Podstawowym elementem kamery decydującym o jakości obrazu jest przetwornik CCD, który przetwarza sygnał świetlny (obraz obiektu) na sygnał elektryczny. Dalej w skład kamery wchodzi szereg urządzeń elektronicznych, które dokonują obróbki sygnału elektrycznego. W kamerach cyfrowych sygnał elektryczny otrzymywany z przetwornika CCD jest zamieniany na postać cyfrową i dalej poddawany obróbce w procesorze sygnałowym. Dzięki temu pojawiają się nowe możliwości obróbki sygnału, do których zaliczyć można detekcję ruchu, BLC i elektroniczny zoom. Ponadto cyfrowa obróbka sygnału stwarza możliwość łatwego wprowadzania dodatkowych informacji do sygnału, np. data, opisy, menu ekranowe. Takie kamery charakteryzują się również lepszym kontrastem, często mają możliwość redukcji rozmycia jasnych punktów obrazu.

1. Parametry kamer

Czułość kamery określa jej zdolność widzenia przy słabym oświetleniu. Najczęściej jest podawana w luksach (lx) przy określonym otworze względnym przysłony obiektywu (F). Różni producenci stosują jednak różne warunki pomiarów i dlatego bardzo trudno porównywać różne kamery. W praktyce spotyka się następujące sposoby określania czułości kamery:
- czułość użytkowa, przy której osiąga się określony odstęp sygnału wizyjnego od szumów,
- czułość pełnego sygnału wizyjnego, przy której sygnał wizyjny osiąga wartość 1Vpp niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum,
- czułość -6dB, przy której amplituda części wizyjnej sygnału kamery osiąga wartość 0,35V niezależnie od osiągniętego odstępu sygnał/szum.

Rozdzielczość kamery określa zdolność rozróżniania drobnych szczegółów na ekranie. Jest podawana w liniach telewizyjnych. Rozdzielczość jest określana zarówno dla pionu, jak i dla poziomu. Rozdzielczość zależy od ilości pikseli przetwornika CCD, przy czym nie jest to zależność jednoznaczna. Rozdzielczość pozioma i pionowa są zawsze mniejsze niż odpowiednia ilość pikseli przetwornika.

Stosunek sygnał/szum (S/N) określa zdolność kamery do generacji obrazu dobrej jakości, pośrednio jest związany z czułością kamery.

2. Rodzaje kamer

Podstawowym elementem każdej kamery jest przetwornik obrazowy CCD (Charge Coupled Device). Dzięki zastosowaniu tego typu przetworników współczesne kamery cechują się miniaturowymi gabarytami oraz brakiem zniekształceń geometrycznych. Wielkość zastosowanego przetwornika może być pierwszym kryterium podziału kamer:
- 2/3" to przetwornik o wymiarach 6,6 x 8,8mm (przekątna 11mm),
- 1/2" to przetwornik o wymiarach 4,8 x 6,4mm (przekątna 8mm),
- 1/3" to przetwornik o wymiarach 3,7 x 4,9mm (przekątna 6mm),
- 1/4" to przetwornik o wymiarach 2,7 x 3,6mm (przekątna 4mm).
Zapis ułamkowy pochodzi od dawniej stosowanych lamp analizujących. Liczba określała średnicę zewnętrzną lampy. Pole obrazowe lampy o średnicy 1" miało przekątną 16mm i właśnie ta wartość stanowi podstawę dalszych określeń.

Najnowsze przetworniki CCD mają coraz mniejsze rozmiary przy coraz lepszych parametrach. I tak czasy przetworników 2/3" już minęły, podobnie rzecz się ma z przetwornikami 1/2". Obecnie na rynku "panują" przetworniki 1/3" i coraz częściej pojawiają się 1/4". W nowoczesnych przetwornikach piksele są coraz mniejsze i dzięki temu jest możliwe ich znaczne zagęszczenie na małej powierzchni. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż do małych przetworników są potrzebne mniejsze obiektywy. Aczkolwiek zastosowany obiektyw większy, przez co osiąga się nawet lepszą jakość obrazu (zniekształcenia optyczne rosną wraz z oddalaniem się od osi optycznej obiektywu).

