Аналоговое коммутационное оборудование

Самое простое и наиболее широко распространенное устройство, используемое в небольших и средних видеосистемах, – этопоследовательный видеокоммутатор.

Последовательные видеокоммутаторы

Поскольку в большинстве систем видеонаблюдения телекамер больше, чем видеомониторов, то требуется устройство, последовательно переключающееся с сигнала одной телекамеры на сигнал другой.

Такое устройство называется последовательным видеокоммутатором.

Последовательные видеокоммутаторы бывают разные. Самый простой – это 4‑входовый видеокоммутатор, есть 6, 8, 12, 16 и даже 20‑входовые видеокоммутаторы. Не исключено и другое количество входов, хотя встречается реже.

На передней панели видеокоммутатора расположен ряд кнопок для каждого входа, и кроме переключателя для ручного выбора телекамер есть переключатель для включения телекамер в последовательность или их обход. При помощи переменного резистора может быть изменено время наблюдения. Наиболее распространенная и целесообразная установка времени наблюдения составляет 2–3 секунды. Более короткое время слишком непрактично и будет утомлять глаза оператора, а более длительное время сканирования может привести к потере информации с тех телекамер, которые не отображались в это время на экране. Так что в некотором смысле последовательные видеокоммутаторы – это всегда компромисс.

Кроме классификации по количеству видеовходов, последовательные коммутаторы можно классифицировать по наличию или отсутствию входов тревоги.

Если последовательный видеокоммутатор имеет входы тревоги, это означает, что срабатывание внешних нормально разомкнутых (N/O) или нормально замкнутых (N/C) «сухих» контактов может остановить последовательное переключение и отобразить на экране видеосигнал из зоны тревоги. В качестве источников сигнала тревоги могут служить различные устройства тревожной сигнализации. Для внутренних (находящихся в помещении) систем выбор подходящего датчика не вызывает вопросов, но вот к внешним датчикам тревоги больше требований и подобрать их труднее. Не существует универсального датчика, который подходил бы для всех применений. Диапазон вариантов наблюдаемых зон и окружающих условий слишком велик. При выборе датчика может помочь специализированный поставщик, который обладает и знаниями, и опытом.

Рис. 7.1. Простой 8‑канальный последовательный видеокоммутатор

Рис. 7.2 . Усовершенствованный видеокоммутатор

Наиболее распространены пассивные и активные инфракрасные датчики, датчики открывания дверей, видеодетекторы движения и подобные устройства. Проектируя подобного рода систему, следует подумать об активности коммутатора после отключения тревоги, то есть о том, сколько времени видеосигнал тревоги будет оставаться на экране, требуется ли ручной или автоматический сброс тревоги, и если верно последнее, через сколько секунд он должен срабатывать; что случится, если одновременно сработает несколько датчиков тревоги и т. п. Ответы на эти вопросы и определяют эффективность видеосистемы и алгоритм ее функционирования. Не существует общего ответа на все подобные вопросы, поэтому следует проверить все технические характеристики оборудования, а лучше, если вы протестируете систему сами.

Довольно часто, хотя нельзя назвать это правилом, простые последовательные видеокоммутаторы (без входов тревоги) имеют только один выход видеосигнала. Последовательные коммутаторы с входами тревоги довольно часто имеют два выхода, один – для вывода изображений в режиме последовательного переключения, другой – для вывода изображения по тревоге (второй выход часто называется «тревожный» или «spot»).

Последовательный видеокоммутатор (или для краткости коммутатор) – это самое экономичное устройство в цепи между совокупностью телекамер и видеомонитором. Это не значит, что не существует более сложных и усовершенствованных последовательных коммутаторов. Существуют модели с функцией генератора текста (идентификация телекамер, время, дата), множественными опциями конфигурации интерфейса RS‑485 или RS‑422 и пр.

Некоторые подобные модели имеют функцию подачи по коаксиальному кабелю или напряжения питания для телекамеры, или синхронизирующих импульсов. Это необходимо для синхронизации телекамер, что мы сейчас и обсудим. Большинство этих усовершенствованных последовательных видеокоммутаторов может быть легко расширено до миниатюрного матричного коммутатора.

Синхронизация

Один из самых важных аспектов видеокоммутатора, независимо от числа его входов, – это используемый метод переключения. То есть, если на вход коммутатора подается сигнал более чем с одной телекамеры, то, естественно, сигналы будут в различных фазах. Это следствие того факта, что каждая телекамера в некотором смысле представляет собой автономный генератор, выдающий сигнал частоты, соответствующей ТВ‑стандарту (625x25=15625 Гц для CCIR и 525x30=15750 Гц для EIA), и трудно себе представить, чтобы полдюжины телекамер случайным образом могли бы быть в одной фазе. Даже если у вас только две телекамеры, и то вряд ли. Такие сигналы, находящиеся в случайной фазе, мы называем несинхронизированными. Когда несинхронизированные сигналы проходят через последовательный видеокоммутатор, то на экране видеомонитора проявляется нежелательный эффект: медленное перемещение изображения по вертикали. Причиной этого эффекта являются разности фаз кадровых синхроимпульсах различных телекамер, что приводит к раздражающему глаз эффекту, который возникает каждый раз при переключении коммутатора с одной камеры на другую. Этот эффект становится еще более неприемлем, если производится запись выходного сигнала с коммутатора на видеомагнитофон.

