Hệ thống camera quan sát là hệ thống bao gồm các thiết bị cho phép người sử dụng quan sát, theo dõi các hình ảnh, hoạt động tại một khu vực nào đó mà khơng cần có mặt trực tiếp tại nơi muốn quan sát. Hệ thống camera quan sát không chỉ cho phép người dùng quan sát ngay tại thời điểm các hoạt động này xảy ra mà còn cho phép ghi lại hình ảnh, lưu trữ và xem lại bất cứ lúc nào.
Với các chức năng trên, hệ thống camera quan sát đang được ứng dụng rất rộng rãi và thành công trong lĩnh vực giao thông vận tải tại nhiều quốc gia trên thế giới, góp phần vào việc điều hành và quản lý các tuyến đường giao thông một cách hiệu quả, mang lại nhiều lợi ích cho người tham gia giao thơng cũng như góp phần đảm bảo trật tự an tồn giao thơng, một vấn đề cấp bách của hầu hết các quốc gia.
Tại Việt Nam, hệ thống camera quan sát đang bước đầu được triển khai thí điểm trên một số tuyến đường trọng điểm nhằm thu thập và cung cấp thơng tin về tình trạng lưu thơng trên các tuyến đường cho trung tâm điều hành, hỗ trợ trung tâm điều hành và quản lý giao thông điều tiết giao thông từ xa một cách hiệu quả, nhanh chóng phát hiện các sự cố đột xuất xảy ra trên đường để kịp thời xử lý sự cố, giảm ùn tắc giao thông. Đồng thời, hệ thống camera giám sát cũng cho phép ghi nhận lại các hành vi vi phạm trật tự an tồn giao thơng của người tham gia giao thông như: đi không đúng làn đường, không chấp hành hiệu lệnh của đèn tín hiệu giao thơng, … nhằm có cơ sở xử phạt và góp phần nâng cao ý thức của người tham gia giao thông.
Một hệ thống camera quan sát thông thường sẽ bao gồm các thành phần sau: camera, thiết bị ghi hình, hệ thống hiển thị hình ảnh.
2.1.1. Camera
Định nghĩa camera
Camera là một thiết bị ghi nhận hình ảnh. Với chức năng ghi hình, camera cho phép người sử dụng theo dõi, quan sát các hình ảnh hoạt động diễn ra tại khu vực đặt camera, trong vòng bán kính ghi nhận của camera mà khơng cần có mặt trực tiếp tại khu vực đó.
Phân loại camera
Có nhiều tiêu chí để phân loại camera, tuy nhiên người ta thường phân loại theo 3 tiêu chí sau: phân loại theo kỹ thuật hình ảnh, phân loại theo kỹ thuật đường truyền và phân loại theo tính năng sử dụng.
- Camera Analog:
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại camera này hiện nay ít dùng.
- Camera số CCD (Charge Couple Device):
Camera CCD sử dụng kĩ thuật cảm biến CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp những ơ tích điện có thể cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Sau đó tín hiệu điện được đưa vào bộ chuyển đổi ADC để chuyển sang tín hiệu số và đưa vào các bộ xử lý. Nguyên tắc hoạt động của CCD có thể mơ tả sau đây: CCD thu nhận những hình ảnh thơng qua các hệ thống thấu kính của camera. CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và được số hố.
Camera sử dụng cảm biến CCD có độ nhạy sáng rất tốt, ghi nhận hình ảnh có độ phân giải cao, dải màu liên tục. Tuy nhiên, mặt hạn chế của cảm biến CCD là tốc độ xử lý để hoàn thiện một bức ảnh chậm, có thể bị nhiễu ánh sáng (thừa sáng hoặc thiếu sáng từ điểm này sang điểm kia),… mà để cải thiện các điểm bất lợi này làm cho giá thành sản xuất các cảm biến CCD khá cao.
- Camera CMOS (Complementary Metal oxide Semiconductor):
Là loại camera sử dụng kỹ thuật cảm biến CMOS để nhận biết hình ảnh. CMOS là một mạng lưới các điểm bắt sáng (điểm ảnh – pixel) đa năng nhờ khả năng tích hợp cao. Đa năng được hiểu theo nghĩa là ngay tại từng điểm ảnh riêng lẻ đã có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh: chuyển đổi tương tự/số, cân bằng trắng,
… Chính vì vậy, ưu điểm của cảm biến CMOS là khả năng xử lý ảnh nhanh, bảng mạch chính khơng cần thêm các chip bổ trợ nên không mất thêm khơng gian cũng như tiêu thụ ít điện năng. Quy trình sản xuất cảm biến CMOS đơn giản, đã được đưa vào sản xuất đại trà nên giá thành rẻ. Tuy nhiên, cảm biến CMOS cũng có những nhược điểm như: hình ảnh ghi nhận có độ nhiễu nhất định do khó đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khuếch đại ở từng điểm ảnh, ảnh bị mất thơng tin khi ánh sáng rơi vào những vị trí của mạch khuếch đại, dẫn đến hình ảnh có độ phân giải khơng cao. Trong giai đoạn đầu công nghệ CCD đã thắng thế CMOS về chất lượng dù giá thành đắt đỏ hơn.
