Ptz камеры. PTZ-камера - что это такое? Общие сведения о PTZ-камерах

И.В. Олейник
Генеральный директор компании DSSL

Данный обзор посвящен способам управления скоростными поворотными интегрированными камерами SpeedDome.

Потребление скоростных поворотных камер серьезно выросло на рынке за последние 10 лет. Сказывается значительное снижение цены на эти устройства, а также рост их технических возможностей: скорости, оптического увеличения, функциональности. Теперь нормальная скорость вращения во время установки "пресета" достигает (часто превышает) 400 градус/с, оптическое увеличение давно перешагнуло 30-кратное значение, а некоторые камеры даже получили возможность следить за объектами в поле своего зрения самостоятельно. Современные цены на "купола" колеблются от 500 до 600 долларов на китайские марки до нескольких тысяч евро за известные японские, американские или европейские бренды. В отличие от отдельных поворотных механизмов, где управление осуществляется своей парой на каждую степень свободы (в основном переменным напряжением 24 или 220 В), в SpeedDome интегрирован приемник телеметрии, что позволяет управлять камерой всего по двум проводам (в случае RS-485; некоторые модели требуют 4 проводов для управления в дуплексном режиме) или по кабелю видеосигнала. Ну а IP-видеокамеры SpeedDome вообще не требуют дополнительных проводов управления, хотя обычно и имеют возможность работать "по старинке".

Контроллеры и клавиатуры

Самый простой и "древний" способ управления Speed Dome-камерой - с помощью клавиатуры, а также отдельного автономного устройства с собственным источником питания. Минимальная по стоимости клавиатура будет управлять поворотом и увеличением только с помощью кнопок и протокола RS-485. Кнопок вполне достаточно, когда нужно только настроить камеры и потом управлять, например, пресетами. Но если оператору необходимо постоянно управлять камерами, пульт будет сильно замедлять его работу. Для таких случаев намного удобней будет пульт, имеющий джойстик, - он позволяет управлять камерой сразу в двух координатах, фокусным расстоянием объектива, а также скоростью поворота одним движением руки. Чем выше стоимость клавиатуры, тем большим количеством дополнительных возможностей (например, управление видео регистраторами, отображение сигналов от видеокамер и регистраторов на встроенном TFT-мониторе) она обладает. Работу с видеорегистраторами ограничивает только то, что они должны быть выпущены той же компанией, что и клавиатура; с управлением видеокамерами таких проблем нет - обычно пульты поддерживают несколько протоколов, а значит, вы сможете управлять камерами от разных производителей. С появлением IP-видеокамер встал ребром вопрос о пультах-контроллерах для них. Конечно, почти все поворотные IP-видеокамеры имеют возможность управления через RS-485, однако тащить дополнительные провода, когда уже есть цифровая сеть с высокой пропускной способностью, бессмысленно. Единственный недостаток Ethernet-сети на медном UTP, являющейся базой для 99% IP-видеосистем, по сравнению с аналоговой - небольшая длина сегмента от устройства до коммутатора (около сотни метров, если не использовать оптику).

Возможности PTZ-камер

Здесь можно говорить о двух вещах. Первое - некоторые видеокамеры обладают встроенными средствами расширенного управления. Настроенная соответствующим образом видеокамера ведет постоянное наблюдение с максимальным углом обзора. Когда встроенный детектор обнаруживает движение, камера приближает данный участок и "ведет" движущийся объект по мере возможности. В момент такого сопровождения, камера "не видит" окружающей обстановки и не может переключиться на другой объект, не вернувшись в исходное положение с минимальным zoom. Конечно, не все камеры обладают даже встроенным детектором движения, не говоря уже об автоматическом сопровождении.

Второе касается только IP-видеокамер. Выше уже говорилось, что IP-камерой Speed Dome можно управлять как с помощью обычного пульта, так и IP-пульта. Однако IP-поворотные камеры в каком-то смысле являются самодостаточными устройствами и "имеют на борту" Web-сервер. Зайдя с любого компьютера через Web-браузер, вы сможете получить изображение c камеры, настроить ее параметры и управлять поворотным механизмом и объективом. Здесь предлагается 2 способа - простой, имитирующий кнопки пульта управления и позволяющий одновременно управлять двумя координатами, и продвинутый, отличающийся у каждого производителя в деталях. Здесь вы управляете поворотом и масштабированием при помощи компьютерной мыши. Начертив прямоугольник в любой части окна камеры, вы заставите ее приблизить данный участок или, приблизив курсор к краю изображения, получите подсказку-стрелку; которой сможете двигать камеру в нужном направлении (у левого края - налево, у правого - направо и так далее).

Управление с помощью DVR non-PC

Управление поворотными камерами уже очень давно является неотъемлемой базовой функцией видеорегистраторов. Только очень дешевые и очень ограниченные функционально DVR могут позволить себе ее отсутствие. Камеры с non-PC DVR управляются в 99% случаев с помощью интерфейса RS-485. Некоторые новые гибридные регистраторы, способные работать как с аналоговыми, так и IP-видеокамерами, могут поддерживать управление по IP. По способу управления все DVR можно разделить на 3 типа: управляющие с помощью клавиатуры видеорегистратора (с передней панели), управляющие только мышью (для регистраторов, где клавиатура отсутствует) и DVR, поддерживающие оба варианта. Первый вариант приемлем только для тех, кто очень редко использует ручное управление поворотными камерами (камеры настроены обходить "пресеты" или "туры" в автоматическом режиме). В большинстве случаев использование передней панели видео рекордера для управления PTZ-камерой - это сущее мучение, так как работать приходится исключительно с кнопками в ограниченном количестве: никаких 3D-джойстиков. Управление мышью также может сильно разнится. Простой вариант -это имитация того же ограниченного набора кнопок с передней панели, он ненамного удобней. Другие видеорегистраторы могут использовать приблизительно тот же механизм, который описан в предыдущем разделе и представлен в основном у IP-видеокамер. Конечно, настраивать все придется с помощью тех же кнопок или экранного меню, но это единственный вариант для всех регистраторов. Итого: мышь - хорошо, клавиатура - не очень. Радует то, что регистраторов, управляемых мышью, становится все больше, но и у последних внутреннее программное обеспечение может сильно различаться.