Почему нарушение кадровой синхронизации более заметно на видеомагнитофоне? Головка видеомагнитофона требует механической синхронизации кадровыми синхроимпульсами от различных телекамер, в то время как видеомонитор делает это электронным образом. Единственный способ успешно преодолеть эффект перемещения изображения по вертикали заключается в синхронизации источников сигналов, то есть телекамер.

Самый удобный способ синхронизации телекамер – это использование внешнего генератора синхроимпульсов. В этом случае следует использовать телекамеры с входом для внешней синхронизации (имейте в виду, не каждая телекамера имеет возможность внешней синхронизации). У различных телекамер различные входы синхронизации, но вот наиболее распространенные варианты используемых для синхронизации сигналов:

– Строчные синхроимпульсы (синхроимульсы строчной развертки HD)

– Кадровые синхроимпульсы (синхроимпульсы кадровой развертки VD)

– Импульсы синхросмеси (HD и VD в одном сигнале, композитный видеосинхроимпульс или CVS).

Для синхронизации телекамер от синхрогенератора нужны дополнительные коаксиальные кабели (кроме кабелей для передачи видеосигналов), а синхрогенератор должен иметь столько же выходов, сколько телекамер в системе.

Понятно, такое решение является достаточно дорогим, хотя теоретически – это самый правильный способ синхронизации. Некоторые производители выпускают модели, в которых синхроимпульсы от видеокоммутатора к телекамере передаются по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается видеосигнал. Единственная проблема при такой конфигурации – все оборудование должно быть от одного производителя.

Рис. 7.3 . Телекамера с синхронизацией от сети (24 В АС) с внешним входом кадрового синхроимпульса

Есть и более дешевые способы борьбы со срывом кадровой синхронизации. Один из наиболее приемлемых – это использование телекамер с синхронизацией от сети (Line‑locked ). Это телекамеры либо 24 В АС, либо 240 В АС (110 В АС для США, Канады, Японии). Частота сети 50 Гц (60 Гц в Канаде, США и Японии) совпадает с частотой кадровой синхронизации, так что телекамеры с синхронизацией от сети выполнены таким образом, что фиксируют пересечение нуля синусоиды сетевого электропитания и настраивают кадровый синхроимпульс по фазе с частотой сети. Если все телекамеры системы подключены к одному источнику электропитания (одной фазы), то все телекамеры будут с ним синхронизированы и, соответственно, будут синхронизированы между собой.

Этот метод самый дешевый, хотя может давать нестабильность фазы – из‑за сильных промышленных нагрузок, включаемых и выключаемых непредсказуемым образом. И все же, это самый простой путь.

Есть даже решение для случая, когда различные телекамеры подключены к различным источникам питания, – это так называемая регулировка V‑фазы, регулятор расположен на корпусе телекамеры, что позволяет электронике телекамеры обеспечить синхронизацию даже при разности фаз до 120°. Следует отметить, что низковольтные телекамеры переменного тока (24 В АС) более популярны и более практичны, чем высоковольтные, и главным образом потому, что они безопаснее.

Некоторые телекамеры спроектированы для приема видеосигнала предыдущей телекамеры и синхронизации по этому сигналу. Этот процесс называется синхронизация типа «master‑slave» (ведущий‑ведомый).

Соединяя все телекамеры в такую цепочку, можно получить синхронизированную систему, где одна телекамера будет ведущей (master ), а все остальные – ведомыми (slave ). Для этого все телекамеры должны быть соединены дополнительным коаксиальным кабелем, кроме кабеля для передачи видеосигнала.

И все же не каждый последовательный видеокоммутатор может использовать преимущества синхронизированных телекамер. Коммутатор должен иметь еще и опцию переключения по кадровому синхроимпульсу. Только тогда коммутатор может переключать синхронизированные сигналы в момент вертикального синхроимпульса, так что переключение будет гладким, без перемещения изображения по вертикали. Коммутаторы без этой опции переключаются произвольным образом, не в конкретно определенный период видеосигнала. Если время наблюдения настроено на конкретное значение, то коммутатор с опцией переключения по вертикальному синхроимпульсу срабатывает с учетом этой величины, но только в период вертикального синхроимпульса. Таким образом, переключение происходит чисто, в период вертикального гасящего импульса, и не дает «срыва» изображения на экране видеомонитора.

