Elegir una acertada cámara CCTV le permitirá al usuario final sentirse satisfecho al haber adquirido un producto que incluya las características de última tecnología. En esta primera entrega encontrará algunas claves para tener en cuenta.
Por: Bosch*
La elección de la cámara de CCTV correcta puede parecer un proceso complejo ya que existen demasiados factores a tener en cuenta. Sin embargo, es importante resaltar que todas las cámaras están compuestas por tres elementos básicos:
• El sensor de imagen – convierte la imagen en señales electrónicas.
• Lente – une la luz reflejada del sujeto
• Circuito de procesamiento de imágenes – organiza, optimiza y transmite señales.
Las cámaras CCTV se encuentran disponibles en forma: monocromática, color y día/noche (combina color con monocromática).
Las ventajas de la cámara monocromática son la mayor resolución, los menores requerimientos de luz y en general son menos costosas. Por otra parte, la cámara color ofrece una mejor representación general de la escena (con la iluminación apropiada) y a la vez cuenta con capacidades mejoradas para la identificación y posterior persecución.
Las cámaras día/noche ofrecen lo mejor de ambos mundos y en la actualidad se están transformando en la tecnología CCTV elegida por los consumidores tanto para aplicaciones interiores o exteriores.
Sensores de Imagen
El corazón de las cámaras de CCTV modernas es el sensor CCD (Charge Coupled Device). Un CCD consiste en un arreglo plano de fotodiodos pequeños y sensibles a la luz que convierten a esta última en señales eléctricas. Cada diodo produce un voltaje directamente proporcional a la cantidad de luz que cae sobre él. Ninguna luz produce un voltaje cero, y por lo tanto, un nivel negro. La máxima cantidad de luz produce un máximo nivel de voltaje (un nivel blanco). Entre estos extremos se encuentran todas las gamas del gris. En el caso de una cámara color, una señal de crominancia es superpuesta a la señal de luminosidad para llevar la información correspondiente al color.
La cámara procesa esta señal eléctrica y la convierte en salida de señal de video, la cual es entonces grabada o reproducida en un monitor. El rango de los niveles de luz que un CCD puede manejar se encuentra de alguna forma limitado, por lo que el rango de luz que el CCD recibe debe ser restringido dentro de ciertos límites.
Señal de video
Todas las imágenes en movimiento son en realidad formadas por imágenes estáticas únicas – o cuadros. Cada cuadro está compuesto por dos campos. Un campo de video se crea cuando el CCD es escaneado en forma vertical y horizontal exactamente 262 veces y media – y esto se reproduce en el monitor. Un segundo escaneo de 262 líneas y media se realiza exactamente media línea más abajo y se vincula con el primer escaneo para formar una foto con 525 líneas. Cuando estos dos campos se encuentran apropiadamente sincronizados en un ratio de 2:1, forman un completo cuadro de video.
Las cámaras CCTV utilizan un generador interno o la alimentación AC para sincronizar sus procesos de creación de video en movimiento. En países como Estados Unidos que utilizan corriente alternativa de 60 Hz. (ciclos), cada segundo de video contiene 60 campos, que forman 30 cuadros. En Europa y otras regiones utilizan 50 ciclos por lo que existen 50 campos y 25 cuadros de video por segundo. Para el ojo humano, estos cuadros de video aparecen como imágenes en movimiento.
La tensión de video total producida se mide desde el fondo del pulso de sincronización hasta lo más alto del nivel blanco, generando así una tensión pico a pico (p/p) de un volt. La señal de luminancia arranca desde 0.3 volts hasta la tensión máxima de 0.7 volts. Esta señal compleja es conocida como una señal de vídeo compuesta ya que la información de video y de sincronización se combinan en una única señal.
CCD Tamaño de la imagen
Las primeras cámaras CCTV contaban con un tubo circular como sensor. El tamaño de la imagen era determinado por el diámetro del tubo, el cual es la medida diagonal de la foto. Aunque hoy en día los sensores CCD son planos, chips de silicona de forma rectangular, este método de medición es todavía utilizado.
Los CCD más grandes captan más luz, y por lo tanto tienden a ser más sensibles que los CCD en formato más pequeño. Los precios de las cámaras se incrementan con el tamaño del sensor. Por ello, la selección del tamaño del sensor debe adecuarse tanto a su presupuesto como a la aplicación. Por favor note que el tamaño del sensor mostrado en el diagrama debe ser considerado en relación a la lente seleccionada, dado que las lentes son también diseñadas para tamaños de sensores específicos.