Способы управления, перечисленные выше, имеют один общий недостаток. Любая Speed Dome-камера имеет 2 скорости управления. Скорость управления в ручном режиме не превышает обычно даже и половины скорости поворота камеры в момент использования пресетов. При этом очевидно, что чем выше скорость такого ручного управления, тем меньше аккуратность, точность позиционирования камеры на интересующем участке или объекте. Здесь можно отметить, что камера используется не на все 100% возможностей, в нее заложенных, и эффективность ее использования могла бы быть выше. С этой задачей призваны справляться новые компьютерные интерфейсы и разработки.

Программное обеспечение (PC-based DVR)

Компьютерные видеорегистраторы всегда опережают по возможностям non-PC. Во-первых, новые технологии, особенно ресурсоемкие и сложные, проще разрабатывать и отлаживать на компьютерах, а во-вторых, конкуренция с DVR на базе встроенных процессоров заставляет тех же разработчиков постоянно добавлять новые функции и возможности, делать свое программное обеспечение более гибким и мощным. Что же нового предлагают нам разработчики программ для видеорегистрации и управления поворотными камерами? Если отбросить вариации, связанные с интерактивностью управления непосредственно на изображении, или имитацией 2D-джой-стика, то отдельно можно выделить 3 категории новинок (интерфейсов). Первая - добавление возможности автоматического управления тем камерам, которые не имеют ее изначально, то есть управление камерой с помощью детектора движения в программном обеспечении. Такие детекторы могут быть более мощными и развитыми, чем встроенные в камеры. Вторая и третья связаны с использованием минимум еще одной видеокамеры (обзорной), поле зрения которой совпадает полностью или частично с поворотной при минимальном значении фокусного расстояния.

Ручное управление

В этом режиме связка обзорной и поворотной камеры дает возможность оператору управлять поворотной камерой одним кликом мыши или, выделив ею прямоугольный участок изображения с обзорной, получить его оптически увеличенным с помощью поворотной. При этом исчезает сразу 2 недостатка интерфейсов, описанных выше, управление производится со скоростью1, максимально доступной для видеокамеры (обычно заявленной как скорость позиционирования по пресетам), и оператор не теряет из поля зрения охраняемую территорию - он видит и всю ситуацию в целом и ее детали с максимальным оптическим увеличением, поэтому может так быстро наводить камеру из одного положения в другое, как не смог бы с помощью традиционных интерфейсов.

Свою роль в скорости управления играет и то, что Speed Dome-камере нет необходимости возвращаться в обзорное положение для того, чтобы выбрать новый объект, а это, как было уже отмечено, самая медленная часть позиционирования. Когда камера позиционируется без сильных изменений масштаба изображения (почти не используя zoom), скорость значительно возрастает.

Автоматическое управление

Здесь подразумевается та же связка обзорной и поворотной камеры. Детектор движения анализирует изображение с обзорной камеры и подает команды для поворотной - теперь управление происходит полностью в автоматическом режиме. Подобного рода системы появились уже много лет назад, правда, тогда они работали по пресетам - каждому квадрату изображения обзорной камеры назначалась своя позиция, а как мы помним, Speed Dome может иметь до 256 пресетов. Однако теперь разработчики используют возможности не только современных детекторов, но и видеокамер. Детекторы достаточно "умны", чтобы передавать не просто координаты объекта, но и вектор его движения, так как пока камера будет поворачиваться к объекту, он может уже сместиться. А камеры имеют возможность не только работать по пресетам, но и выполнять прямые команды на установку по определенным координатам; они также обладают достаточной скоростью. Нужно лишь заметить, что не все Speed Dome-камеры даже из среднего ценового диапазона будут эти функции поддерживать. Не стоит рассчитывать, что китайский noname окажется таким же быстрым и будет иметь полностью реализованный протокол, тем более заимствованный. Если в поле зрения обзорной камеры появится несколько объектов, поворотная будет переключаться между ними, следя за каждым в течение установленного времени. Сегодня некоторые разработчики поставляют системы, где возможны и одновременное управление несколькими Speed Dome-камерами, и практически неограниченные комбинации обзорных и поворотных камер, когда вы можете иметь живую картину происходящего на 360° вокруг, одновременно обеспечивая высокое разрешение и детализацию движущихся объектов. Казалось бы, с ростом разрешения, когда уже встречаются цифровые видеокамеры на 5, 8 Мпкс и более, надобность в таком решении не так уж высока. Но оптический zoom пока сложно заменить, а связка обзорной и поворотной видеокамер с использованием, например, 35-кратного увеличения дает эквивалент разрешения системы более чем на 300 Мпкс - достигнуть такого же результата цифровые камеры смогут нескоро. Опять же использование мегапиксельных обзорных и поворотных камер всегда будет подвигать этот барьер вперед. Конечно, данная система имеет и недостатки. Во-первых, как было сказано, не все поворотные камеры совместимы, и не все они являются достаточно быстрыми для слежения за объектами, движущимися с большой угловой скоростью. Во-вторых, система увеличивается в цене (впрочем, плата того стоит - как и любое увеличение функциональности, повышающее безопасность объекта или вашего предприятия). В-третьих, система требует калибровки - задание соответствия координат обзорной и поворотной камер (хотя здесь есть положительные сдвиги - для некоторых камер требуется задать всего 9 точек привязки координат, а остальные система рассчитает сама).

Можно отметить, в каком направлении стоит ожидать развития технологии ручного и автоматического управления:

Конечно, не стоит уповать полностью на возможности детекторов. Не стоит экономить на видеокамерах, рассчитывая, что детектор справится и с шумами, и с изображением низкого разрешения. Общее правило для любой системы безопасности - система будет настолько плоха, насколько плох самый мелкий ее компонент. Дешевый объектив, поставленный на дорогую камеру, кабель с низкокачественным разъемом или любой другой компонент могут свести все ваши затраты на нет.

Глоссарий

Speed Dome - скоростная купольная поворотная камера. Скоростная по сравнению с обычными поворотными механизмами. Купольная, так как более 90% таких камер имеют исполнение в виде цилиндра с куполообразным оптически прозрачным кожухом, защищающим оптику и механизм от пыли и влаги. Speed Dome-камеры называют еще и интегрированными, подразумевая, что в один корпус собраны все необходимые компоненты: собственно видеокамера, оптика, двухкоординатный механизм и приемник телеметрии.

Preset - способность Speed Dome с максимально доступной скоростью устанавливаться в заранее запрограммированное положение. Различные модификации могут запоминать от 32 до 256 пресетов.

Туры (Tour, или Touring) - способность PTZ-ви-деокамеры выполнять ряд команд, например последовательность пресетов. Расширенный вариант предполагает запоминание камерой ваших действий с последующим циклическим исполнением. Протокол - набор команд для управления поворотными камерами, использующими приемник телеметрии. Обычно крупные производители используют свой собственный протокол, однако обязательно интегрируют еще и дополнительные типа Pelco, ставшего стандартом де-факто в связи с открытостью политики производителя. Небольшие производители используют только подобные открытые протоколы и реализуют (в зависимости от своей лени или возможностей камеры) только часть команд. PTZ - сокращение от английского Pan, Tilt и Zoom, соответственно вращение по горизонтали, вертикали и управление объективом. PTZ-ка-мера - соответственно интегрированная камера с поворотным механизмом и zoom-объективом.

Качественное изображение - решающий фактор в работе современной системы видеоконференцсвязи. Широкие каналы передачи данных, инновационные алгоритмы сжатия видео, мощные серверы - эффективность всех этих дорогостоящих подсистем может быть сведена на нет по причине неправильно подобранной камеры ВКС. Ее стоимость в контексте всего решения, в общем-то, несущественна и это как раз тот случай, когда небольшая экономия может обернуться полным разочарованием от системы в целом. Благо, сегодня рынок предлагает множество моделей - выбрать есть из чего. Но, какой тип решения предпочесть? Как показывает практика и анализ многих проектов построения систем видеоконференцсвязи, оптимальным подходом является использование цифровой PTZ-камеры.

PTZ и альтернативы

Описание основных преимуществ PTZ-камеры содержится уже в самой расшифровке ее названия - Pan-Tilt-Zoom можно перевести как дистанционное управление горизонтальным и вертикальным позиционированием, а также приближением (поэтому PTZ-устройство часто еще называют «поворотная камера»). Такой подход необходим для эффективного отображения участников видеоконференции в переговорных комнатах и конференц-залах, поскольку надо иметь возможность не только показывать общий план или крупно лицо говорящего, но и автоматически корректировать фокусировку при перемещении докладчика по залу. Ведь главное преимущество качественной системы ВКС и состоит в том, чтобы дать возможность людям чувствовать себя так же естественно, как и в условиях обычного общения.

Конечно PTZ является не единственным вариантом решения подобной задачи есть и другие, но все они имеют те или иные недостатки, которые не позволяют рекомендовать их в качестве оптимальных именно для условий ВКС. Разберем подробнее.

Самым грубым подходом является использование системы из нескольких камер (часто фиксированных или с ручным позиционированием), установленных в разных точках зала - для каждого человека или группы. Этот метод представляется весьма проблематичным с точки зрения технической реализации, ведь каждую камеру нужно подключать к ПК или терминалу, что потребует дополнительных портов с картами захвата или внешних мультиплексоров. Соответственно, бюджет проекта увеличится пропорционально числу камер, но результат все равно будет не таким же эффектным как в случае использования поворотных моделей.

Еще один известный вариант - использование стационарной круговой камеры. В этом случае устройство устанавливается в центр стола, а изображение, с помощью специальных технологий сшивается в круговую панораму. Недостатки здесь также очевидны - значительные оптические аберрации, требующие специальных инструментов для компенсации, а также отсутствие контакта глаз между собеседниками (ведь люди смотрят обычно на экран, а не в камеру). Эти проблемы решаемы, но требуют дополнительных усилий или вложений. К примеру у компании Polycom есть решение Centro, оно устанавливается вместо стола переговоров и участники конференции усаживаются вокруг него. Идея интересная, но стоимость системы начинается от $50 тыс.

В числе новейших решений, которые позиционируются как альтернатива традиционным PTZ-моделям имеются камеры ультравысокого разрешения, оснащенные сенсорами 4K. Такие модели только начали выходить на рынок (их предлагают, например Cisco, Logitech) и они довольно сносно справляются с одной из главных задач камеры ВКС, которая заключается в обеспечении крупного плана лица докладчика. Достигается это путем выделения фрагмента изображения на сенсоре. Такой подход называется ePTZ (электронный PTZ). В числе главных недостатков - ограниченное поле действия (камера все же фиксированная), низкая светочувствительность по сравнению с оптикой PTZ-камер и достаточно высокая стоимость.

В итоге, самым эффективным и поэтому популярным решением остается использование традиционной PTZ-камеры с физическим приводом по осям для изменения поворота, наклона и приближения. Такая камера способна показывать как весь зал целиком, так и лица отдельных докладчиков к тому же обычно она устанавливается таким образом, что для говорящего естественно смотреть в сторону объектива.

Поворотные камеры для ВКС - технические нюансы

Отметим, что поворотные камеры применяются не только в ВКС. Похожая технология активно используется и в системах охранного видеонаблюдения (СВН), где PTZ IP-камеры очень популярны. Но не стоит ставить знак равенства между такими устройствами. Несмотря на схожесть подхода, технологии, используемые в камерах для видеоконференцсвязи и СВН, существенно отличаются, что связано с различиями в спектре решаемых задач.

Скорость передачи и качество видео. В случае IP-камеры для видеонаблюдения вполне допустима относительно низкая скорость кодирования видеосигнала - зачастую задержка, скажем, в пять секунд не является проблемой. В то же время для видеосвязи существенна и критична даже задержка в полсекунды. Поэтому модели для СВН могут позволить себе использование относительно медленных аналоговых или Ethernet-интерфейсов для передачи данных, а ВКС-камеры подключаются по гораздо более скоростным каналам USB 3.0 или HDMI (кстати, некоторые производители снабжают модели HDMI-разъемами собственной разработки, куда добавляют также и питание, чтобы к камере подсоединялся всего один кабель).

Различие также наблюдается и в таком параметре как количество кадров в секунду (FPS). У ВКС PTZ-камеры этот показатель обязательно должен поддерживаться на уровне 30-60 fps, чтобы изображение на экране выглядело натуральным и «живым». В то время как охранной IP-камере для выполнения большинства задач вполне достаточно и 5 fps. Обратите внимание - не важно, идет ли речь о PTZ HD-камере или же UltraHD-системе - если кадры обновляются реже, чем за 1/30 секунды, качество сеанса видеосвязи будет восприниматься как низкое, даже при высоком графическом разрешении.