Pod względem czułości kamery można podzielić z grubsza na:
- kamery czarno-białe o standardowej czułości około 0,1 luksa,
- kamery czarno-białe o podwyższonej czułości nawet poniżej 0,01 luksa,
- kamery kolorowe o standardowej czułości około 4 luksów,
- kamery kolorowe o podwyższonej czułości poniżej 1 luksa.
Różnice w wynikach pomiarów kamer przy różnych definicjach mogą dochodzić nawet i do 100 razy. Niestety producenci bardzo często nie podają metody pomiaru, co poważnie dezorientuje w kwestii oceny. Najczęściej ten fakt wynika z chęci poszczególnych producentów do "prześcignięcia" firm konkurencyjnych. Na rynku spotyka się nawet tanie kamery, dla których producenci podają czułość 0,0001lx. Oczywiście nie precyzują sposobu określania tej czułości...

Przy uwzględnianiu czułości kamer należy pamiętać, że bardzo duże czułości kamer najczęściej w praktyce nie są potrzebne. Czasami nawet mogą być niewskazane, zwłaszcza przy silnym oświetleniu obserwowanych obiektów. W celu przybliżenia wymogów dotyczących czułości kamer poniżej podano przykładowe poziomy oświetlenia przy różnych źródłach światła:
- oświetlenie powierzchni ziemi przez księżyc w pełni w pogodną noc wynosi 0,1-0,2 luksa,
- oświetlenie uliczne zapewnia z reguły kilka luksów,
- pomieszczenie od zacienionej strony w środku dnia ma oświetlenie rzędu 300 luksów,
- oświetlenie słoneczne terenu na zewnątrz przy zachmurzonym niebie to około 5000 luksów.

Pod względem rozdzielczości kamery można podzielić na:
- kamery czarno-białe o małej rozdzielczości około 380 linii telewizyjnych,
- kamery czarno-białe o standardowej rozdzielczości około 470 linii telewizyjnych,
- kamery czarno-białe o podwyższonej rozdzielczości około 600 linii telewizyjnych,
- kamery kolorowe o małej rozdzielczości około 330 linii telewizyjnych,
- kamery kolorowe o standardowej rozdzielczości około 420 linii telewizyjnych,
- kamery kolorowe o podwyższonej rozdzielczości około 480 linii telewizyjnych.
Rozdzielczość pozioma i pionowa, jak już wspomniano, jest zawsze mniejsza niż odpowiednia ilość pikseli przetwornika. Jednak niektórzy producenci podają tylko ilość pikseli; najczęściej w celu ukrycia rzeczywistej rozdzielczości kamery.

Podczas planowania instalacji telewizji przemysłowej jednym z podstawowych problemów jest wybór między kamerami czarno-białymi i kolorowymi. Kamery czarno-białe są stosowane przede wszystkim przy słabym oświetleniu obserwowanych obiektów. Kamery takie odznaczają się dużą czułością oraz małą wrażliwością na kolor światła padającego na obiekty. Ich charakterystyka widmowa jest bardzo szeroka i znacznie wykracza poza widmo światła widzialnego (400 - 770nm). Jednym z praktycznych zastosowań tej właściwości kamer jest stosowanie niewidzialnego dla człowieka oświetlenia podczerwonego (zakres bliskiej podczerwieni 770 - 850nm) do oświetlania obserwowanej sceny. 

