02 апреля 2008
Н. Уваров. Синхронизация телекамер в системах видеонаблюдения.
Н. Уваров
ProSystem CCTV №01, 2007
В любой телевизионной сети, когда есть необходимость на одном мониторе просматривать несколько телекамер, необходимо обеспечить, чтобы видеосигналы от всех камер были синхронны. Видеосигналы с синхронных телекамер удобно коммутировать во время кадрового гасящего импульса, при этом не происходит сбоев синхронизации в устройствах коммутации и на мониторах не видно момента переключения. В простейшем случае эти проблемы решают путем привязки фазы полей видеосигнала к фазе сетевого напряжения или внешнего источника синхроимпульсов полей, а, иногда, к фазе полей опорного видеосигнала. В большинстве случаев, особенно в телевизионных сетях охранного телевидения, телекамеры, питающиеся от сети переменного тока (220 В/50 Гц или 24 В/50 Гц), синхронизируются от питающей сети. Камеры же, питающиеся от источника постоянного тока (12 В), для обеспечения синхронности взаимной работы в телевизионной сети, должны иметь вход внешней синхронизации, на который подается сигнал от специального устройства – синхронизатора. Очевидно, что отсутствие синхронного режима работы телекамер в телевизионной сети приводит при коммутации видеосигналов на входе монитора к подергиванию изображения по вертикали, так как на вхождение вертикальной развертки монитора в режим синхронизации с несинхронным переключаемым видеосигналом нужно время. Этот фактор в значительной степени повышает утомляемость оператора, работающего с телевизионной системой, особенно если камер много и количество мониторов в аппаратной видеонаблюдения значительное, например более трех.
например, более трех
Как правило, телекамеры, используемые в охранном телевидении, предусматривают четыре основных режима синхронизации.
- Автономная или, как еще ее называют, кварцевая синхронизация, при которой временная структура синхросигнала телекамеры формируется от задающего кварцевого генератора, находящегося в самой телекамере.
- Синхронизация с частотой питающей сети. В этом режиме частота задающего генератора телекамеры подстраивается синхронно с частотой сети таким образом, что фазы сети и кадровых синхроимпульсов камеры совпадают.
- Вертикальная синхронизация по внешнему сигналу кадровой синхронизации. Это когда кадровый синхронизирующий импульс от одного источника разводится на все телекамеры телевизионной сети, а далее синхронизация осуществляется так же, как и в режиме синхронно с сетью.
- Полная синхронизация по внешнему видеосигналу или по синхросмеси от одного источника. В телевизионных сетях с цветными телевизионными камерами иногда предусматривают синхронизацию фазы цветовой поднесущей.
В паспорте на телекамеру указывается, какие виды взаимной синхронизации в ней предусмотрены, а также приводятся параметры внешних сигналов, по которым эти режимы синхронизации реализуются. В качестве органов управления режимами синхронизации выступают переключатель режимов синхронизации: «Выкл.» (автономная), LLock (синхронно с сетью), VLock (вертикальная синхронизация), GenLock (генеральная или полная взаимная синхронизация) и средства плавного фазирования синхронного режима. Так в режиме синхронно с сетью для устранения расфазировки между телекамерами, питающимися от разных фаз питающей сети, предусмотрен потенциометр, позволяющий плавно изменять фазу привязки к сети в пределах ± 120 градусов.
В принципе, для установки режима взаимной синхронизации между телевизионными камерами используют осциллограф, как правило, двухлучевой. При этом синхронизацию развертки осциллографа в режиме «внешняя» осуществляют от одного из видеосигналов, назовем его «опорным». Положение второго видеосигнала относительно опорного в направлении горизонтальной развертки осциллографа оценивают по строкам и по полям, то есть в двух временных режимах горизонтальной развертки осциллографа (Фото 1 и Фото 2).
Фото 1 - Осциллограммы по кадрам
Фото 2 - Осциллограммы по строкам
При полном отсутствии режима взаимной синхронизации на осциллографе наблюдается плавное перемещение осциллограммы одного видеосигнала относительно осциллограммы другого. Особенно это хорошо видно, если одна из телекамер находится в режиме синхронизации от кварца, а другая в режиме синхронно с сетью. Невысокая стабильность частоты питающей электрической сети по отношению к частоте полей телекамеры с кварцевой стабилизацией обязательно приведет к расфазировке, которая и выльется в эффект перемещения осциллограммы видеосигнала несинхронизированного с разверткой осциллографа.
