Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Kamery dalekiego zasięgu – dobór rozwiązania do zadania na przykładzie ochrony przeciwpożarowej lasu

Printer Friendly and PDF

leadRozwiązania stosowane w lasach

W numerze 4/2013 Zabezpieczeń ukazał się artykuł Samodzielnej Pracowni Ochrony Przeciwpożarowej Lasu IBL o ochronie przeciwpożarowej lasów. Oprócz wielu ciekawych informacji znalazła się w nim wzmianka o systemie kamer dalekiego zasięgu stosowanych w obserwacji lasów. Są to specjalistyczne kamery przeznaczone do pracy w czasie rzeczywistym, wytwarzające obraz o najwyższej, możliwej do uzyskania jakości i odznaczające się płynnością sterowania przy maksymalnych zbliżeniach. Takie kamery mogą znaleźć zastosowanie w innych systemach, wszędzie tam, gdzie ważna jest stabilność konstrukcji mechanicznej, płynność ruchów, a przede wszystkim możliwość pracy w warunkach małej przejrzystości powietrza, np. podczas obserwacji dróg, lotnisk, granic państwowych, poligonów, dużych akwenów itp.

Na przykładzie najnowszych rozwiązań stosowanych w lasach omówione zostaną wybrane parametry, które należy brać pod uwagę przy wyborze kamer dalekiego zasięgu.

W ostatnich 10–12 latach można było zauważyć znaczny rozwój systemów telewizyjnych służących do obserwacji terenów leśnych. Było to związane z pojawieniem się nowych rozwiązań w dziedzinie techniki transmisji sygnałów wizyjnych oraz kamer o wysokiej rozdzielczości. Dzięki zastosowaniu takich kamer obserwator nie musi przebywać na wieży, gdzie praca nie jest ani komfortowa, ani bezpieczna.

Obecnie na obszarach zalesionych funkcjonuje kilka systemów obserwacji przedstawionych w tabeli nr 1.

tab1

Tab. 1.  Systemy obserwacji obszarów zalesionych

fot1

Fot. 1. Dostrzegalnia przeciwpożarowa wyposażona w kamerę z transmisją radiową

Wydaje się, że system z automatyczną detekcją dymu jest najbardziej skutecznym systemem służącym do wczesnego wykrywania pożarów lasu. Do tej pory wykonano tylko kilka instalacji pilotażowych. Od czasu przeprowadzenia w Polsce w 2007 roku pierwszych prób do dziś nie udało się stworzyć działającego systemu o promieniu obserwacji osiągającym 15 km i wykrywającego każdy pożar możliwy do ugaszenia w zarodku.

Tego typu systemy są stosowane na całym świecie, dlaczego więc nie spełniają swojego zadania w naszym kraju? Na świecie systemy automatycznej detekcji dymu są stosowane głównie w dużych kompleksach leśnych (np. w Kanadzie). W przypadku wielkich obszarów leśnych pożar może być wykryty później bez większej szkody dla całego ekosystemu. W Europie mamy do czynienia z mniejszymi kompleksami leśnymi, zaś odległości między kamerami i promienie obserwacji nie przekraczają 5–10 km (Niemcy, Grecja). Systemy detekcji dymu zostały zainstalowane w miejscach, gdzie wcześniej praktycznie nie istniał żaden system służący do obserwacji lasów. Wykrycie dymu zajmującego obszar 1% powierzchni ekranu (kilka tysięcy pikseli dla rozdzielczości SD), jest już wystarczające przy stosowanym promieniu obserwacji. Stąd tak dobre opinie o oprogramowaniu do detekcji w tych lokalizacjach. W Polsce istnieje rozbudowana sieć dostrzegalni, które już teraz zapewniają skuteczność wykrywania dymów na poziomie 70–80%. W takiej sytuacji zastosowanie elektronicznego systemu detekcji dymu dałoby mało spektakularne zwiększenie skuteczności zaledwie o kilka procent przy nieproporcjonalnie dużym nakładzie kosztów. Dodatkową przeszkodą do uzyskania wysokiej wykrywalności pożarów w przypadku stosowania systemów detekcji dymu jest wymagany promień obserwacji z każdej z dostrzegalni (około 15 km). Od aplikacji służącej do automatycznego wykrywania dymu wymaga się wykrywania pożarów, które uda się ugasić w zarodku. To z kolei oznacza, że operatorzy muszą być w stanie wykryć dym, którego obraz zajmuje na ekranie zaledwie kilkadziesiąt pikseli. W takich systemach powinno się stosować kamery z dużymi przetwornikami, np. takie jak kamery DK3HD1 z matrycą o rozmiarach 1", z 16-bitowym przetwornikiem a/d i z bezpośrednim dostępem do nieskompresowanego obrazu.

