрето равномерно, то
внутри теплового контура невозможно будет различить даже глаз или носа
с любого расстояния. Хотя бывает это крайне редко.
Поэтому распознать личность человека тепловым снимком невозможно.
Вторая проблема заключается в относительно слабых визуально-оптических характеристиках тепловизионных систем. Видеокамеры позволяют
сегодня получать изображения с количеством дискретных элементов (пик42

селей) в несколько десятков миллионов, что дает возможность идентифицировать личность человека с расстояния до 500 м [7], а распознавание
обычного текста на документе формата А4 или на экране монитора компьютера возможно на дистанциях до 40 м [8].
В то же время приемные элементы тепловизионных систем редко достигают значений 1 280 × 720 пикселей, то есть менее одного миллиона,
а самые ходовые матрицы – это обычно 640 × 480 дискретных элементов
изображения и меньше.
Кроме того, тепловизионная оптика не может показать таких же характеристик по пропусканию и исправлению аберраций, которые достигнуты
в визуальной оптике.
Ну и наконец стоимость. Современные тепловизионные системы имеют
стоимость выше визуальных примерно на порядок и более. Это серьезно
ограничивает внедрение тепловизоров в решениях по обеспечению безопасности и наблюдения.
Однако, как уже было указано, в ряде случаев, когда требуется обнаружение объектов на относительно больших дистанциях и особенно на слабо
нагретом тепловом фоне или в листве, а также в условиях ограниченной
видимости (в полной темноте, в тумане), тепловизоры незаменимы.

43

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Материал, изложенный в учебном пособии, поможет обучающимся
правильно ориентироваться в составе и характеристиках современных систем сетевого и охранного видеонаблюдения, а также даст представление
о возможностях тепловизионного контроля защищаемых объектов.
Теоретическая часть обеспечивает усвоение необходимого комплекса
знаний о составе телевизионных и тепловизионных систем наблюдения, их
основных характеристиках и тактике применения.
Практическая часть учебного пособия содержит примеры решения распространенных задач, стоящих перед специалистом-проектировщиком систем видеонаблюдения, таких как расчет и подбор объектива под конкретные условия наблюдения и определение дальности распознавания (идентификации) человека.
Содержание пособия полностью соответствует рабочей программе
дисциплины «Технические средства охраны и видеонаблюдения» направления подготовки 10.03.01 Информационная безопасность в части разделов, посвященных телевизионным охранным системам.

44

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Technical guide to network video [Электронный ресурс] / 2006-2009
Axis Communications AB. – Режим доступа: https://www.anixter.com/
content/dam/Suppliers/AxisCommunications/AxisDocuments/bc_techguide_
33334_en_0811_lo.pdf.
2. Дементьев А. Н. Электронные системы безопасности личности
и имущества. Ч. 2. Охранное телевидение : учеб. пособие. – Томск :
В-спектр, 2014. – 172 с.
3. Меркишин Г. В. Системы наблюдения: новые принципы построения. – М. : Радиотехника, 2014. – 160 с.
4. Фисенко Т., Черкасов А., Гончаров К. Система видеонаблюдения //
Всегда под рукой. – М. : СофтПресс, 2011. – № 7. – 20 с.
5. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных
приборов. – Л. : Машиностроение, 1983. – 696 с.
6. Дальность действия тепловизионных систем. Ч. 1. Методика расчета / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул, Ю. А. Фесько, А. Н. Поликанин // Автометрия. – 2014. – Т. 50, № 4. – С. 96‒101.
7. Chamoso, P. Computer vision system for fire detection and report using
uavs // Corchado J.M. RSFF. – 2018. – С. 40–49.
8. Polikanin A., Ignatenko N. Investigation of using quadcopter as a means
of acoustic and optic surveillance [Электронный ресурс] // Journal of Physics:
Conference Series. – November 2019. – Vol. 1488. – Tomsk, Russia. – Режим доступа: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1488/1/012020/pdf.

45

Учебное издание

Поликанин Алексей Николаевич

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ОХРАНЫ И ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ.
СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
И ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ

Редактор Ю. С. Мерзликина
Компьютерная верстка Н. Ю. Леоновой

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.
Подписано в печать 08.11.2021. Формат 60  84 1/16.
Усл. печ. л. 2,67. Тираж 65 экз. Заказ 147.
Гигиеническое заключение
№ 54.НК.05.953.П.000147.12.02. от 10.12.2002.
Редакционно-издательский отдел СГУГиТ
630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10.
Отпечатано в картопечатной лаборатории СГУГиТ
630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 8.