Wszędzie tam, gdzie potrzebne jest lepsze rozróżnianie osób i przedmiotów stosuje się kamery kolorowe. Obraz kolorowy dostarcza znacznie więcej informacji odróżniającej poszczególne obiekty od siebie. Kamery kolorowe wymagają jednakże, ze względu na mniejszą czułość, znacznie lepszych warunków oświetlenia. Kamery kolorowe mają zwykle nieco gorszą rozdzielczość niż czarno-białe. Pomimo tej gorszej rozdzielczości obraz wydaje się być ostry i czytelny dzięki dodatkowej informacji, jaką niesie ze sobą sygnał koloru. W kamerach kolorowych do przesyłania sygnału wizyjnego najczęściej jest wykorzystywany system PAL. W systemie PAL stosuje się fazowe kodowanie informacji o barwie obrazu. Sygnał niosący informacje o kolorze jest przesyłany na podnośnej 4,43MHz. Czasami do przesyłania sygnału wizyjnego z kamery kolorowej stosuje się system Y/C. Kamera taka ma dwa wyjścia wizyjne i wymaga dwóch przewodów do przesyłania sygnałów. Jeden przewód służy do transmisji luminancji (sygnał czarno-biały), drugi zaś chrominancji (sygnał koloru).

W ostatnim czasie coraz popularniejsze stają się kamery dzień/noc. Kamery takie łączą w sobie zalety kamer czarno-białych i kolorowych. Przy dobrym oświetleniu dają obraz kolorowy ze wszystkimi jego zaletami. Przy słabym oświetleniu, przy którym kamery kolorowe nie mogłyby już poprawnie pracować, przechodzą w tryb czarno-biały. Bardzo często kamery takie są dodatkowo wyposażane w promienniki podczerwieni, dzięki którym widzą w kompletnej ciemności. Stąd też dla takich kamer podaje się czułość 0lux. Oczywiście kamery dzień/noc bez wbudowanego promiennika podczerwieni mogą współpracować z zewnętrznymi promiennikami podczerwieni.

W zależności od budowy kamery można podzielić na:
- kamery typu BOX - stanowią najpopularniejszą grupę kamer;  mogą być stosowane wewnątrz pomieszczeń lub na zewnątrz (w odpowiedniej obudowie),
- kamery typu DOME – kamery w obudowie kopułowej przeznaczone do zastosowań wewnętrznych,
- mikrokamery, kamery płytkowe oraz kamery w czujkach PIR – przeznaczone do instalacji, w których wymagane jest zachowanie dyskrecji lub jest mało miejsca,
- kamery wandaloodporne - przeznaczone do miejsc, gdzie główny problem stanowi wandalizm (więzienia, magazyny, parkingi samochodowe),
- kamery zintegrowane z obiektywem „motor-zoom” i odbiornikiem telemetrycznym, dzięki czemu mogą sterować siłownikiem,
- kamery zintegrowane z głowicą szybkoobrotową - możliwość zdalnej regulacji położeniem kamery, parametrami obiektywu i kamery.

3. Automatyczna przysłona i elektroniczna migawka

W celu uzyskania na wyjściu kamery dobrego obrazu należy odpowiednio dobrać dwa czynniki. Po pierwsze jest to czułość przetwornika obrazowego CCD. Po drugie jest to ilość światła padającego na przetwornik. O ilości światła padającego na przetwornik decyduje poziom oświetlenia obserwowanych obiektów oraz przysłona obiektywu. W praktyce jednak najczęściej mamy wpływ jedynie na czułość przetwornika oraz ustawienie przysłony.

Jeszcze niedawno czułość przetwornika była praktycznie stała. Jedynym czynnikiem umożliwiającym regulację "naświetlenia" była automatyczna przysłona (AI) obiektywu. Obiektywy musiały więc zapewniać bardzo duże zakresy regulacji przysłony. Zakres ten często zawierał się w granicach od F 1,4 do F 360. Jest to bardzo szeroki zakres, zważywszy na fakt, iż na przykład w fotografii stosuje się przysłonę do F 22. Tak znaczne zamykanie otworu przysłony wymagało znacznej precyzji mechanizmów regulujących, ponadto prowadziło do różnych zniekształceń obrazu.