Elementy systemu dalekiego zasięgu i kryteria doboru kamer

Najczęściej kamery dalekiego zasięgu stosuje się wtedy, gdy istotna jest dobra rozpoznawalność szczegółów obrazu wyświetlanego na ekranie monitora i wymagana jest duża szybkość reakcji operatora na zaobserwowane zjawiska.

fot2

Fot. 2. System zasilania fotowoltaicznego wieży z kamerą

Na co należy zwrócić uwagę przy doborze sprzętu do systemu dalekiego zasięgu? Kamery dalekiego zasięgu montowane są najczęściej na wysokich masztach lub wieżach. Do transmisji sygnału wizyjnego służy długi kabel. Zdarza się, że w miejscu instalacji kamer nie ma dostępu do sieci zasilającej. Każdy nowoczesny punkt obserwacyjny to nie tylko kamera – to również system zasilania i ochrony przeciwprzepięciowej, system sygnalizacji włamania, tor transmisji sygnału wizyjnego, stanowisko do podglądu obrazu z kamery.

Zasilanie

Najczęstszą przyczyną awarii systemu obserwacyjnego są przepięcia pochodzące od z sieci energetycznej, które powstają podczas podłączania lub odłączania urządzeń znaczenie obciążających sieć, a także przepięcia powstające na skutek wyładowań atmosferycznych. Kamera, która jest umieszczona na maszcie, znajduje się w strefie narażonej na bezpośrednie trafienie piorunem, dlatego należy stosować ochronę przeciwprzepięciową każdego stopnia. Pominięcie choćby jednego z tych stopni może być przyczyną częstych awarii całego systemu. Instalacja przeciwprzepięciowa i odgromowa musi być uziemiona. Według norm rezystancja uziemienia powinna być mniejsza niż 10 omów. Jednak dla urządzeń elektronicznych skuteczny uziom powinien mieć rezystancję poniżej 2 omów. Podczas projektowania instalacji odgromowej należy zadbać o poprowadzenie przewodów wyrównawczych możliwie najkrótszą drogą i połączenie ich z jednym głównym punktem uziemiającym. Należy również stosować wspólny zwód pionowy prowadzący do uziomu, omijający konstrukcję wieży (kratownicę, połączenia śrubowe).

W lokalizacjach, gdzie brakuje instalacji zasilającej, stosuje się zasilanie alternatywne z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych i (lub) turbin wiatrowych. Częstym błędem projektanta jest przyjęcie zbyt małej wydajności źródła zasilania i niewłaściwy dobór lokalizacji tego źródła, bez uwzględnienia lokalnych warunków wiatrowych i nasłonecznienia. Przy dokonywaniu wstępnych kalkulacji można przyjąć, że na terenie Polski moc szczytowa paneli słonecznych (Wp) powinna być co najmniej pięć razy większa niż pobór mocy przez zainstalowane urządzenia pracujące w sezonie letnim oraz 20 razy większa w przypadku urządzeń pracujących przez cały rok. Czasem panele słoneczne mają tak duże rozmiary, że konieczne jest wzmocnienie konstrukcji wieży. Stosowanie systemu solarnego połączonego z turbiną wiatrową zmniejsza wymagania dotyczące mocy paneli słonecznych, ale cała instalacja się komplikuje. Omówienie tego problemu wykracza jednak poza ramy artykułu.

fot3

Fot. 3. Kamera DK4HDC dostosowana do obserwacji terenów zalesionych

Kamera obrotowa

Dlaczego do obserwacji obiektów znajdujących się w dużej odległości nie poleca się kopułkowych kamer szybkoobrotowych czy tanich kamer stosowanych np. w instalacjach stadionowych?
Jednym z powodów są niekorzystne optyczne zjawiska związane z umieszczeniem szyby przed kamerą. Przy dużych zbliżeniach załamanie światła przechodzącego przez szyby zaczyna wpływać na jakość obrazu. Widoczne objawy pojawiają się już przy kątach obserwacji poniżej 6–7°, czyli w przypadku obiektywów o ogniskowej około 50 mm dla kamer z przetwornikami 1/3".