Tuy nhiên, công nghệ mới CMOS vẫn đang được phát triển khơng ngừng và hiện nay đã có những cải thiện rất ấn tượng, tạo ra những cảm biến CMOS thế hệ mới hầu như không thua kém CCD và với lợi thế chi phí thấp, cảm biến CMOS bắt đầu thách thức sự thống trị cảm biến CCD trong thị trường camera cao cấp. Các camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt so với Camera analog về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh.
Phân loại thuật kỹ thuật đường truyền
- Camera có dây:
Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an tồn cao, tính bảo mật tốt, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục C5. Khi truyền với khoảng cách xa trên 200m thì cần có bộ khuếch đại tín hiệu để đảm bảo chất lượng hình ảnh.
Giống như tên gọi, các camera này đều khơng có dây. Tuy nhiên, các camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn. Các loại camera khơng dây có ưu điểm đó là dễ thi cơng lắp đặt do khơng cần đi dây, tuy nhiên camera khơng dây có hệ số an tồn khơng cao. Có một số vấn đề cần quan tâm đối với thiết bị không dây như: tần số bạn sử dụng để truyền tín hiệu, mơi trường truyền tín hiệu, … Camera khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến RF để truyền tín hiệu, thơng thường tần số dao động từ 1,2 đến 2,4MHZ. Camera không dây thường được sử dụng khi lắp đặt tại các khu vực địa hình phức tạp khó đi dây từ camera đến các thiết bị ghi hình, ví dụ như các ngơi nhà có nhiều tường chắn. Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng những thiết bị đặc biệt, hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt.
Việc sử dụng camera không dây được đánh giá là khơng an tồn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như: điện thoại di động, …
- Camera IP
Camera IP là loại camera được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng. Với camera IP người dùng có thể điều khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng internet.
Phân loại theo tính năng sử dụng
Camera này có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Đây là loại camera thường được đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã, camera này có tính năng bảo mật cao do được bọc trong hộp kín.
- Camera ẩn:
Giống như tên gọi, camera này khơng thể nhận biết được. Nó có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, có thể ngụy trang và tránh bị phát hiện, ví dụ: ngụy trang trong đầu báo khói, thú nhồi bông, đồng hồ treo tường, … Tuy nhiên khi sử dụng loại camera này bạn cần phải đảm bảo tính hợp pháp khi sử dụng.
- Box Camera:
Camera thân dài hình hộp. Đây là loại camera truyền thống thường được dùng trong các văn phòng siêu thị. Camera được bảo vệ trong hộp để tránh các tác động phá hoại hay điều kiện môi trường.
- Camera PTZ: camera quay quét
Pan: Quét ngang Tilt: Quét dọc
Z: Zoom -Phóng to, thu nhỏ
Pan/Tilt/Zoom hay những họ tương tự được biết đến với cái tên thương mại là PTZ camera. Camera này hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu nhỏ. Camera này cịn cho phép bạn kết nối với hệ thống cảm biến (sensor) và cảnh báo để phát hiện đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó.
- IR Camera và Exview (camera có khả năng quan sát đêm):
Khoảng cách quan sát ban đêm của camera phụ thuộc vào tổng công suất của đèn hồng ngoại. Khoảng cách quan sát của camera dao động khoảng 10m đến 300m. Camera IR có thể quan sát được trong điều kiện tối 100%. Camera Exview: có khả năng màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi ánh sáng kém, tuy nhiên tối 100% sẽ không quay được.
Các thơng số cần quan tâm đối với camera
Chất lượng hình ảnh
Chất lượng hình ảnh của một Camera phụ thuộc vào nhiều thơng số.
- Image Sensor: cảm biến hình
Cảm biến hình có kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt.
- Resolution: độ phân giải
Độ phân giải càng lớn thì chất lượng hình ảnh càng nét. Thường thì trong các ứng dụng không cần thiết phải quan sát thật rõ nét thì độ phân giải 400 TV Lines là hồn tồn có thể chấp nhận được.
- CCD Total Pixels: số điểm ảnh.
Thơng số này nói lên chất lượng hình ảnh, số điểm ảnh càng lớn thì chất lượng hình ảnh càng tốt, tuy nhiên, chất lượng hình ảnh càng tốt thì cũng đồng nghĩa với dung lượng ảnh càng lớn và sẽ tốn bộ nhớ lưu trữ cũng như ảnh hưởng đến tốc độ đường truyền.