Обычные видеокоммутаторы, не обладающие этой опцией, будут переключать сигнал в любой момент процесса вывода изображения, и это может произойти, например, на середине развертки поля. Если телекамеры синхронизированы, эффекта срыва кадровой синхронизации не будет, но все же оператор будет наблюдать излом изображения из‑за резкого переключения с одного сигнала на другой в середине выводимого поля изображения.

Та же концепция переключения применима и для старшего брата последовательного видеокоммутатора – матричного видеокоммутатора.

Рис. 7.4. Элементы кадрового синхроимпульса

Матричные видеокоммутаторы

Матричный видеокоммутатор (Video Matrix Switcher – VMS ) приходится старшим братом последовательному коммутатору. Матричный видеокоммутатор (VMS) является мозгом системы и входит в состав больших систем видеонаблюдения.

Если мы расположим на схеме видеовходы против видеовыходов, то получим матрицу – отсюда и название «матричный». Довольно часто матричные видеокоммутаторы называют узловыми (cross‑point). Узлы (или точки пересечения) – это электронные переключатели, которые в любой момент могут подключить любой вход к любому выходу, сохраняя при этом режим согласования нагрузки.

Так, один видеосигнал может быть выбран одновременно более чем на одном выходе. А несколько входов могут быть выбраны для переключения по одному выходу, только в этом случае мы получим последовательное переключение между несколькими входами, так как иметь более одного видеосигнала на одном выходе в один момент времени невозможно.

Таким образом, матричный видеокоммутатор по существу представляет собой большой последовательный коммутатор с рядом усовершенствований:

– VMS может контролироваться несколькими операторами. Вспомните: последовательный коммутатор имеет кнопки на передней панели, так что только один оператор может управлять системой в данный момент времени. Матричным видеокоммутатором может одновременно управлять дюжина операторов и даже более. В этом случае каждый оператор обычно контролирует один видеоканал. В зависимости от модели VMS может быть достигнут определенный уровень интеллектуального управления. Операторы могут иметь равные или различные приоритеты, зависящие от их положения в структуре безопасности.

– VMS обрабатывают сигналы со многих видеовходов и подают их на большое число выходов, но, что наиболее важно, их число может быть легко расширено просто добавлением модулей.

– В состав VMS входят цифровые контроллеры для управления поворотными устройствами и объективами. Клавиатура обычно имеет встроенный джойстик или кнопки, служащие управляющими элементами, а в месте установки телекамеры имеется так называемый PTZ‑блок (приемник сигналов телеуправления), который по сути входит в систему VMS. PTZ‑блок обменивается с матричным видеокоммутатором цифровой информацией и управляет поворотным устройством и вариообъективом и, возможно, другими дополнительными устройствами (такими как омыватель/очиститель стекла термокожуха телекамеры).

– VMS генерирует код идентификации телекамеры, время, дату, имя оператора системы, сообщения тревоги в блоке выводимой на экран информации, накладываемой на видеосигнал.

– VMS имеет множество входов и выходов тревоги и может быть расширен до практически любого их количества. Возможна любая комбинация тревог, вроде N/O (нормально разомкнутые контакты), N/C (нормально замкнутые контакты) и их логические комбинации OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ‑НЕ), AND (И), NAND(H‑HE).

– Мозгом устройства является микропроцессор, его использование позволяет матричным видеокоммутаторам выполнять сложные задачи по управлению видеосигналом и сигналами тревоги. Вечно растущие требования к мощности и производительности обработки приводят к тому, что микропроцессоры становятся все дешевле и мощнее. Сегодня эти сложные операции выполняет современный персональный компьютер. Вследствие этого установка VMS превращается в задачу программирования, сложную, но вместе с тем предоставляющую огромную мощность и гибкость: парольная защита для обеспечения безопасности, регистрация данных, тестирование системы, переконфигурирование по модему и пр. Последнее веяние – это использование графического интерфейса пользователя в среде Windows™ или OS/2™, сенсорных экранов, графического представления зоны наблюдения, модифицируемого при изменении зоны и многое другое.

– Разработчику системы или руководителю VMS может показаться сложным устройством, но он прост и дружественен по отношению к оператору и, что еще более важно, быстр в отклике на чрезвычайные ситуации.

Рис. 7.5. Усовершенствованный матричный видеокоммутатор

Рис. 7.6. Матричный видеокоммутатор Махрго в Star City Casino (Сидней) обрабатывает сигналы более чем от 1000 телекамер с записью более чем на 800 видеомагнитофонов

Рис. 7.7. Матричный видеокоммутаторPlettac системы видеонаблюдения в аэропорту Франкфурта

В мире всего горстка фирм выпускает матричные видеокоммутаторы, большая часть из них находится в США, Великобритании, Дании, Германии, Японии и Австралии. Многие придерживаются традиционной концепции узлового переключения с небольшим уровнем перепрограммируемости с использованием EPROM, поддерживаемой аккумулятором. Более ранние концепции с EPROM (без подзарядки) могли работать лишь несколько недель. Но многие фирмы пошли путем гибкого программирования и хранения данных на гибких и жестких дисках, что предохраняет от потери информации даже при обесточивании системы в течение более двух месяцев.

Требование совместимости привело многие системы к PC‑платформе, которая знакома большинству пользователей и, в то же время, обеспечивает совместимость со многими программами и операционными системами, которые могут совместно работать.

Новые модели матричных видеокоммутаторов учитывают практически каждую деталь. Прежде всего, конфигурирование новой системы или переконфигурирование старой осуществляется очень просто – посредством ввода данных в меню установки. Однако высокий уровень защиты программы установки не позволит любому встречному «играть» с настройками, доступ имеют только зарегистрированные пользователи, которые знают код и процедуры доступа.

Рис. 7.8. Клавиатура интеллектуального, эргономичного и конфигурируемого матричного видеокоммутатора

Далее, VMS стали достаточно интеллектуальными и мощными, так что стало возможным управление другими сложными устройствами. Это освещение в здании, кондиционирование воздуха, контроль открывания дверей и шлагбаумов на автомобильных стоянках, управление электроснабжением и другими ежедневными операциями, производимыми в определенное время суток или при конкретных обнаруживаемых обстоятельствах.

К сожалению, не существует стандарта или единого языка конфигурирования и программирования матричных коммутаторов. Производители используют различные концепции и идеи, так что очень важно найти хорошего эксперта по данной системе.

Обычно матричные коммутаторы поставляются в базовой конфигурации с 16 или 32 входами и 2 или 4 выходами видеосигнала. Это наиболее распространенные конфигурации, хотя возможны и другие.

Многие коммутаторы имеют несколько входов и выходов тревоги. Почти все коммутаторы в базовой конфигурации имеют опцию генератора текста и клавиатуру управления.

Инструкция для оператора и другая техническая информация являются неотъемлемой частью устройства.

Рис. 7.9. Большие матричные видеокоммутаторы Pacific Communications поставляются аккуратно смонтированными

Большинство поставщиков просят указывать при заказе, требуется ли включить модули PTZ‑управления, так как во многих системах используются только фиксировано установленные телекамеры и управление поворотными устройствами не требуется. В некоторых матричных видеокоммутаторах управление поворотными устройствами заложено изначально.

Последнее не означает, что приемник сигналов телеуправления является обязательным компонентом VMS.

Поскольку количество поворотных устройств может меняться от системы к системе, то при заказе надо учитывать прогнозируемое число таких устройств. Сколько из них вы будете действительно использовать в системе, зависит от ее конструкции и модели. В большинстве случаев VMS использует цифровое управление с ограниченным числом адресуемых блоков.

Это число зависит также и от расстояний, и может меняться от 1 до 32 поворотных устройств. Для большего числа приемников сигналов телеуправления потребуются дополнительные модули PTZ‑контроля.

Повторю еще раз, что до сегодняшнего момента между продукцией различных производителей не было совместимости, и поэтому видеокоммутатор одной марки и приемник сигналов телеуправления другой фирмы. В большинстве случаев, если система с матричным коммутатором нуждается в обновлении, вам придется заменить систему почти целиком, за исключением телекамер, объективов, видеомониторов и кабелей. Хотя, честно говоря, в период между первым изданием книги и этим, я обнаружил, что все больше производителей начали выпускать многофункциональные панели управления (driver boards ), при помощи которых можно контролировать, по меньшей мере, пару различных марок. Более того, сейчас выпускаются преобразователи протоколов (protocol converter boxes ), которые позволяют пользователю, знающему протоколы скоростной телекамеры и матричного видеокоммутатора, использовать их в одной системе.

Небольшие системы – с числом камер до 32 – легко конфигурируются, но если от матричного коммутатора требуется большее число входов и выходов, то лучше поговорить с представителем производителя и точно определить требуемые модули. Таким образом вы поймете разницу между приемлемой и дорогой системой, так же как между функционирующей и нефункционирующей системой.

Так как матричные видеокоммутаторы кроме простого переключения каналов умеют делать и многое другое, то их иногда называют системой управления видеонаблюдения. Это не значит, что VMS может выполнять функцию видеоквадратора или мультиплексирование сигналов. Если требуется выполнение этих функций, то вам понадобятся видеоквадратор и видеомультиплексор. (В настоящее время имеются видеомультиплексоры с функцией матричного видеокоммутатора. Прим. ред .)

Рис. 7.10. Типичный приемник сигналов телеуправления