Przykładem kamer o odpowiedniej konstrukcji, dostosowanych do obserwacji dalekiego zasięgu, są modele DK4 i DK3. W przypadku tych kamer szyba umieszczona przed obiektywem jest płaska, wykonana ze specjalnego szkła zapewniającego minimalne zniekształcenia w całym torze optycznym. Nie mogą tu być stosowane elementy z tworzyw sztucznych.

Następnym ważnym czynnikiem poprawiającym widoczność podczas obserwacji odległych obiektów jest średnica źrenicy wejściowej toru optycznego. Im większa jest średnica przedniej soczewki, tym wyższej jakości obraz uzyskamy podczas takiej obserwacji. Ważna jest także oferowana przez kilku dostawców funkcja usuwania mgły. Taką funkcję ma między innymi zestaw DK3SP1 oraz DK3S3.

Ze względu na stosowanie bardzo dużych zbliżeń głowica obrotowa musi mieć bardzo małe luzy i musi zapewniać płynność ruchu przy małych szybkościach obrotu. Obecnie w większości popularnych kamer szybkoobrotowych stosuje się tanie napędy jednostopniowe z silnikami krokowymi. Zapewniają one dużą szybkość obrotu głowicy, ale powodują skokowy ruch utrudniający pracę operatorowi systemu przy kątach obserwacji poniżej kilku stopni. Przykładem głowicy dobrze dobranej do kamery z obiektywem wąskokątnym jest zestaw DK3S3, w którym płynność przesuwu jest zapewniona nawet w przypadku kątów obserwacji poniżej 0,5° (obiektyw zmiennoogniskowy 55×).

fot4

Fot. 4. Kamera DK3S3 z 55-krotnym zoomem użyta do obserwacji terenów górskich

Kolejnym ważnym problemem jest konieczność automatycznego dostosowania szybkości obrotu kamery do aktualnego kąta widzenia obiektywu. Wszystkie kamery serii DK zapewniają automatyczne utrzymanie stałej szybkości przemieszczania się obrazu obserwowanego na ekranie monitora, niezależnie od aktualnej wartości kąta widzenia obiektywu. W celach porównawczych stosowana jest umowna jednostka w sekundach na obraz, określająca czas, w którym następuje poziome przesunięcie obrazu o odcinek równy jego szerokości. Ten parametr jest określany tylko w kamerach używanych do obserwacji lasów. Działanie układu sterującego ruchem takiej kamery polega na zachowaniu stałej szybkości przesuwu obrazu odległych obiektów na ekranie monitora przy określonym, stałym kącie wychylenia manipulatora i jednoczesnej zmianie stopnia zbliżenia. Możliwe jest szybkie sterowanie głowicą i np. śledzenie pojazdów znajdujących się w ruchu przy jednoczesnej zmianie kąta obserwacji. Aby wykorzystać tę funkcję, należy stosować pulpity sterownicze z płynną regulacją szybkości ruchu kamery w dwóch osiach (panorama, pochylenie) i jednoczesną regulacją ogniskowej obiektywu. W tym celu został opracowany protokół udostępniany przez producenta kamer, który zapewnia taką możliwość.

Podgląd obrazu

Przy doborze monitora należy zwrócić uwagę na następujące parametry:

  • rozdzielczość statyczną, dostosowaną do rozdzielczości kamery,
  • rozdzielczość dynamiczną, szczególnie ważną w zastosowaniach leśnych,
  • brak skalowania obrazu (piksel w piksel),
  • dostosowanie jasności ekranu do oświetlenia w miejscu pracy operatora,
  • opóźnienie obrazu (ang. input lag).