Lentes
Las lentes son los “ojos” de un sistema de CCTV. Son esenciales para la creación de funciones de video. Las lentes ejecutan dos funciones principales. Primero, determinan la escena que podrá visualizarse en el monitor – esta es una función de la distancia focal. Segundo, controlan la cantidad de luz que alcanza el sensor – esta es una función del iris.
La distancia focal puede ser fija o variable (Ej. una lente con zoom). El iris puede ajustarse manualmente o la cámara puede hacerlo en forma automática.
Tipos de lente
¿Cómo puede determinar la mejor lente para cada situación? Las lentes poseen muchas características que deben ser compatibles con sus requerimientos.
Lentes de distancia focal fija: Las lentes fijas son el tipo de lente más simple, y por lo tanto son las menos costosas. Su distancia focal predeterminada requiere un preciso calculo para la selección de la lente que mejor se adecue a la ubicación. Esta decisión debe estar basada en el tamaño deseado del área de visualización y su distancia desde la cámara. El tamaño de las lentes puede variar, desde un angosto de campo de visión de 30 grados para permitir más detalle a una distancia dada, hasta uno más amplio de 90 grados de campo de visión conocida como gran angular.
Lentes varifocales: Las lentes varifocales ofrecen mayor flexibilidad, permitiendo el ajuste del campo de visión en forma manual. Aunque son poco más costosos, estas lentes son muy populares ya que usted puede obtener un ajuste más preciso de la escena.
También, simplifican el proceso de especificación, ya que un campo de visión flexible significa que sólo se puede seleccionar una única lente para todas las cámaras en un sistema completo.
Lentes con corrección por IR: El ojo humano ve la porción de “luz visible” del espectro (más allá que la luz visible es una luz del espectro que incluye la luz infrarroja). La luz IR afecta negativamente la exactitud de la reproducción del color, por esta razón, todas las cámaras color emplean un filtro de bloqueo IR para minimizar o eliminar la luz que alcanza al sensor imaging. Esto significa que las lentes con corrección por IR no son necesarias en las cámaras color estándar.
Las cámaras Día/Noche y las monocromáticas pueden beneficiarse de las lentes con corrección por IR. El dispositivo CCD dentro de la cámara de seguridad puede detectar la luz IR y utilizarla para ayudar a iluminar el área observada. De hecho, utilizar lentes ordinarias en cámaras monocromáticas o día/noche suele generar resultados borrosos o incluso imágenes fuera de foco.
Esto se produce ya que la longitud de onda de la luz IR difiere de la luz visible, por lo que el punto de foco de la luz IR se ve desplazado en comparación a la luz visible.
En consecuencia, cuando se utilizan lentes ordinarias y se configura el foco en el día, la foto se sale de foco o se torna borrosa durante la noche cuando se utilice la iluminación IR – y viceversa. Este problema puede ser corregido mediante la utilización de las lentes con corrección por IR, que se enfocan tanto en la luz visible como en la infrarroja en un mismo plano vertical.
Formato de la lente: Las lentes son a la vez clasificadas de acuerdo al tamaño de la imagen. El formato de la lente (1/2”, 1/3”, 1/4”, etc.) deriva del ratio del diámetro para la imagen disponible producida. Mientras que es más económico unir el formato de la lente con el tamaño del sensor de la cámara, es posible utilizar una lente más grande en una cámara de menor tamaño (imagen) – dado que la imagen sólo requiere un tamaño mínimo del largo del sensor.
Utilizar una lente más grande, puede ser en ocasiones más beneficioso, ya que ofrece una gran profundidad de campo (el rango de distancia de la lente antes de los objetos se encuentra muy lejos para estar en foco).
A su vez, la existencia de lentes más grandes significa que la imagen del área utilizada es tomada por completo desde la central, la parte más plana de la lente – causando una menor distorsión en las esquinas y ofreciendo un mejor foco.
Montaje de lentes: Las lentes de CCTV utilizan montajes “C” o “CS” que especifican el tipo de anillo adaptador de lente y sus dimensiones. La diferencia entre los dos tipos es la distancia desde la parte posterior de la pestaña de montaje hasta la cara del sensor. Esto es conocido como la “distancia posterior de la pestaña”. Con las lentes CS, la distancia es más corta, permitiendo el uso de vidrios en menores cantidades y en menor tamaño, generando un diseño más compacto de lentes.
La mayoría de las cámaras actuales utilizan montaje de lente tipo CS. Una lente CS puede ser utilizada únicamente en una cámara con un formato de montaje CS. Una lente de montaje C puede ser utilizada en una cámara de montaje CS sumando un anillo adaptador de 5 mm.
El tipo de anillo adaptador de lentes y sus dimensiones son idénticos para ambos tipos de lentes, por lo que cualquiera de los dos puede ser montado en las cámaras con cualquier tipo de montaje sin causar ningún daño. Sin embargo, las lentes no son totalmente intercambiables; la combinación lente/montaje incorrecta haría imposible hacer foco en la cámara.