Кроме того, любая PTZ-камера, оснащенная интерфейсом USB 3.0, снабжается встроенным аппаратным кодировщиком, что позволяет ей самостоятельно сжимать видеопоток, который транслируется в сеть. Такая функция значительно снижает нагрузку на терминал ВКС. Есть и более совершенные решения, например, камеры компании Logitech поддерживают возможность компрессии видео вообще без использования ЦП компьютера. Конечно, для того, чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами новых технологий, они должны поддерживаться также на уровне ПО, используемого для организации ВКС. Хорошим выбором в данном случае будет TrueConf Terminal - к неоспоримым преимуществам данного программного продукта относится, не только широкая совместимость с новейшими моделями PTZ-камер, но и то, что он распространяется бесплатно.

Требования к освещенности. Работа в условиях низкой освещенности - еще один важный фактор. Камера для переговорной комнаты или конференц-зала должна четко передавать, различные мелочи: оттенок и тон кожи (люди ведь должны выглядеть на экране естественно, «как в жизни») при различных типах освещения. Требования для охранной камеры здесь гораздо мягче, ей достаточно передать четкое изображение объекта или обстановки без учета цветовых нюансов.

Особенности оптики. ВКС-камеры обычно снабжаются объективом с широким углом обзора для охвата как можно большего числа участников переговоров, а также для того, чтобы люди располагающиеся близко к камере попадали в поле зрения объектива, без необходимости приближения. Следствием этого фактора также является и специфика фокусного расстояния объектива - у камер для СВН фокус, обычно направлен «в бесконечность». В поворотных моделях для ВКС обычно подбирается такое фокусное расстояние, чтобы была возможность охватить диапазон в пределах от 1 до 10 метров. Этого вполне достаточно для отображения как впереди сидящих участников, так и тех, кто находится, скажем, в конце стола переговоров или на дальних рядах.

Время работы и возможности управления. Важной особенностью PTZ-камер для ВКС является наличие механизмов защиты от перегрева и выгорания, что позволяет им сохранять работоспособность на протяжении долгого срока, без риска выходя из строя. Ведь нередко переговорные комнаты бывают задействованы каждый день в течение всего рабочего времени.

Удаленное управление. Обычно PTZ IP-камеры управляются и настраиваются посредством веб-интерфейса, модели, предназначенные для ВКС должны контролироваться при помощи пульта управления. Соответственно, здесь необходима поддержка специальных протоколов UVC или VISCA/PELCO, работающих по интерфейсам RS 232/485. Это важно, в частности для решения задачи автонаведения и автотрекинга.

Скорость и надежность привода камеры. Этот параметр крайне важен, ведь PTZ-камера для ВКС должна наводиться быстро и точно, причем смена позиций может происходить много раз в течение короткого времени. Соответственно, привод, отвечающий за позиционирование устройства должен быть надежным, долговечным, быстрым и прецизионным (данные характеристики ощутимо превосходят те, которые допускаются в случае PTZ-камер для видеонаблюдения). Особенно важна высокая точность наведения при использовании приближения, поскольку в этом случае даже минимальное смещение камеры ощутимо повлияет на позиционирование человека в кадре.

Чтобы добиться требуемых параметров используется несколько основных технологий позиционирования:

• Механическая система (сервоприводы вращают шестеренки в основе камеры). Классический, наиболее распространенный подход, недостатком которого является ощутимый звук при поворотах и часто недостаточно высокая точность;
• Гибридная система. В этом случае камеры оснащаются механическим приводом и цифровым увеличением. Недостатки те же, что и в предыдущем случае;
• Электронный PTZ (ePTZ) - это, по сути, симуляция физического процесса наведения камеры с очень высокой точностью позиционирования;
• Магнитная технология. На сегодняшний день является и наиболее прогрессивной с технической точки зрения. В этом случае специальный магнитный привод позволяет направлять камеру бесшумно и с очень высокой точностью. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, поэтому PTZ-камеры с магнитным приводом используются только в самых дорогих ВКС-системах.

На практике, в большинстве случаев, оптимальным решением по соотношению цены и качества являются все же модели камер с механическим приводом.

Тип крепления. Этот параметр также важен. Современная камера для ВКС должна иметь возможность установки над любым типом экрана - будь то ЖК-телевизор или специальная видеопанель.

Если необходимо организовать систему видеоконференцсвязи для переговорной комнаты или большого зала, то оптимальным решением, несмотря на наличие альтернатив, здесь будет использование одной или нескольких PTZ-камер. К техническим особенностям таких устройств, делающих их незаменимыми в своем роде, относятся такие качества как:

• Высокая скорость обработки и передачи видеосигнала - без искажений и задержек;
• Разрешение FullHD (UltraHD в ближайшем будущем);
• Наличие функции автонаведения, автотрекинга, сенсора глубины (чтобы отделять говорящего от фона) и т.д.;
• Наличие высокоскоростных интерфейсов подключения (USB 3.0, HDMI);
• Идеальная цветопередача даже в условиях низкой или меняющейся освещенности, а также качественное «живое» отображение картинки;
• Специальные объективы, оптимизированные для работы в условиях; ограниченного пространства переговорных комнат и конференц-залов;
• Особый высокоскоростной прецизионный привод позиционирования камеры;;
• Длительное время непрерывной работы;
• Специальный тип крепления;
• Совместимость с современными (в т.ч. бесплатными) версиями ПО для ВКС.

Вместе с тем, как показывает практика, для получения идеальных характеристик видео лучшим вариантом будет использование не одной, а двух PTZ-камер одновременно, особенно, если речь идет о достаточно большом зале или значительном количестве участников.

Как не сломать PTZ-камеру.

PTZ-камера для видеоконференцсвязи - сложный и достаточно хрупкий механизм сломать который очень просто. При этом повреждение камеры вследствие неправильной эксплуатации не является гарантийным случаем у любого производителя! Но, если соблюдать все меры предосторожности, то устройство прослужит долгие годы и сохранит все ключевые характеристики. Итак, чего же не стоит делать с камерой, чтобы случайно ее не сломать механизм позиционирования и не вывести из ее строя:

• Не берите камеру за объектив, если ее надо перенести;
• Не стоит наклонять объектив руками - вверх более чем на 90° и вниз свыше 30°;
• Во время работы или транспортировки камеры рекомендовано удерживать руками основание.

И, конечно же, перед началом эксплуатации стоит внимательно изучить инструкцию к устройству. Как ни странно, следование именно этому, вполне очевидному совету, спасает от большинства неприятностей в процессе пользования любым устройством - и PTZ-камеры не исключение.

Камеры типа PTZ представляют собой ответвленный сегмент компактных устройств видеонаблюдения. Разработчики данной аппаратуры подняли охранные миниатюрные камеры на новый уровень благодаря их наделению более эффективными системами автоматического, а в некоторых случаях и роботизированного интеллектуального управления. Частично подобные технологии использовались и в первых поколениях систем видеонаблюдения, но современные решения заметно отличаются по целому ряду параметров, что и подтверждает своим примером PTZ-камера. Что это значит на практике пользования? В первую очередь - это более широкие возможности контроля за настройками камеры, причем в удаленном режиме. Кроме этого, создатели PTZ-моделей уделяют внимание базовым характеристикам съемки, позволяя получать высокое качество изображения при сохранении скромных размеров самой камеры.

Общие сведения о PTZ-камерах

Это нестандартная камера, главным отличием которой является наличие встроенного электронно-механического привода. Причем сама матрица, обеспечивающая фиксацию видеопотока, вполне соответствует по характеристикам традиционным компактным камерам для видеонаблюдения. Особенности обуславливает именно привод с роботизированным принципом управления, который, к слову, может выступать отдельной частью - элементом комплектации. Впрочем, последние модели такого типа отличаются и внутренним устройством. Оптический трансфокатор, в частности, позволяет изменять угол обзора, который захватывает PTZ-камера. Что это такое с точки зрения потребителя? В сущности это означает переменное с оптическим уменьшением и увеличением целевого объекта. Сигналы для управления приводным механизмом и внутренними сенсорами могут поступать от пульта ДУ, а могут генерироваться контроллерами, которые взаимодействуют с компьютером. То есть посредством программного обеспечения пользователь может настроить полностью автоматическую работу камеры.

Основные характеристики камеры

Количество пикселей является основным показателем качества работы для всех видов таких камер. Простейшие версии обеспечиваются матрицами на 0,3 МП, а высокотехнологичные - модулями на 5 МП. Количество регистрируемых кадров за секунду обычно находится в диапазоне 6-30 ед. Конечно, в оценке качества изображения не обойтись и без разрешающей способности устройства PTZ - HD-камеры, к примеру, уверенно поддерживают формат 1920x1080. При этом остается актуальной и устаревающая матрица VGA на 640x480. В охранных комплексах нередко оправдывается и применение таких модулей. Но если вышеописанные характеристики полностью укладываются в набор качеств обычных камер видеонаблюдения, то в скорости поворота и увеличения фокуса PTZ имеет заметные преимущества. Так, оптическое увеличение может быть 36-кратным, а цифровое 18-кратным. Что касается скорости поворота, то в современных моделях она достигает 400 °/с. Также передовые модификации снабжаются технологией 3D-позиционирования.

Сферы применения аппаратуры PTZ

Специалисты выделяют две сферы, в которых наиболее выгодно раскрываются эксплуатационные возможности таких камер. Это охранные системы обеспечения безопасности и видеосвязь в конференц-залах. В обоих случаях пользователи ценят гибкость аппаратуры в плане управления и практически не ограниченные возможности для физической установки оборудования. Здесь важно отметить и системы беспроводного подключения, которые поддерживает современная PTZ-камера. Что это означает в процессе эксплуатации? Технологии беспроводной связи практически избавляют пользователя от необходимости подведения кабелей к устройству. С точки зрения маскировки, это оптимальное решение, поскольку у злоумышленника будет меньше шансов обнаружить признаки И наоборот, оперативная работа поворотной механики камеры позволит отслеживать происходящее в помещении с наиболее выигрышным позиционированием.

Виды конструкций видеокамер

Производители выпускают камеры такого типа в нескольких вариациях. Наибольшее распространение получила поворотная камера PTZ в виде полусферы. Данная разновидность называется Speed Dome и отличается высокой отказоустойчивостью. Сама конструкция благодаря геометрической форме минимизирует риски попадания под корпус частиц пыли и влаги.

Другой вариант - сферическая конструкция, которая во многом схожа с камерами в виде полусферы. Такие модели обычно снабжаются мощной инфракрасной подсветкой и средствами защиты от вандалов. Вообще, купольные камеры PTZ проектируются таким образом, что все механические компоненты начинки имеют минимальные шансы на прямой контакт с окружающей средой. Это достоинство особенно проявляется в корпусах уличных моделей, которые заслуживают отдельного внимания.

Особенности уличных моделей

Эксплуатация систем видеонаблюдения вне помещения требует учета целого ряда дополнительных факторов. Среди них нюансы обеспечения связи камеры и пульта управления, организация системы энергоснабжения и вопросы защиты аппаратуры от внешних воздействий. Что касается защиты, то корпуса обычно получают термокожух с пыле- и влагозащитной изоляцией. Некоторые модели дополнительно снабжаются обогревателем и системой вентиляции, которые обеспечивают возможность холодного пуска при пиковых отрицательных и положительных температурах. Питание может обеспечиваться напрямую или за счет аккумуляторов. К слову, оправдывает себя и применение источников бесперебойного энергоснабжения. Даже типовая настройка PTZ камеры позволяет автоматизировать процесс перехода на резервное питание в случае нестабильного сетевого энергоснабжения. Связь, в свою очередь, также организуется или напрямую через кабель или по беспроводной технологии с помощью радиомодуля.

Аналоговые и цифровые модели

В аналоговых моделях полученная запись автоматически подвергается обработке цифровым процессором. Далее материал отправляется на электронный преобразователь, в котором вновь происходит конвертация, но в обратном режиме. Коммуникационную связь такой аппаратуры обеспечивают коаксиальные провода. К недостаткам моделей этого типа относят невысокое разрешение, которое не позволяет рассчитывать на качественное изображение при съемке на дальних расстояниях. Цифровые PTZ-камеры видеонаблюдения также предусматривают предварительную обработку сигнала в процессоре, после чего материал может передаваться по протоколу TCP/IP в изначально заданном формате. Главным преимуществом цифровых моделей является именно высококачественная «картинка», так как в плане коммуникационного и механического оснащения аналоговые устройства в некоторых случаях оказываются более надежным решением.