На практике зачастую не всегда двухлучевой осциллограф есть под рукой, и тогда можно воспользоваться монитором, подав на его видеовход одновременно два сигнала. На практике довольно затруднительно воспроизвести на мониторе картину из двух наложенных друг на друга телевизионных изображений от асинхронных телекамер. Дело в том, что монитор, в отличие от осциллографа, не имеет технической возможности выбрать режим синхронизации от одного из видеосигналов. Однако есть возможность наблюдать за расфазировкой между изображениями, если один из видеосигналов подать на вход монитора как обычно, а на другой вход, предназначенный для перепуска видеосигнала, подать видеосигнал в «негативной» полярности, то есть синхроимпульсами вверх (на осциллограмме). На фото 3 приведено изображение, снятое с экрана монитора и отображающее вышеописанное подключение видеосигналов, а на фото 4 на этом же изображении приведены пояснительные надписи, указывающие на положение синхроимпульсов от асинхронного сигнала.
Фото 3
Фото 4
В чистом виде эта картина отображает расхождение фаз двух изображений и по строке и по кадру. Белая широкая вертикальная полоса – это изображение строчных гасящих импульсов от видеосигнала в негативной полярности. Узкая белая полоса внутри широкой полосы отображает изображение строчных синхронизирующих импульсов от этого же видеосигнала. Очевидно, что видеосигналы существенно расфазированы по строке. Если бы они были сфазированы, то на экране монитора изображение гасящего от видеосигнала негативной полярности видно не было бы.
Аналогичная ситуация складывается и с кадровой разверткой. Белая узкая горизонтальная полоса – это изображение кадрового гасящего импульса видеосигнала, поступающего на вход монитора в негативной полярности. Ее положение на изображении свидетельствует о расхождении фаз у видеосигналов по кадру. Положение начала развертки активной части кадра у видеосигнала негативной полярности свидетельствует о том, что кадровая развертка этой телекамеры запаздывает на 50-55°.
По такой картине, в принципе, можно проводить фазировку, но это неудобно и точность фазирования будет невысокая. Значительно проще производить фазировку синхронности работы камер в телевизионной сети с помощью отдельной, назовем ее «технологической», телевизионной камеры. Поясним это на примере фазировки нескольких телекамер, работающих в телевизионной сети в режиме LLock (синхронно с сетью). Предположим, что телевизионная сеть выполнена на базе мультиплексора и включает в себя 16 телевизионных камер, мультиплексор, два монитора и клавиатуру управления. Упрощенная схема телевизионной сети представлена на Рис. 1.
Рис. 1 - Телевизионная сеть на базе мультиплексора
Мультиплексор обеспечивает возможность коммутировать последовательно видеосигналы от всех телекамер на монитор А. При этом воспроизводимые на мониторе А изображения можно наблюдать с помощью технологической телекамеры, видеосигнал от которой необходимо подать на вход отдельного монитора. Если под руками есть осциллограф, то дополнительно с его помощью можно наблюдать форму видеосигнала с выхода технологической камеры (см. Рис. 1), что, как будет показано ниже, позволит обеспечить более точную фазировку. Кстати, функции отдельного монитора может временно выполнять монитор В.
Для того чтобы определить, в какой фазе по отношению к технологической камере находятся телекамеры, видеосигналы которых воспроизводятся на мониторе А, прежде всего необходимо технологическую телекамеру поставить в режим синхронизации LLock. Затем в технологической телекамере необходимо установить значение электронного затвора равным 0,01с., то есть время накопления равное половине времени одного поля. В таком режиме экспонирования половина строк растра монитора А будет восприниматься технологической телекамерой при активной засветке люминофора лучом монитора, а вторая половина за счет послесвечения люминофора. Таким образом, на экране отдельного монитора с технологической камеры будет воспроизводиться изображение, у которого одна половина будет по яркости отличаться от другой.
Известно, что в режиме работы электронного затвора для уменьшения чувствительности телекамеры задерживают (от начала кадра) подачу напряжения накопления на фоточувствительные электроды ПЗС-сенсора. То есть при времени экспонирования, равном половине длительности поля (0,01 сек.) и сфазированных по вертикали испытуемой и технологической телекамер, нижняя половина строк растра, воспроизводимого на вспомогательном мониторе, будет более светлая, чем верхняя половина строк. Вообще-то по умолчанию, то есть при заводских установках, телекамера поставлена в режим синхронизации с частотой питающей сети. То есть фаза кадровой развертки телекамеры совпадает с фазой переменного напряжения, питающего камеру. Если в телевизионной сети все телекамеры запитываются от одной фазы, то формально они все сфазированы. Однако если при переключении изображений с телекамер в режиме живого видео на какой-то из них наблюдается подергивание изображения по вертикали, то для устранения этого дефекта достаточно поменять подключение проводов питания камеры к сети 220 вольт местами, грубо говоря, повернуть вилку включения камеры в сетевую розетку на 180 градусов.