Distancia focal
La distancia focal es la distancia entre el centro de la lente y el sensor de imagen. Los rayos de objetos distantes son condensados internamente en la lente en un punto común del eje óptico. El punto en el que se posiciona el sensor de imagen de la cámara CCTV es llamado punto focal.
Por diseño, las lentes poseen dos puntos principales: un punto principal primario y uno secundario. La distancia entre el punto principal secundario y el punto focal (sensor de imagen) determina la distancia focal de la lente.
La medida de la distancia focal se expresa en milímetros. Las lentes son definidas como normales, gran angular o telefoto de acuerdo a su distancia focal. Por ejemplo, en un formato de cámara de 1/3”, una lente de 8 mm. es normal ya que es capaz de capturar un amplio campo de visión. Contrariamente, una lente de 125 mm. en la misma cámara, en el mismo lugar observa un campo de visión más angosto aunque los objetos se amplíen significativamente (lente de largo alcance).
Campo de visión
El campo de visión es la medida de cuan grande es el área que una cámara de CCTV es capaz de observar. El FOV está basado en la cámara y la lente. Por ejemplo, el diagrama más abajo muestra un cuarto de 15’x15’. La lente de 4 mm. (Flechas verdes) permite una mejor cobertura de visualización del gran angular que una lente de 12 mm. (Flechas rojas).
En aplicaciones donde una visualización más cercana es necesaria (por ejemplo, sobre una caja registradora o a una gran distancia), una lente de 8 mm. ó 12 mm. resulta una mejor opción. La misma cámara a una distancia de 21 pies con una lente de 12 mm., el FOV será de aproximadamente 6’ vertical y 9’ horizontal.
Al incrementar la distancia focal de la lente disminuye la distancia percibida al área visualizada, pero también disminuye el área que la cámara es capaz de observar. Observe el diagrama FOV que se encuentra a continuación para las visualizaciones aproximadas con diferentes lentes de distancia focal.
El FOV puede ser calculado de la siguiente manera:
Ejemplo: Usted quiere que la imagen completa de una persona alta (1,8 m.) aparezca en el monitor de CCTV. La persona se encuentra a aproximadamente 6m. de distancia de la cámara de seguridad. La cámara utiliza un sensor CCD formato 1/3”.
El iris
El iris controla la cantidad de luz que bloquea la cara del sensor de imagen. Para proveer un óptimo desempeño, es crítico que no haya ni demasiada ni muy poca luz en el sensor de la cámara. Si mucha luz golpea el sensor de imagen, la imagen se “decolora” (la imagen es toda blanca o porciones de la imagen son “muy calientes”, donde las superficies con colores claros pierden detalles).
Cerrando el iris se corrige esto. En el otro extremo, muy poca luz golpeando la imagen del sensor genera una imagen negra o sólo los objetos más brillantes se tornan visibles. Abrir el iris corrige esta situación. Los irises pueden ser fijos, operar manualmente u operar automáticamente.
Iris fijo: Una lente de iris fijo no ofrece ajustes para las diferentes condiciones de iluminación, por lo que es limitada y no conveniente para aplicaciones donde se requieran detalles muy puntuales en forma constante. Un iris manual puede ser ajustado en el momento de la instalación, permitiendo la obtención de una imagen óptima para un nivel fijo de iluminación.
Iris manual: Las lentes de iris manual son más convenientes para aplicaciones interiores, donde el nivel de iluminación es controlable y consistente. Para un uso exterior (donde las condiciones suelen ser más variables), un iris automático ofrece el mejor desempeño, dado que la apertura automática del mismo se ajusta para crear la imagen óptima monitoreando la señal de salida de la cámara.
La característica final del la lente a tener en cuenta es la captura de luz según la velocidad de la lente, la cual se expresa como un número f-stop. Esto literalmente mide la cantidad de luz capturada por la lente en un periodo de tiempo dado. Cuanto menor sea el rango de f-stop, mayor cantidad de luz podrá ser transmitida.
Iris electrónico: En cámaras con control de iris automático, el circuito continuamente muestra la cantidad de golpes que da la luz al sensor de imagen, abriendo o cerrando el iris según corresponda. El Auto iris es especialmente valioso en configuraciones donde los niveles de luz se encuentren en constante cambio, por ejemplo, locaciones exteriores.
Apertura (f-stop): La apertura es el tamaño de abertura del iris – las aberturas de la apertura se expresan en f-stops. Un f-stop menor se traduce en una mayor abertura, resultando en una más cantidad de luz atravesando la lente a la imagen del sensor.