Управление камерой

Кроме настройки основных параметров съемки камеры PTZ предоставляют массу возможностей управления уже в процессе непосредственного применения устройства. При установке камеры на объекте пользователь может заранее запрограммировать ее на сотни предустановленных позиций. Для каждого режима предполагается целый набор параметров положения, среди которых величина угла, уровень масштабирования и т. д. Некоторые модели также позволяют назначать индивидуальные сценарии автоматического сканирования. Например, камера PTZ уличная в этом плане наиболее развита, поскольку ей приходится охватывать большие территории, в том числе с дальними планами. Дистанционное управление, в свою очередь, дает возможность коррекции с наклоном. Для этого чаще всего используется телеметрический пульт.

Производители PTZ-камер

Высокотехнологичные сегменты довольно быстро наполняются продукцией от крупных производителей. В данном же случае ситуация несколько иная, поскольку наиболее удачные разработки демонстрируют менее известные компании. Лидерские позиции занимает камера Axis PTZ, модификации которой ориентированы как на специализированные, так и на универсальные задачи видеонаблюдения. Также заслуживают внимания предложения от Dahua, Geovision и комплексные решения фирмы Optimus. Из крупных всемирно известных брендов технологию PTZ неплохо освоили инженеры Samsung, хотя из-за высокой стоимости данная продукция не так популярна по сравнению с аналогами от вышеназванных производителей.

Заключение

Не так выражен интерес и самих потребителей к системам видеонаблюдения этого типа. Несмотря на очевидный технологический прорыв отдельных решений, данная продукция все еще занимает отдельную узкую нишу. Понимают это и производители, стремящиеся разрабатывать новые опции и функциональные возможности, которыми в принципе может обладать PTZ-камера. Что это значит в контексте общего развития сегмента? На данном этапе технологи делают ставку на оптимизацию коммуникационного взаимодействия самой камеры и управляющего комплекса. На практике это будет означать упрощение средств организации связи между отдельными компонентами систем видеонаблюдения, и в то же время более плотное схождение механики камер и программного обеспечения.

Автоматизация системы управления купольной поворотной камеры (PTZ-камеры) – интересная и актуальная задача. По мере концентрации ситуационных центров и внедрения видеоаналитики возникает потребность в интеллектуальных алгоритмах, позволяющих не только анализировать видео со стационарных (неподвижных) камер, но и наводить роботизированную камеру на цель без участия оператора. Задержка, вносимая цифровой подсистемой кодирования и декодирования видео, ограничивает возможности дистанционного слежения за целью при помощи поворотной камеры и усиливает необходимость локальной автоматизации слежения. Наш пост Хабру содержит обзор основных задач по интеллектуализации PTZ-камер, подходов к их решению и предложений на рынке.

Задачи автоматизации

Рассмотрим основные задачи, решаемые при автоматизации системы управления PTZ-камерой:

1. Автоматическое патрулирование

В рамках функции патрулирования, PTZ-камера циклически «обходит» предпозиции наблюдения, заданные оператором, останавливается в каждой позиции на заданное время и транслирует видео с выбранным увеличением. Данная функция является стандартной и встроена практически во все модели купольных поворотных камер. Преимуществом патрулирования по предпозициям является возможность охватить большую территорию и получить изображения в каждой позиции с хорошей детализацией. Недостатки функции – наличие слепой зоны во всех позициях кроме текущей и постоянное изменение фона сцены, что затрудняет анализ видео аналитикой и оператором. В режиме патрулирования сложно распознать медленные изменения сцены за короткий интервал нахождения камеры в каждой позиции. Если оператор направляет камеру в некоторую позицию, то события, происходящие в других позициях, не регистрируются в видеоархив.

Перечисленные недостатки могут быть устранены установкой обзорных неподвижных камер, полностью закрывающих охраняемую территорию. Тогда PTZ-камера используется исключительно для получения детализированного изображения целей, обнаруживаемых при помощи обзорных камер. Так же увеличивается срок службы PTZ-камеры за счет того, что уменьшается ее механическая нагрузка.

2. Автоматический выбор цели для PTZ-слежения

Источниками сигнала для автоматического выбора цели могу быть: а) обзорная неподвижная камера, используемая параллельно с купольной; б) купольная камера в режиме патрулирования; в) другие сенсоры, например, радиоволновые или вибрационные датчики периметральной системы. Видеосигнал с телевизионной или тепловизионной камеры обрабатывается видеоаналитикой, которая детектирует цели и определяет их местонахождения для наведения PTZ-камеры без участия оператора. Пример установки, реализуемый данных подход представлен на рис. 1. Если используется несколько обзорных камер с перекрывающимися зонами действия, то желательно . Особенно важна многоканальная видеоаналитика при частом появлении целей. Повторное детектирование цели каждой камерой будет приводить к неэффективному использованию PTZ-камер и срывам слежения, что затруднит ретроспективный анализ архива.

3. Автоматическая расстановка приоритетов для детализации и слежения

В случае, когда в поле зрения системы наблюдения находится несколько целей, а число PTZ-камер ограничено, требуется распределять задачи между PTZ-камерами оптимальным образом с точки зрения их важности. Алгоритм может вычислять приоритет цели с учетом нескольких критериев, таких как: а) местонахождения цели (близость к охраняемому рубежу или наиболее важному объекту); б) время слежения за объектом (например, каждая цель может должна сопровождаться PTZ-камерой не менее 10 секунд, после чего возможно переключение на другую цель); в) классификации поведения человека (например, поведение «праздношатание в зоне» может иметь более высокий приоритет, чем «вход в зону»). Все найденные цели ставятся в приоритезированную очередь для последующей обработки интеллектуальной системой видеонаблюдения.

4. Автоматический выбор PTZ-камеры

Алгоритм должен забирать цели из приоритезированной очереди в порядке их важности и распределять цели между доступными PTZ-камерами с учетом взаимного расположения целей и доступных камер. В работу алгоритма может вмешаться оператор, подающий команды на PTZ-камеру с помощью джойстика или программного интерфейса (рис. 4). В этом случае, алгоритм должен задействовать другие PTZ-камеры для слежения за целями, оставшимися без внимания оператора. На сложных объектах необходимо применение трехмерных моделей охраняемого объекта и зон действия камер .

5. Автоматическое наведение PTZ-камеры

В простейшем случае, алгоритм наведения может быть реализован при помощи многозонного детектора движения обзорной камеры: кадр разбивается на множество зон, каждая из которых ассоциируются с препозициями PTZ-камеры. При срабатывании детектора движения в зоне (рис. 2), PTZ-камера переводится в соответствующую предпозицию (риc. 4). Чем больше зон задается при настройке, тем большее увеличение можно получить на PTZ-камере. Недостатком данного подхода являются неустойчивая работа при наличии нескольких целей и ограничения точности наведения, связанными с выбранными предпозициями PTZ-камеры.
На объекте с большим пространством наблюдения и большим числом камер рекомендуется аналитическое преобразование координат обзорной камеры в систему координаты поворотной камеры без разделения кадров на зоны (рис. 3,4).

Более качественное наведение может быть получено при помощи профессиональной видеоаналитики . Связь обзорной и управляемой камерой устанавливается через глобальную систему координат реального мира, к которой . Точность преобразования из двумерной системы координат кадра в трехмерное пространство реального мира ограничивает приближение PTZ-камеры, т.к. в случае ошибки преобразования, на сильном увеличении объект может оказаться вне поля зрения. Поэтому особенные требования предъявляются к видеоаналитики обзорной камеры: необходима качественная локализация (сегментирование) цели и качественная калибровка для связи его координат с поворотной камерой.

6. Автоматическое слежение за целью

После того как PTZ-камера наведена на цель, желательно применение алгоритмов слежения для отображения и записи целостного фрагмента видео цели, сопровождаемой PTZ-камерой. В процессе настройки алгоритма слежения приходиться искать компромисс между степенью увеличения (и, следовательно, детализацией) цели и частотой смещений PTZ-камеры. Чем сильнее увеличение, тем чаще приходиться передвигать камеру.

Распространенные PTZ-камеры не позволяют плавно поворачивать камеру с переменно скоростью. При шаговом смещении положение PTZ-камеры изображение «дергается» и смазывается. Поэтому хороший алгоритм слежения должен минимизировать количество смещений камеры для заданного увеличения. Алгоритм слежения должен корректно работать в случае временного взаимного перекрытия целей, например, если люди идут навстречу друг-другу (см. видеодемострацию и слайды про алгоритм).

PTZ-cлежение за целью может осуществляться тремя способами: а) при помощи PTZ-камеры (самослежение); б) при помощи обзорной камеры (внешнее слежение) и в) гибридными образом. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки, которые мы сравним в отдельной публикации. Алгоритм самослежения удобен в случае, когда оператор задает цель в ручную, а обзорная камера отсутствуют или не видит цель. Алгоритм внешнего слежения более устойчиво работает при наличии нескольких целей. Для объектов одинокого видимого размера, алгоритмы слежения на подвижной камере работают хуже, чем на неподвижной камере, т.к. в последнем случае алгоритм может лучше адаптироваться к неподвижному фону. В теории, гибридный способ должен обеспечить наиболее устойчивое слежение во всех ситуациях, но в известных нам системах он пока не реализован

Влияние задержки

Слежение за целью при помощи привода PTZ – задача реального масштаба времени, чувствительная к задержке. Если общая задержка видео в IP-сети превышает 500 мс (половина секунды), то эффективно управлять камерой не может ни оператор, ни серверная видеоаналитика. Как правило, около 300 мс вносится передающим устройством (камерой или кодером) и около 100 мс вносится VMS-системой, декодирующей видео.

Качественное слежение за объектом может быть реализовано при локальной обработке видео до компрессии. В этом случае координаты цели могут быть рассчитаны по данным обзорной или PTZ-камеры за 20-40 мс. Такая система может сопровождать быстродвижущиеся цели, такие как бегущий человек и транспортное средство, на хорошем увеличении.

Поддержка стандартов

Начиная с версии 1.02, международный стандарт ONVIF позволяет строить унифицированные решения для автоматического и ручного управления PTZ-камерами. В частности, стандарт описывает команды управления и считывания положения PTZ-камеры, системы координат, а так же формат передачи метаданных о подвижных объектов с обзорной камеры в систему управления видео (VMS) и/или иные устройства для управления PTZ-камерой.

Оживленные сцены

Применение интеллектуальных функций PTZ в общественных местах ограничено возможностями видеоаналитики слежения. Сегодня на рынке не существует видеоаналитики, способной сопровождать человека в толпе без применения детектора лиц на обзорной камере. Если разрешающая способность и угол наблюдения обзорной камеры позволяет использовать детектор лиц, то возможно автоматизация наведения PTZ-камеры для более точного распознавания лиц и записи детализированного изображения. При этом необходима реализация системы слежения по данным детектора лиц, чтобы оптимизировать работу PTZ-камеры для нужного сценария, например, для слежения за одним человеком или для быстрого сканирования всех лиц в поле зрения.

Специальные требования к PTZ-камере

Большинство PTZ-камер, представленных на рынке, с интерфейсами Pelco D (для последовательного интерфейса RS422/485) или ONVIF (для IP-сети) не имеют обратной связи системой управления, в частности, невозможно запросить текущую позицию камеры и установить камеру по абсолютным координатам. Это ограничение не позволяет использовать PTZ-камеру для слежения по координатам обзорной камеры.

Обзор решений на рынке

В модуле Trassir ActiveDome компании DSSL реализована функция PTZ-слежения с аналитическим преобразованием координат. В кадре обзорной камеры задается область, которая путем процедуры калибровки создает связь координат с поворотной видеокамерой. По информации от разработчика, количество обзорных камер в системе видеонаблюдения может быть неограниченно и связано с размером контролируемой зоны. Например, чтобы обеспечить обзор в 360°, рекомендуется установить 4 обзорные и одну поворотную камеру.

В продукте Интеллект компании iTV может быть реализовано PTZ-слежение при помощи многозонного детектора движения обзорной камеры без автоматизации процесса калибровки. Для этого необходимо выполнить шаги: 1) разбить кадр обзорной камеры на множество зон детектирования движения; 2) запрограммировать соответствующие предпозиции на PTZ-камере; 3) написать скрипт, который будет устанавливать PTZ-камеру в предпозицию, соответствующую зоне движения. Для PTZ-слежения в условиях движения двух и более целей, необходима реализация более сложной логики, при помощи скрипта или компонента ActiveX.

Наша компания работает над реализацией PTZ-слежения с многозонным детектором движения и аналитическим преобразованием координат в IP-видеосервере MagicBox. В текущей версии прошивки устройства, передача метаданных с координатами целей и управления приводом PTZ осуществляется в рамках международного стандарта ONVIF, что позволяет реализовать внешнюю логику управления PTZ-камеры. Приложение Менеджер устройств ONVIF, с которым Хабр уже

По статистике портала IPVM - поворотные камеры () используются в проектах все реже и реже. Еще 10 лет назад таких камер в системах было до 40%, теперь же этот показатель не дотягивает и до 10%. По нашей статистике, на каждые 100 реализованных камер приходится всего 2-3 «поворотки». Их могло бы быть больше, но после того, как мы задаем Заказчику пару простых вопросов, он нередко отказывается от идеи с PTZ камерами.

Заказчик сам просит поворотную камеру (PTZ камеру) как правило, насмотревшись боевиков, детективов и прочих голливудских (и не только) творений. Крутой коп просматривает запись вчерашнего ограбления, командует оператору «поверни, приблизь, улучши изображение, распечатай это лицо и разошли всем нашим». И как он, спрашивается, может повернуть и приблизить то, что было снято вчера?

Когда лучше подумать об альтернативе?

Наша компания, как и все на рынке, имеет свою нишу. Мы работаем с «коммерческим сегментом», в основном с малым и средним бизнесом. Среди наших клиентов много офисов, магазинов, складов, частных домов и дач и т.д. В большинстве случаев на таких объектах нет оператора системы видеонаблюдения, отслеживающего происходящее в реальном времени. Основная задача в таких системах - увидеть, что произошло «вчера», т.е. к видеоархиву обращаются по факту уже случившегося негативного события.

В отсутствие оператора (а то и пары операторов, работающих посменно), камера смотрит туда, куда она смотрела, когда к ней последний раз обращался оператор. Происходящее в это время в другой части помещения совершенно не контролируется.

Можно включить поворотную камеру в режиме непрерывного патрулирования, когда она по очереди обходит заданные точки. Но, по закону подлости, именно в тот самый момент происшествия, камера будет смотреть в другую сторону. Частично эту проблему решает использование специального ПО, позволяющего работать PTZ камере в связке с одной или несколькими обзорными, поворачиваясь на движение, обнаруженное обзорной камерой. О таком решении мы расскажем ниже.

Альтернативное решение, которое мы, как правило, и рекомендуем - установить несколько фиксированных камер высокого разрешения, покрыв все помещение постоянной зоной обзора с приличным уровнем детализации. Собственно, частое применение PTZ камер в прошлом связанно именно с тем фактом, что для получения полного покрытия с хорошей детализацией нужно было установить множество (иногда - десятки) аналоговых фиксированных камер.

С появлением и удешевлением ip-камер высокого разрешения задача сильно упростилась. Например, 3 камеры с разрешением в 3 мегапикселя и углом обзора около 30 градусов (каждая) обеспечат увереннуюидентификацию лица человека при горизонтальном линейном разрешении 300 пикселей/метр (ширина лица человека ~55 пикселей) на расстоянии до 15 метров, покрыв помещение более 200м.кв площадью. Безусловно, PTZ-камера может обеспечить туже детализацию с куда большего расстояния, но… об ограничениях мы уже написали выше.

Итак, если у вас нет оператора, постоянно следящего за происходящим через монитор системы видеонаблюдения, целесообразность использования PTZ камер - под вопросом.

Когда без PTZ не обойтись?

Иногда, даже если оператора за пультом нет, поворотные камеры остаются незаменимыми.

Случай первый. Иногда система видеонаблюдения используется не для обеспечения безопасности, разбора ЧП и т.д., а для организации «эффекта присутствия». Например, компания франчайзор (тот, кто передает свою франшизу множеству магазинов) желает иметь возможность видеть выкладку товаров, соблюдение фирменного стиля, отсутствие левого товара и т.д. Магазины разбросаны по всей России и посылать с проверками супервайзера в каждый из них весьма накладно. Выход - по условиям франшизы франчайзи (тот кто приобретает право использования марки) обязан установить в магазине PTZ камеру и предоставить к ней доступ «наверх».

Случай второй. Очень большая территория, сложности монтажа и т.д. Хорошая с мощным оптическим зумом способна «отработать» человека на удалении до 100м., т.е. покрыть более 30 тысяч квадратных метров, покрыть которые фиксированными камерами будет весьма проблематично и накладно. Но кто будет «крутить камерой» если у нас нет оператора?

Как мы уже упоминали выше, существуют решения, позволяющие автоматизировать этот процесс. Например, интеллектуальный модуль Trassir ActiveDomePlus, обеспечивающий автоматическое управление поворотными камерами без участия оператора для сопровождения целей.

Данный подход требует наличия в системе как минимум двух камер, одна из которых - фиксированная обзорная, другая - поворотной, имеющая объектив с трансфокатором. При обнаружении обзорной камерой движения, PTZ камера поворачивается в данном направлении и приближает движущийся объект. Могут применяться различные комбинации обзорных и поворотной камер в зависимости от специфики объекта. Количество обзорных видеокамер может быть неограниченным. По заверениям разработчиков, система видеонаблюдения, оборудованная комплектом из двух видеокамер (обзорной и PTZ), является эквивалентом видеокамеры с разрешением в 380 Мегапикселей с записью только движущихся объектов, что существенно экономит дисковое пространство. Однако существуют некоторые сложности при возникновении движения сразу в множестве зон обзора, поэтому данное решение может не подойти например, для мест массового скопления людей и скорее подойдет для территорий, где любой движущийся объект требует внимания (заводские территории, складские комплексы и т.д.).

Таким образом, если вы подумываете о внедрении поворотных камер, вспомните о таких важных пунктах:

• несколько фиксированных камер высокого разрешения покроют тоже пространство, причем полностью и постоянно
• стоить эти несколько камер будут соизмеримо стоимости одной PTZ
• если у вас нет оператора, постоянно дежурящего за монитором, то кто будет управлять поворотными камерами?
• автоматизация управления ptz камерами в значительной мере нивелирует недостатки, изложенные выше. И хотя такое ПО и стоит дополнительных денег, его применение оправданно в большинстве случаев

Остались вопросы? Нужно помочь определиться с выбором? Звоните или пишите нам, наши специалисты будут рады помочь!