W praktyce występują dwa sposoby sterowania automatyczną przysłoną. W systemie AI Video przysłona w obiektywie jest sterowana sygnałem wizyjnym. W systemie AI DC obiektyw jest sterowany sygnałem stałym. Kamera posiada wyjście sygnału bezpośrednio sterującego silnikiem obiektywu, który otwiera i zamyka przysłonę. W przypadku obiektywu z AI DC w kamerze znajduje się potencjometr LEVEL służący do regulacji poziomu sygnału sterującego. Obiektywy AI DC są tańsze, warto zatem sprawdzić, czy kamera posiada sterownik umożliwiający ich wykorzystanie.

Nowoczesne rozwiązania przetworników CCD są wyposażone w elektroniczną regulację czułości. Polega ona na tym, iż element reaguje na światło tylko przez ściśle określony czas. Stąd też - przez analogię do aparatów fotograficznych - funkcję tę nazywa się elektroniczną migawką (Electronic Shutter). Podczas powstawania kolejnych obrazów kamera reaguje na światło tylko przez pewien - ściśle określony - czas wyznaczany przez impulsy znieczulające. Uzyskiwana w praktyce zmiana czułości zawiera się w granicach od 1 (pełna czułość) do 1/2000. W przypadku pełnej czułości przetwornika CCD czas naświetlania kolejnego obrazu wynosi 1/50 sekundy (częstotliwość ramki obrazu telewizyjnego). Dla minimalnej czułości przetwornika czas ten skraca się do 1/100.000 sekundy. I te dane są najczęściej podawane przez producentów kamer. Takie zmiany czułości (czasów naświetlania) kamer telewizyjnych są zupełnie wystarczające do pracy przy niezbyt dużych zmianach warunków oświetlenia (np. wewnątrz pomieszczeń). W przypadku automatycznej elektronicznej migawki AES (Automatic Electronic Shutter) czas otwarcia jest ustawiany automatycznie w zależności od ilości światła padającego na przetwornik; zmiana następuje w zakresie od 1,50s do 1/100000s. I chociaż sama elektroniczna migawka nie zawsze wystarcza przy bardzo dużych wahaniach oświetlenia (np. na zewnątrz), to jednak prowadzi do znacznego zmniejszenia wymagań stawianych obiektywom z automatyczną przysłoną. 

4. Inne funkcje

W kamerach wyższej klasy występują dodatkowe możliwości regulacji niektórych parametrów. Umożliwiają one na dopasowanie się do trudnych warunków otoczenia, dzięki czemu można uzyskać dobry obraz. Proste, kompaktowe kamery bez możliwości jakichkolwiek regulacji, są przydatne w otoczeniu o małej zmienności oświetlenia i małej głębi ostrości.

Automatyczna regulacja wzmocnienia AGC (Automatic Gain Control) utrzymuje stały poziom sygnału wyjściowego zwiększając tym samym odstęp sygnał/szum. Przy stosowaniu tej funkcji obraz jest bardziej wyraźny, lecz traci na naturalności. W normalnych warunkach AGC powinna być włączona, takie rozwiązanie powoduje automatyczne dobieranie optymalnej czułości kamery.

Układ BLC (Back Light Compensation) służy do kompensacji światła padającego z tyłu. Kompensacja powinna eliminować lub osłabiać zjawisko, jakie powstaje przy silnym świetle padającym z tyłu obserwowanego obiektu. W takim przypadku obserwowany obiekt jest zwykle słabo widoczny w stosunku do reszty obrazu (zacieniony). Funkcja BLC ustawia optymalną jakość obrazu obiektu znajdującego się na pierwszym planie nawet kosztem jakości obrazu tła.

Automatyczny balans bieli AWB (Automatic White Balance) zapewnia otrzymanie naturalnego obrazu (eliminacja przebarwień) przy różnych rodzajach oświetlenia.

W wielu systemach występuje konieczność zsynchronizowania sygnałów ze wszystkich kamer. Dlatego też część kamer ma możliwość przełączania między synchronizacją wewnętrzną INT i synchronizacją z częstotliwością sieci zasilającej LL (Line Lock). W przypadku synchronizacji kamery z siecią zasilającą (LL) istnieje możliwość regulacji fazy sygnału potencjometrem V PHASE.