Chuẩn nén tín hiệu của camera:
Các chuẩn nén tín hiệu là cơng cụ cho phép loại bỏ bớt các tín hiệu khơng cần thiết để giảm kích thước của file dữ liệu, giúp cho việc lưu trữ dữ liệu đạt hiệu quả nhất và cải thiện tốc độ truyền dữ liệu trên đường truyền. Hiện tại, các chuẩn nén tín hiệu video thường được sử dụng là: MJPEG, MPEG-x, H.26x…
- MJPEG:
Là chuẩn nén tuân theo nguyên lý hoạt động là loại bỏ bớt những dư thừa trong miền không gian. MJPEG là chuẩn nén lâu đời nhất, đã từng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, tín hiệu hình ảnh sau khi giải nén thường sai lệch nhiều so với ảnh gốc nên hiện nay ít được sử dụng.
- MPEGx và H.26x:
Là các chuẩn nén hoạt động theo nguyên lý loại bỏ bớt những dư thừa trong cả miền miền không gian và miền tần số. Với các chuẩn MPEGx trước MPEG4 và H.26x trước H.264, tín hiệu hình ảnh sau khi giải nén cũng cho chất lượng ảnh không tốt như MJPEG, tuy nhiên về khả năng giảm không gian lưu trữ và dung lượng truyền dẫn thì tốt hơn nhiều so với chuẩn MJPEG.
MPEG4: ra đời từ việc nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm
của MPEG2. MPEG4 là định dạng nén ảnh có kỹ thuật tiên tiến nhất, đáp ứng được các địi hỏi trong việc tối thiểu hóa dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ, trong khi vẫn giữ được tính trung thực của ảnh.
H.264: là chuẩn nén mở được cơng bố chính thức vào năm 2003,
hiện là chuẩn hỗ trợ công nghệ nén tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay. Và nó đang dần được đưa vào thành chuẩn nén tiêu chuẩn của ngành cơng nghệ an ninh giám sát bằng hình ảnh. H.264 (cịn được gọi là chuẩn MPEG-4 Part 10/AVC for Advanced Video Coding hay MPEG-4 AVC) nó kế thừa những ưu điểm nổi trội của những chuẩn nén trước đây. Đồng thời sử dụng những thuật tốn nén và phương thức truyền hình ảnh mới phức tạp, phương pháp nén và truyền hình ảnh mà chuẩn H.264 sử dụng đã làm giảm đáng kể dữ liệu và băng thông truyền đi của video.Với cách nén và truyền thông tin bằng chuẩn H.264 làm giảm đến 50% băng thơng và kích thước file dữ liệu lưu trữ so với cách nén thông thường hiện nay (chuẩn nén thông thường hiện nay đang được sử dụng rộng rãi là MPEG-4 Part 2) và giảm tới hơn 80% băng thơng và kích thước file dữ liệu lưu trữ so với nén bằng chuẩn MJPEG.
Điều kiện hoạt động
- Minimum Illumination: Cường độ ánh sáng nhỏ nhất.
Thường được tính bằng lux. Thơng số này cho biết camera chỉ có thể hoạt động ở cường độ ánh sáng lớn hơn cường độ ánh sáng nhỏ nhất. Trong điều kiện q tối, nếu khơng phải là camera có chức năng hồng ngoại thì sẽ khơng hoạt động được.
Ngồi ra, cũng có loại camera có chức năng Auto Iris (tự động hiệu chỉnh ánh sáng). Đặc điểm của camera loại này là chỉ với 1 nguồn sáng nhỏ, nó có thể tự động khuyếch đại nguồn sáng đó lên để có thể quan sát được.
- Power Supply: nguồn cung cấp
Hiện nay đa số các camera đều dùng loại nguồn 12VDC, chỉ một số ít các camera dùng nguồn khác. Tuy nhiên, người sử dụng khơng phải lo lắng đến vấn đề nguồn 12VDC, vì phần lớn các camera đều đi kèm với bộ chuyển đổi nguồn, do đó có thể sử dụng trực tiếp nguồn 220VAC.
- Operatinon Temperature: dải nhiệt độ hoạt động.
Phần lớn các Camera đều cho phép hoạt động trong dải nhiệt độ -100C đến -500C, nếu cần sử dụng trong những điều kiện khắc nghiệt như trong cơng nghiệp, khu vực có nhiệt độ cao nên sử dụng các loại camera chuyên dụng trong công nghiệp.
- Operational Humidity: độ ẩm cho phép.
Thông thường, độ ẩm cho phép là 85% RH (độ ẩm tương đối)
Góc quan sát.
Trong tài liệu kĩ thuật thường khơng ghi góc mở, mà ghi thơng số tiêu cự ống kính thay cho góc mở. Có thể sử dụng bảng quy đổi sau:
Bảng 2.1 Bảng quy đổi từ tiêu cự ống kính sang góc mở của camera
Kích thước cảm biến Ống kính Góc quan sát ngang Góc quan sát dọc Góc quan sát chéo 1/4” CCD 2.8mm 65°28′ 51°28′ 77°34′ 3.5mm 54°25′ 42°11′ 65°28′ 4mm 48°27′ 37°17′ 58°42′
4.8mm 41°06′ 31°25′ 50°13′ 6mm 33°23′ 25°21′ 41°06′ 8mm 25°21′ 19°09′ 31°25′ 12.5mm 16°23′ 12°19′ 20°24′ 16mm 12°50′ 9°38′ 16°00′ 17mm 12°05′ 9°04′ 15°04′ 25mm 8°14′ 6°10′ 10°17′ 35mm 5°53′ 4°25′ 7°21′ 50mm 4°07′ 3°05′ 5°09′ 75mm 2°44′ 2°03′ 3°26′ 8.5-51mm 23°54′ ~4°02′ 18°02′ ~3°01′ 29°39′ ~5°03′ 12.5-75mm 16°23′ ~2°44′ 12°19′ ~2°03′ 20°24′ ~3°26′ 11-110mm 18°35′ ~ 1°52′ 13°59′ ~ 1°24′ 23°07′ ~ 2°20′ 16-160mm 12°50′ ~1°17′ 9°38′ ~0°58′ 16°00′ ~1°36′ 1/3” CCD 2.8mm 81°12′ 65°28′ 93°56′ 3.5mm 68°52′ 54°25′ 81°12′ 4mm 61°55′ 48°27′ 73°44′
4.8mm 53°07′ 41°06′ 64°00′ 6mm 43°36′ 33°23′ 53°07′ 8mm 33°23′ 25°21′ 41°06′ 12.5mm 21°44′ 16°23′ 26°59′ 16mm 17°03′ 12°50′ 21°14′ 17mm 16°04′ 12°05′ 20°00′ 25mm 10°58′ 8°14′ 13°41′ 35mm 7°50′ 5°53′ 9°47′ 50mm 5°29′ 4°07′ 6°52′ 75mm 3°39′ 2°44′ 4°34′ 8.5-51mm 31°32′ ~5°23′ 23°54′ ~4°02′ 38°52′ ~6°43′ 12.5-75mm 21°44′ ~3°39′ 16°23′ ~2°44′ 26°59′ ~4°34′ 11-110mm 24°36′ ~ 2°29′ 18°35′ ~ 1°52′ 30°30′ ~ 3°07′ 16-160mm 17°03′ ~1°43′ 12°50′ ~1°17′ 21°14′ ~2°08′ 1/2” CCD 2.8mm 97°37′ 81°12′ 110°00′ 3.5mm 84°52′ 68°52′ 97°37′ 4mm 77°19′ 61°55′ 90°00′
4.8mm 67°22′ 53°07′ 79°36′ 6mm 56°08′ 43°36′ 67°22′ 8mm 43°36′ 33°23′ 53°07′ 12.5mm 28°43′ 21°44′ 35°29′ 16mm 22°37′ 17°03′ 28°04′ 17mm 21°19′ 16°04′ 26°28′ 25mm 14°35′ 10°58′ 18°10′ 35mm 10°26′ 7°50′ 13°02′ 50mm 7°19′ 5°29′ 9°08′ 75mm 4°53′ 3°39′ 6°06′ 8.5-51mm 41°15′ ~7°10′ 31°32′ ~5°23′ 50°24′ ~8°58′ 12.5-75mm 28°43′ ~4°53′ 21°44′ ~3°39′ 35°29′ ~6°06′ 11-110mm 32°26′ ~ 3°19′ 24°36′ ~ 2°29′ 39°57′ ~ 4°09′ 16-160mm 22°37′ ~2°17′ 17°03′ ~1°43′ 28°04′ ~2°51′ Tùy vào ứng dụng của người sử dụng mà chọn loại camera có góc quan sát là bao nhiêu độ. Nếu cần quan sát rộng, có thể chọn loại camera có góc mở lớn (thường là 900). Cịn nếu chỉ muốn quan sát trong một phạm vi rất hẹp thì cũng sẽ có những loại camera phù hợp.
Cịn nếu muốn góc quan sát rất lớn, nên chọn loại camera đặc biệt có chức năng Pan/Tilt (quay ngang, quay dọc). Nếu đã có một chiếc camera nhưng khơng có chức năng Pan/Tilt, người ta hồn tồn có thể cải tiến nó bằng cách lắp thêm một đế quay ngang, quay dọc.