Esto es también conocido como un lente más veloz. En cambio, un más largo f-stop significa una menor abertura, con menor cantidad de luz transmitida a través de la lente.
Abertura del iris en diversos F-stops
Procesamiento de imagen
Existen algunos factores que confirman una especificación completa de cámara, y se encuentran interrelacionados. Los tres más importantes a la hora de seleccionar una cámara son los siguientes:
• Sensibilidad
• Iluminación
• Resolución
La correcta selección de cámaras para su sistema de CCTV es vital para maximizar la efectividad del mismo. Por otro lado, con el conjunto de cámaras disponible en la actualidad, usted podría seleccionar cámaras “sobre calificadas” – aquellas con más capacidades que las requeridas por la aplicación. Elegir cámaras con funciones que compatibilicen con las necesidades de un trabajo dado ayuda a ahorrar significativamente en costos y a expandirse o a mejorar su sistema.
Por tanto, cuando seleccione una cámara, es importante conocer la razón, el lugar y bajo qué condiciones la cámara será utilizada. Usted puede entonces combinar las especificaciones y capacidades de la cámara con sus aplicaciones.
Sensibilidad de la cámara
La sensibilidad describe la habilidad de la cámara para “hacer fotos” en varios niveles de iluminación. A mayor sensibilidad, la cámara requiere menos iluminación para producir imágenes utilizables. Los términos “video utilizable” y “video completo” suelen ser utilizados en charlas de sensibilidad.
Una imagen que contiene algunos detalles reconocibles, pero que a la vez posee áreas negras en las que los detalles no pueden observarse claramente puede ser considerada como utilizable.
Utilizando una cámara con alta sensibilidad (o agregando más luz a la misma escena) aparecerán detalles en áreas donde sólo existía oscuridad. Cuando todos los objetos en una imagen son visibles, se la describe como “video completo”. Video completo es 0.714 volts pico a pico más 100 IRE (1 IRE = .714 mv). El video utilizable generalmente se encuentra entre los 15 y 50 IRE.
La sensibilidad de la cámara mide la cantidad de luz requerida para proveer una señal estándar de video. Los valores de sensibilidad de vídeo son típicamente indicados en lux. La mayoría de las especificaciones proveen los niveles de luz de los videos aptos y completos. Por tanto, a la hora de considerar la sensibilidad de una cámara, es importante conocer las condiciones de luz bajo las cuales la cámara será utilizada.
También, usted debería determinar cuan alta deberá ser la sensibilidad para producir un video utilizable con la cantidad mínima de luz disponible en el sitio de vigilancia. Existen cámaras disponibles que pueden generar imágenes en situaciones de poca o ninguna luz. Por ejemplo, las cámaras día/noche (IR-sensibles) pueden producir imágenes con sólo la iluminación de las estrellas.
Iluminación
Elegir la cámara correcta para operar en condiciones ambientales de luz puede ser la especificación más importante, aunque la más engañosa, de entender.
La iluminación se refiere a la luz que cae en una escena. Estrictamente hablando, la iluminación no es una función de la cámara. Sin embargo, es un tema crítico cuando se considera una cámara para un área dada. La iluminación adecuada es esencial para adquirir imágenes que le permitan al personal de seguridad monitorear un área (detección), observar actividad en la ubicación (reconocimiento), e identificar acciones específicas, objetos, o personas (identificación).
La cantidad de iluminación que alcanza una escena depende del momento del día y las condiciones atmosféricas. La luz del sol en forma directa produce escenas de alto contraste, permitiendo la identificación máxima de objetos. En un día nublado, la cámara recibe menos luz generando un menor contraste.
Para producir una imagen de cámara óptima bajo una amplia variación en alto nivel (tal como ocurre cuando el sol es cubierto por las nubes), usted necesita un sistema de cámara con iris automático. Típicamente, la iluminación de la escena se mide en foot-candles (fc) que pueden variar en un rango de 10.000 a 1 (o más).
El cuadro más abajo resume los altos niveles que ocurren bajo las condiciones de iluminación durante la jornada y las horas de poca luz. La medida métrica equivalente del alto nivel (lux) comparada con la condición (fc) es dada.
La regla de oro para decidir qué cámara emplear para una condición de iluminación dada no es elegir una que entregue una imagen apenas apta para el uso. Trate de dar a la cámara aproximadamente diez veces la iluminación mínima de la escena. La mayoría de las cámaras serán capaces de manejar el exceso de luz. Sin embargo, el mayor problema se presenta cuando no cuentan con la suficiente luz para producir una imagen.
*La segunda parte de este artículo la encontrará en nuestra siguien edición (Septiembre/octubre).
Deje su comentario