5. Zasilanie kamer

W przypadku rozległych systemów telewizji przemysłowej z dużą ilością kamer ich zasilanie może stać się bardzo poważnym problemem. Najczęściej kamery zasilane są napięciem stałym 12V, napięciem zmiennym 24V (lub 230V) oraz po kablu współosiowym.

Zasilanie napięciem stałym 12V jest stosowane najczęściej w przypadku systemów stacjonarnych, zasilanych z układów buforowych. Stosuje się je również w przypadku systemów samochodowych zasilanych z akumulatora. Wadą zasilania stałoprądowego jest konieczność zapewnienia określonej wartości napięcia, co z kolei wymaga stosowania przewodów o dużych przekrojach (ze względu na straty omowe). Następną poważną wadą takiego sposobu zasilania jest galwaniczne połączenie minusa zasilania z masą obwodów wizyjnych, co może powodować bardzo trudne do usunięcia zakłócenia (w przypadku powstania pętli prądowych).

Obecnie większość producentów wycofuje się z zasilania stałoprądowego przechodząc na napięcie zmienne 230V (czasami 24V). W systemach zasilanych prądem zmiennym istnieje możliwość synchronizacji pracy kamer z częstotliwością sieci zasilającej, co umożliwia usprawnienie i obniżenie ceny urządzeń komutujących. Ponadto zasilanie zmiennoprądowe stwarza niewielkie wymagania dotyczące stabilności napięcia zasilającego. W systemach takich występuje również galwaniczna separacja obwodów wizyjnych i zasilających, co istotnie redukuje problemy z zakłóceniami. Przewagą zasilania 24V nad 230V jest fakt zapewniania bezpieczeństwa pracy monterów oraz bezpieczeństwa pracy systemu w trudnych warunkach atmosferycznych i środowiskowych.

Nowoczesnym rozwiązaniem jest zasilanie kamer wraz z towarzyszącymi urządzeniami po kablu współosiowym. Przez kabel wizyjny mogą być przesyłane - oprócz napięcia zasilającego - również wszystkie sygnały sterujące z punktu odbioru do głowicy obrotowo-uchylnej i obiektywu z zoomem. Rozwiązanie takie może jednak stwarzać pewne problemy w przypadku konieczności sterowania wieloma urządzeniami.

6. Obudowy ochronne kamer

Kamery mogą pracować w zakresie temperatur od -10 do 50° C przy wilgotności powietrza do 90% (bez narażania na kontakt z wodą). Jeśli te warunki nie są spełnione w miejscu pracy kamery, to należy stosować odpowiednie obudowy ochronne. Mają one za zadanie utrzymanie określonych przez producenta warunków pracy kamery i obiektywu. Bardzo ważne dla prawidłowej pracy kamery jest ochrona przed  wykraplaniem się pary wodnej na obiektywie (punkt rosy). Obudowy takie są również niezbędnym wyposażeniem, gdy kamery pracują w pomieszczeniach o bardzo dużym zapyleniu. Spotyka się również obudowy chłodzone przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach. Obudowa może zapewniać ochronę przed kradzieżą i zniszczeniem (wandaloodporne). Ważnym aspektem jest oczywiście możliwość łatwego dostępu do kamery i obiektywu w celach konserwacyjnych. 

W praktyce najczęściej stosuje się obudowy hermetyczne wyposażone w układy ogrzewania sterowane termostatem. Obudowy mogą posiadać informację o zgodności z normą IP. Norma IP mówi o odporności na przenikanie ciał stałych (pierwsza liczba) oraz szczelności na wodę (druga liczba). IP 65 lub IP66 oznacza odporność na zapylenie i częściowe zabezpieczenie przed wpływem wody. W przypadku dużej wilgotności należy stosować obudowy IP67. IP68 oznacza, że taka obudowa może pracować ciągle pod wodą.

Autor: Aleksy Kordiukiewicz