Итак, в режиме живого видео при переключении телекамер на мониторе А в зависимости от фазировки будут наблюдаться следующие картинки:
Фото 5 – фаза кадровой развертки камеры совпадает с фазой развертки технологической камеры. То есть эти телекамеры подключены к одной и той же фазе питающей электросети.
Фото 6 – фаза кадровой развертки камеры отличается от фазы развертки технологической камеры на 180 градусов. То есть эти телекамеры так же подключены к одной и той же фазе питающей электросети, и для их фазирования необходимо поменять подключение проводников питания к электросети.
Фото 7 – фаза кадровой развертки камеры отличается от фазы развертки технологической камеры на 120 градусов. То есть эта телекамера подключена ко второй фазе питающей электросети, и для фазировки необходимо на этой телекамере изменить фазу синхронизации до получения картинки, соответствующей Фото 5.
Фото 8 – фаза кадровой развертки камеры отличается от фазы развертки технологической камеры на 240 градусов. То есть эта телекамера подключена к третьей фазе питающей электросети и для фазировки необходимо на этой телекамере изменить фазу синхронизации до получения картинки, также соответствующей Фото 5.
Изображение монитора А, воспроизводимые технологической камерой на вспомогательном мониторе
Если телекамеры уже установлены на свои места, и в камерах имеется возможность дистанционного управления параметрами, то фазирование выполняется без затруднений. Например, в телекамерах компании Bosch серии DINION-XF имеется возможность фазирования с помощью системы Bilinx по коаксиальному кабелю в направлении обратном передаче видеосигнала. В некоторых телекамерах имеется возможность управления через порт RS-232 или через другие отдельные линии связи для передачи данных управления. Если же возможности дистанционной регулировки у используемых телекамер отсутствуют, то фазировку следует производить с помощником, который будет менять регулировки на самой камере, получая команды, например, по телефону от оператора, наблюдающего изображения. Если контролировать форму видеосигнала технологической камеры на осциллографе, то по скачку средней составляющей в видеосигнале можно более точно контролировать расхождение фаз и, соответственно, более точно выполнить операцию фазирования.
Метод фазирования работы телекамер с помощью технологической камеры пригоден и для осуществления режимов синхронизации: VLock (вертикальная синхронизация) и GenLock (генеральная или полная взаимная синхронизация). Однако следует отметить, что в режиме синхронизации GenLock фазирование вертикальной синхронизации достигается без затруднений по изображению от технологической телекамеры, а фазирование строчной синхронизации возможно только с помощью осциллографа. Отметим, что при выполнении операции фазирования по горизонтали иногда требуется особое внимание и аккуратность. Дело в том, что на аналоговых телекамерах сразу (при включении режима синхронизации GenLock) не всегда удается попасть в полосу захвата фазового детектора, системы фазовой автоподстройки строчной частоты (ФАПЧ). Даже при незначительном расхождении частот на осциллограмме видеосигнал с фазируемой телекамеры будет перемещаться по горизонтали относительно засинхронизированного на осциллографе видеосигнала от технологической телекамеры. Скорость и направление перемещения (слева направо или наоборот) будут зависеть от величины расхождения частот строчных разверток телекамер. Чем больше расхождение частот, тем больше скорость перемещения наблюдаемого изображения. Настройку фазирования надо начинать, изменяя частоту таким образом, чтобы скорость перемещения уменьшалась, до момента захвата ФАПЧ. Когда произойдет захват частоты, перемещение остановится и окажется возможным проведение операции фазирования строчной частоты. Следует отметить, что операцию изменения частоты до попадания в полосу захвата ФАПЧ, необходимо проводить аккуратно, замедляя скорость изменения частоты при подходе к точке захвата, в противном случае можно проскочить эту точку и изображение начнет перемещаться в другую сторону с увеличивающейся скоростью. На практике навыки в настройке приобретаются быстро, и выполнение операций фазирования не вызывает затруднений.
Выводы
- Телекамеры в телевизионной сети охранного телевидения должны быть обязательно синхронизированы по вертикальной (кадровой) развертке, это обеспечит избежать сбоев синхронизации на мониторах при переключении.
- Представленная выше методика настройки взаимной синхронизации в режиме LLock, позволяет без особых затруднений проводить операцию синхронизации непосредственно на объектах охраны.
- В сетях IP–видеонаблюдения рекомендуется устанавливать режим синхронизации GenLock в группе камер, видеосигналы от которых приходят на одну плату видеоввода, это существенно повысит скорость видеоввода в режиме мультиплексирования и исключит эффект подергивания.
- Есть надежда, что приведенные выше выкладки позволят вам правильно сориентироваться в выборе режимов синхронизации и средств настройки в конкретной телевизионной сети.
Об авторе: Уваров Николай Егорович, начальник сервисного центра "ЗАО Компания Безопасность", к.т.н.
Показать все статьи автора >>