Oprócz opóźnienia wyświetlania obrazu na monitorze występuje również opóźnienie w całym torze transmisji sygnału wizyjnego z kamery do monitora. Poszczególne składniki tego opóźnienia można oszacować w następujący sposób:

  • czas od wychylenia joysticka do uzyskania ruchu głowicy: 0,01–0,5 s,
  • czas przetwarzania obrazu w kamerze: 0,01 – 0,3 s,
  • czas transmisji sygnału wizyjnego: 0,01 – 0,5 s.
  • czas przetwarzania obrazu przez monitor (dekodowanie i wyświetlenie na ekranie): 0,04 – 1 s.
fot5

Fot. 5. Stanowisko obsługi w systemie obserwacji przeciwpożarowej lasów

Zakres zmian tego opóźnienia może więc wynieść od 0,07 do 2,3 s (wartości szacunkowe). Komfort pracy operatora jest zapewniony, jeśli to opóźnienie nie przekracza 0,5 s. Przy opóźnieniu nie przekraczającym 1 s praca jest jeszcze wygodna. Przy większych opóźnieniach operator odnosi wrażenie, że system sterowania zacina się. W przypadku sporadycznego wykorzystania systemu można to zaakceptować, jednak przy pracy ciągłej takie sterowanie jest bardzo uciążliwe.

Tor transmisji

W przypadku kamer HD dalekiego zasięgu, przewidzianych do pracy w czasie rzeczywistym, przepustowość toru transmisyjnego musi wynosić co najmniej 40 Mb/s w celu zapewnienia odpowiedniej szczegółowości stale przesuwającego się obrazu. Głównie chodzi tu o algorytm kompresji w najczęściej stosowanym standardzie H.264, który bardzo źle kompresuje wolno przesuwający się obraz i źle odwzorowuje niewiele różniące się odcienie kolorów, np. w przypadku widoku lasu. W przypadku systemów przeciwpożarowych uniemożliwia to dostrzeżenie mało kontrastowych dymów. Niedopuszczalna jest także utrata pakietów podczas transmisji sygnału wizyjnego w sieci IP, która zdarza się w przypadku stosowania łączy radiowych o niskiej jakości lub niewłaściwej konfiguracji.

Funkcje dodatkowe

System kamerowy dalekiego zasięgu może być dodatkowo wyposażony w oprogramowanie wizualizujące kierunek obserwacji na mapie terenu, które ułatwia lokalizację obserwowanej sceny. Oprogramowanie stosowane podczas obserwacji terenów leśnych na bieżąco wyświetla aktualny azymut kamery. Pozwala również na skierowanie kamery lub kilku kamer na punkt wskazany na mapie, czego nie umożliwiają aplikacje stosowane w zwykłych systemach dozorowych. Cechą charakterystyczną aplikacji „leśnych” jest również automatyczne wyliczanie współrzędnych przecięcia się kierunków obserwacji oraz możliwość zaznaczenia obszarów zagrożonych i obszarów alarmowych. System kamerowy dalekiego zasięgu może być wyposażony także w zasilanie awaryjne, system alarmowy oraz zdalny dostęp w celach serwisowych i  aktualizacji oprogramowania.

Kamera obrotowa a kamera dalekiego zasięgu

fot6

Fot. 6. DDKAM2 – mapa z wizualizacją kierunku i wyliczaniem współrzędnych

Przy wyborze rodzaju kamery należy zwrócić uwagę na różnicę między specyfiką obiektów obserwowanych przez klasyczne kamery obrotowe a specyfiką obiektów rozległych, wymagających zastosowania kamer dalekiego zasięgu.

W obiektach pierwszego rodzaju opóźniona reakcja kamery na wychylenie joysticka ma drugorzędne znaczenie. Podczas pracy bardziej zwraca się uwagę na ogólną sytuację. Szczegóły są istotne później, gdy trzeba wyjaśnić coś na podstawie zapisu zdarzeń.

W przypadku obserwacji rozległego obszaru praca polega głównie na ciągłym wypatrywaniu zagrożeń. Zachowanie możliwie małego opóźnienia reakcji kamer i wysokiej jakości obrazu jest niezbędne, aby obserwator mógł szybko zareagować i podjąć właściwą decyzję.

Aby zapewnić najwyższą jakość obrazu, komfort sterowania i niezawodność systemu, nie można iść na kompromis usprawiedliwiany warunkami technicznymi lub ekonomicznymi.

 

Dariusz Dowgiert
DDTRONIK

 

Zabezpieczenia 5/2013

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony