Sistemas de videovigilancia
Cuando hablamos de sistemas de videovigilancia, hacemos referencia a un conjunto de equipos electrónicos diseñados para supervisar por medio de imágenes de video, un lugar/empresa/objeto que tiene un especial interés para alguien.
Estos sistemas de videovigilancia, han ido evolucionando desde hace muchos años y han terminado sustituyendo equipos analógicos por equipos digitales, permitiendo en algunos casos la combinación de ambos elementos.
Básicamente, un sistema de videovigilancia podría estar constituido por:
- Cámaras de videovigilancia (analógicas y/o digitales).
- Sistema de videograbación o DVR (analógico o digital).
- Medio de transmisión de la señal de video.
- Sistema secuenciador de señales.
Puesto que hay muchos fabricantes de este tipo de equipos, voy a centrarme en las cámaras de videovigilancia, un DVR y un medio de transmisión: un cable coaxial. Podéis encontrar sistemas que varíen el medio de transmisión, las características de la cámara y/o DVR, pero el funcionamiento es similar.
CÁMARAS DE VIDEOVIGILANCIA ANALÓGICAS
Algunos de los tipos de cámaras que nos podemos encontrar, son los que aparecen a continuación y que se diferencian en ser unas de interior y otras de exterior (tienen protección de intemperie). Se incluyen solo fotografías de las cámaras analógicas; las cámaras IP externamente son similares y solo varía que la señal de video se envía en streaming a través de un cable ethernet o vía WiFi. Los dispositivos de reproducción y grabación pueden ser igualmente un PC o un DVR para video IP.
Se puede observar que esta cámara permite roscar por detrás o por un lateral, el soporte de fijación a pared que incorpora. Es metálica para evitar que la lluvia, viento, sol, etc. puedan deteriorar los componentes electrónicos de su interior.
En los últimos años han ido apareciendo cámaras analógicas de más calidad que las antiguas, que incorporan tecnología de alta definición, pero que, al no ser protocolos abiertos, han derivado en al menos dos tipos de tecnologías de cámaras HD de cctv:
- Tecnología HDCVI: High Definition Composite Video Interface, que fue desarrollada por Dahua, y que está muy extendida y fabricada por terceros.
- Tecnología HDTVI: High Definition Transport Video Interface, que está promocionada por Hikvision como protocolo abierto y es seguido por muchos fabricantes de cámaras.
Ambos sistemas transmiten a 720p y a 1080p, pueden transmitir audio y telemetría por el mismo cable (incluido el control PTZ de las antiguas cámaras domo analógicas) y pueden utilizar cable UTP para transmitir la señal de video.
Debido a que han ido evolucionando estas tecnologías, podemos encontrarnos con cámaras HDCVI y HDTVI que no funcionen correctamente sobre el mismo DVR, que trabajará bien solo con un tipo de tecnología, HDTVI o HDCVI.
Una de estas cámaras HDTVI, que utilizamos en el IES es la siguiente:
Vamos a encontrarnos otros modelos en los que tenemos el cuerpo de cámara (conocido como "box camera") al que le podemos roscar un objetivo. Dependiendo del formato del sensor (1/2" o 1/3" lo más habitual), y del área a cubrir (gran extensión, zona concreta), elegiremos un objetivo angular, teleobjetivo o variofocal. Lo habitual es una lente variofocal ajustable remotamente.
Aunque aparece desmontada y se ve toda la electrónica mientras se reparaba, aquí tenéis un cuerpo de cámara preparado para 220 Vac. Al igual que los demás modelos, tiene unas roscas para poder fijarlas en pared en el chasis, una vez se cierra la cámara.
La lente Raymax que incorpora podría ser sustituida por otra que sea de formato 1/3" y con montura CS.
Otro modelo de "box-camera" a la que podemos añadir una lente fija o variofocal es la que aparece a continuación. Se trata de un cuerpo de cámara Sony modelo SSC-C158P, que incorpora un sensor CCD, que al requerir un elevado consumo eléctrico, hace que normalmente trabajen a 220 Vac. Se puede observar el conector de ajuste automático para la lente variofocal que se ha añadido.
Si nos fijamos en los recuadros, incorpora un conmutador para seleccionar montura C o CS mediante el selector y el correspondiente bloqueo (lock).
En esta otra fotografía se aprecian mejor las características de la lente: lente zoon de 2.8 a 12 mm, con montura de lente CS (el más usual) y formato de lente de 1/3 de pulgada.
Estas lentes variofocales o zoom, nos van a incorporar dos mandos giratorios por medio de palancas:
- Selección de la longitud focal larga o tele (T) o gran angular o wide (W).
- Enfoque del objeto, una vez ajustada la longitud focal deseada.
Un detalle de este sistema, lo tenemos en esta fotografía:
Este sistema de ajuste es similar al de las cámaras fotográficas: primero fijamos la longitud focal de nuestro objetivo variable o zoom y a continuación, se realiza el enfoque que es automático en nuestra cámara, no en este caso.
Las conexiones que tendríamos que realizar para esta cámara son sencillas: un cable coaxial para transmitir la señal de video y un cable para la alimentación a 220 Vac, como se indicó anteriormente.
Se puede observar los diferentes ajustes "manuales" que admite la cámara. Basta con leerse el manual de configuración de esta cámara (Sony modelo SSC-C158P), para configurarlos correctamente y dejar la cámara operativa.
Si estamos hablando de otros modelos de cámaras de sensor CCD, tenemos que la configuración se realiza en un lateral de la cámara:
Estos ajustes eran necesarios en las antiguas cámaras totalmente analógicas, requiriendo bastante tiempo su configuración. Igualmente, si era necesario configurarlas vía PC, era necesario utilizar el conector de 10 pines etiquetado como PC.
Estas cámaras requieren una caja de protección de intemperie si se quiere utilizar en el exterior, y nos podemos encontrar muchos modelos de caja para esta función, al igual que soportes para fijarlas en la pared o hacerlas móviles mediante soportes giratorios específicos.
En el caso de la cámara de intemperie VKC-1317, si leemos su etiqueta podemos comprobar que incorpora una lente fija de 3.8 mm, tiene un sensor de color y además de infrarrojo y que necesita 12 Vdc.
Una vez que tenemos ya preparado el soporte donde se va a fijar la cámara de videovigilancia, procederemos a realizar los taladros correspondientes, fijaremos el soporte y la cámara, que llevará su correspondiente cable de alimentación y de imagen hasta el dispositivo de videograbación.
A través del tubo plástico se llevan hacia el DVR, tanto los cables de alimentación como el de video. Se ha añadido una "sombrilla" deslizante para que no reciba la luz del sol directamente.
Otro modelo de interior y que se conoce como cámara domo, la muestro al lado de una cámara oculta dentro de un detector de intrusión.
La cámara domo de interior de la imagen de arriba, merece especial atención, porque al quitarle el plástico de protección, nos muestra una lente con objetivo zoom o variofocal.
Hay modelos muy completos de cámara domo que mediante un control PTZ y una configuración especial, realizan el ajuste de la longitud focal, orientación y enfoque, de forma remota.
Control PTZ significa Pan-Tilt-Zoom y hace referencia a los ajustes antes mencionados: ajuste del ángulo de visión (Pan), ajuste de la orientación/inclinación de la imagen (Tilt) y ajuste de longitud focal (Zoom). Los primeros modelos PTZ, se "direccionaban" utilizando microconmutadores como los mostrados en la cámara de CCTV con sensor CCD antes mostrada. Se configuraba en binario con 7/8 bits, según los modelos.
Un ejemplo serían las cámaras de videovigilancia de tráfico, instaladas en las farolas, de forma ovalada: permiten un movimiento horizontal de 180º en cualquier dirección, se puede regular la longitud focal según las necesidades del tráfico (control de accidentes, atascos, etc.) y funcionan día y noche.
Este sistema de control PTZ, se realizaba en las antiguas cámaras domo, mediante un interfaz RS485 a dos hilos y había que programar mediante microinterruptores la numeración de las cámaras, sin repetir el número dentro del mismo cable. Se puede observar en los DVR que soportan esta funcionalidad, un par de cables etiquetados como 485, que nos indican los terminales para cablear nuestro bus de control.
Mediante un mando tipo "joystick" asociado a un teclado, seleccionábamos la cámara de cctv y podíamos desplazar la orientación de la lente y ajustar la longitud focal.
Si quitamos el soporte plástico de protección, veremos los diferentes ajustes que nos va a permitir esta cámara de cctv.
Si hacemos que la lente esté a ras del objetivo, habremos ajustado la lente en formato gran angular, como se aprecia en la imagen.
Se pueden observar dos palancas dentro de la cámara: con una de ellas ajustaremos la longitud focal y con la otra, el enfoque de la imagen en el lugar que deseemos. Se puede apreciar mejor este ajuste en la imagen siguiente:
Se puede comprobar que la lente tiene una longitud focal mínima de 3.3 mm (wide o angular) y una longitud focal máxima de 12 mm (far o teleobjetivo). Dependiendo de la longitud focal, así tendremos un campo visual estrecho, por ejemplo de 30º o amplio de por ejemplo, 120º.
Deslizando las palancas que incorpora dicha lente, ajustaremos por un lado la longitud focal y por otro lado, el enfoque de la imagen (que aparezca nítida en pantalla).
Si sobre la lente colocamos unos leds infrarrojos (identificados como IR), y a las lentes se le añade un filtro IR, tendremos una cámara perfectamente utilizable para visión nocturna:
Este aro de leds IR incorpora un dispositivo automático de detección de luz (por medio de una resistencia LDR), que al detectar baja intensidad de luz, "enciende" los diodos IR para permitir que la cámara siga grabando imágenes con suficiente nitidez.
Si comparamos esta lente con la que incorpora una videocámara, podemos comprobar que no hay muchas diferencias: tenemos ajuste de longitud focal de 8.5 mm a 55 mm y el aro de enfoque desde pocos centímetros a infinito.
Características más importantes de las cámaras de videovigilancia
Las cámaras de videovigilancia que nos podemos encontrar en el mercado, tienen una serie de características que las definen, muy similares a las que presentan las cámaras fotográficas y de las que he seleccionado por ser en mi opinión las más relevantes:
- Por el tamaño y tipo de sensor de captación de imagen.
- Por la resolución del sensor desde 420 a 1080 TVL, o desde 1 Mpíxeles, como valores más frecuentes.
- Por el tipo de objetivo que incorpore (longitud focal y diafragma de apertura) y el sistema de montura utilizado (C o CS).
- Por la posibilidad de control remoto de la cámara (control PTZ).
- Por las condiciones de funcionamiento (interior o exterior).
Hay libros en los que las caracterizan con más parámetros, pero estos creo que son los básicos, puesto que a partir de estos se obtienen o calculan los demás.
Los tipos de sensores utilizados en las cámaras, van a ser fundamentalmente:
- Sensor CCD (dispositivo de acoplamiento de carga). TIenen más calidad de imagen.
- Sensor CMOS (basada en tecnología de transistores). Tienen menor consumo y tamaño.
Cada uno de estos tipos de sensores tiene sus ventajas e inconvenientes, pero se tiende a utilizar los mismos tipos de sensores que se utilizan en las cámaras de fotografía (sensores CMOS), puesto que permiten una digitalización más fácil de la señal de video. Desgraciadamente, el mayor consumo eléctrico de los sensores CCD hace que se utilicen cada vez menos. Aquí tenéis la fotografía del sensor de la cámara Sony modelo SSC-C158P:
Otro modelo de cámara, como es la Siemens CCBC-1337MP, con sensor CCD igualmente,tiene esta apariencia su sensor:
Básicamente, para captar la imagen de video, lo que se hace realmente es tomar la imagen captada por el sensor cada 1/20 de segundo (el ojo humano tiende a dar continuidad a imágenes tomadas cada 1/20 de segundo, el ejemplo más claro es la TV que en realidad son imágenes que pasan cada 1/50 de segundo por la pantalla).
Para ello los sensores CCD utilizan una técnica de captación de imagen distinta a la que se utiliza en los sensores CMOS, utilizados en las cámaras de bajo coste.
Al unir cada fotograma tomado cada, al menos 1/20 seg., tenemos una señal de video continuo.
Los formatos o dimensiones de sensores más frecuentes son 1/3"(pulgada) y 1/2"(pulgada), pero existen otros formatos, que se incluyen a continuación, porque nos van a ser útiles a la hora de elegir la longitud focal de la lente a utilizar en nuestra cámara:
He sacado de Internet un gráfico con las medidas de los diferentes sensores de cámaras de CCTV:
Posteriormente veremos como, en función de la medida del sensor (la altura: 2.4, 3.6, 4.8 o 6.6 mm), vamos a poder calcular la longitud focal del objetivo óptimo para nuestra cámara.
La sensibilidad: es la intensidad de luz mínima que necesitan para captar correctamente la imagen que están recibiendo. Así, vamos a tener sensores pensados para captar imágenes en color, otros para captarla en B/N y otros para condiciones de luz extrema, utilizando un filtro de infrarrojo (conocido como IR). Vamos a encontrarnos cámaras que nos van a indicar la sensibilidad o intensidad mínima de luz que necesitan para funcionar correctamente en sus manuales de características.
La longitud focal de la lente que vamos a utilizar en nuestra cámara es otro parámetro muy importante a determinar, antes de comprar la cámara de cctv; nos va a venir determinada por el ángulo visual y la distancia en metros a cubrir.
Si necesitamos cubrir un ángulo visual de unos 120º, la longitud focal a utilizar deberá de ser la equivalente a un objetivo gran angular en fotografía: entre 2.5 mm hasta 4 mm (dependiendo de la distancia del objeto).
Un ejemplo de una imagen tomada con un objetivo gran angular en una cámara fotográfica con un 17 mm equivalente a un 2 mm en cámaras de cctv, dándonos un ángulo visual de más de 100º, sería la siguiente:
Si en el objetivo de la cámara variamos la longitud focal a 40 mm, que equivaldrá a unos 10-12 mm en una cámara de cctv, dándonos un ángulo visual menor de 60º, tendremos:
Se puede apreciar la diferencia entre ambas fotografías, el teleobjetivo "acerca" los objetos lejanos.
Si el ángulo visual a cubrir es menor, de unos 90º, la longitud focal estará en torno a los 4mm- 6 mm, aunque como se indicó anteriormente, depende de los cálculos que sea necesario realizar para captar bien la imagen. Este tipo de objetivo se conoce como objetivo angular.
Si el ángulo visual es aún menor, de 20-30º, estaríamos hablando de un teleobjetivo largo, y las longitudes focales variarán entre unos 12 mm hasta 40-50 mm (dependiendo del dinero que queramos invertir en la óptica de la cámara).
La montura de la lente a utilizar es el tipo de anillo roscado entre la lente y el cuerpo de cámara. Hay montura "C" y "CS", que se diferencian en la distancia desde la rosca al sensor.
Afortunadamente, la mayoría de los cuerpos de cámara utilizan montura del tipo CS. Si tuviéramos una lente con montura C, podríamos utilizarla en un cuerpo de cámara CS, añadiendo un aro adaptador.
De todas formas, el principal condicionante de la longitud focal es que la imagen que queremos captar, debe de ocupar toda la pantalla del monitor de visualización.
Del documento "Como seleccionar la cámara de CCTV correcta", publicado por Bosh Security en 2009, he seleccionado la imagen para "calcular" la longitud focal de nuestro objetivo.
De acuerdo a esta imagen, si yo conozco la altura del individuo a captar (la H), conozco la distancia entre dicho individuo hasta la lente (la L) y conozco la altura del sensor utilizado (la w), yo puedo calcular la longitud focal que tengo que utilizar.
Partimos del principio que la imagen de la persona ocupe la pantalla completa en el monitor de CCTV, aunque en algunas ocasiones, la imagen debe de ocupar al menos un 60% de la pantalla para ser reconocida en el monitor. La elección de la longitud focal adecuada, la dará habitualmente la práctica y las lentes disponibles en el mercado disponibles.
Si el individuo/objeto mide 1,8 m de altura, está situado a una distancia de 6 m y el sensor utilizado por nuestra cámara de cctv es de 1/3" (altura de 3.6mm), puedo calcular la longitud focal que debo de montar en mi cámara, expresando todo en mílimetros:
f= 3.6 mm * 6000 mm /1800 mm = 12 mm
Tal y como aparece en el mismo ejemplo del manual "Cómo seleccionar la cámara de cctv" de Bosh de 2009.
Otro parámetro a tener en cuenta en los sistemas de cctv es la cantidad de luz que va a llegar al interior del sensor.
La cantidad de luz se regula por medio del diafragma, que es un conjunto de cortinillas situados en el interior del objetivo y que regulan la cantidad de luz que llega al sensor en cada momento.
Al igual que nos sucede a las personas, si nos llega más luz, el sensor se queda "ciego" o incluso puede llegar a degradarse.
Como donde mejor se observa el comportamiento del diafragma es en una cámara réflex, aquí tenéis las fotografías de una lente de 50 mm, con diferentes aperturas de diafragma.
Así, si el diafragma se encuentra muy cerrado, por ejemplo a F16, como en el caso de la fotografía, la cantidad de luz que va a entrar es pequeña: esta situación es recomendable cuando la intensidad de luz es muy alta (a medio día y a pleno sol, por ejemplo).
Si abrimos el diafragma a la mitad de su valor, a F8, entrará más luz hacia el sensor que se encuentre detrás; esta situación se nos dará al atardecer, conforme va disminuyendo la luz del sol. Las laminillas del diafragma quedarían así:
Los valores que habitualmente vamos a tener de apertura de diafragma son F1.4, F2, F2.8, F4, F5.6, F8, F11, F16 y F22; basta observar el dial de una cámara de fotos y observar la correspondencia. El paso de un diafragma al siguiente supone aumentar o disminuir a la mitad la cantidad de luz que llega al sensor.
- Si paso de una apertura de F2 a F2.8, la cantidad de luz se reduce a la mitad. Si en lugar de F2 paso a F4, se reduce la cuarta parte (1/2 * 1/2 = 1/4).
- Sin embargo, si tengo una apertura de F16 y paso a F8, la cantidad de luz aumenta al doble de la que tenía inicialmente.
En la mayoría de las cámaras de CCTV, este ajuste no se puede hacer manualmente y se ha incorporado un ajuste automático del IRIS o diafragma. Este ajuste se realiza por medio de un cable conectado a la óptica de la cámara para regular el diafragma automáticamente, de acuerdo a la intensidad de luz. La rosca que incorpora este objetivo es una montura CS.
La resolución del sensor nos indica el número de píxeles o puntos que pueden reproducirse de la imagen en un monitor. Los valores habituales están entre 420 y 1080 TVL (líneas de televisión), aunque hay disponibles cámaras de mucha mayor resolución, a un precio más elevado.
El ajuste automático del número F o abertura de diafragma en las cámaras de CCTV no se puede realizar como en las cámaras fotográficas. Aquí tenéis un pequeño video de cómo se modifica manualmente y continua el número F de apertura de diafragma y como se configura a un determinado número F, según la medida de intensidad lumínica realizada por el sensor CMOS, CCD de la cámara.
Es importante también tener en cuenta que, si nuestro sensor es de 1 Mpíxeles y grabamos a 20 imágenes por segundo, en 1 segundo utilizaremos 20 Mbytes de espacio de disco duro.
Sin embargo, si el sensor es de 5 Mpíxeles y grabamos también a 20 imágenes por segundo (fps), necesitaremos 100 Mbytes de espacio de disco duro por segundo.
Otro parámetro a ajustar en las cámaras es el tiempo que la imagen es expuesta en el sensor; es decir, a menor tiempo de exposición del sensor a la luz y mayor abertura de luz, es ideal para objetos en movimiento o con alta iluminación y al contrario: mayor tiempo de exposición con un diafragma o iris más cerrado, capta la misma imagen. Este proceso normalmente se realiza de forma automática por la cámara de videovigilancia.
Así, la gota de agua queda congelada en la imagen superior (seleccionamos alta velocidad de obturación y diafragma o iris muy abierto) y difuminada en la inferior al aumentar el tiempo de exposición y cerrar el iris, para que en ambas imágenes se reciba la misma intensidad de luz en el sensor.
DISPOSITIVOS DE VIDEOGRABACIÓN (DVR)
Cuando se ha captado la imagen en una cámara de videovigilancia, ésta es enviada a través de un medio de transmisión (cable coaxial, cable de pares, cable ethernet, balun, etc.) hasta un dispositivos de visualización o de grabación.
Voy a centrarme en los equipos de videograbación analógicos, como los que tenemos en el aula.
Tenemos un dispositivo que tiene el tamaño de un DVD compacto y que tiene en su interior un disco duro de alta fiabilidad, pensado para múltiples grabaciones ininterrumpidas y con varias entradas de señal de video.
El aspecto frontal de estos dispositivos es sencillo: un conjunto de botones de control y conector USB para el ratón.
Otros modelos también con 4 canales de entrada, son más largos pero de igual altura, y la botonera cambia su distribución:
Se puede observar como la botonera ha sido sustituida por "flechas" de desplazamiento en la pantalla.
Normalmente, lo mínimo que van a tener son 4 conectores BNC para recibir la señal de entrada, como se puede apreciar en el de la fotografía:
Se puede comprobar que dispone de 4 entradas de video (VIDEO IN), 2 de audio (una de entrada y otra de salida), salida de video VGA (con opción de elegir formato americano o europeo para un televisor NTSC/PAL, un conector de red LAN para enviar remotamente las imágenes grabadas, si así lo configuramos.
Incorpora conexión de bus RS485 para control remoto de las cámaras de videovigilancia tipo domo (que permiten ajustar la orientación y el zoom de la óptica), y controles adicionales.
Una vez que las cámaras de videovigilancia se conectan al dispositivo de videograbación, y éste ha sido configurado convenientemente, tendremos en la pantalla del monitor un "cuadrante", es decir, la pantalla se divide en 4 trozos mostrando el contenido que visualiza cada cámara.
Una imagen descargada de internet, con 4 cámaras conectadas a un videograbador, sirve de ejemplo:
Estas imágenes visualizadas, dependiendo de las características de nuestro dispositivo grabador de videovigilancia (DVR), podrán ser:
- Visualizadas y almacenadas localmente en el disco duro del DVR.
- Enviadas como streaming de vídeo a un servidor de internet donde se almacenarán (se puede configurar para almacenar en nuestro propio ordenador, si están en la misma red el DVR y el ordenador).
- Se puede enviar un mensaje de texto avisando que, en un lugar donde no hay nadie, el DVR ha detectado movimiento y proceder a partir de ese momento a grabar.
- Se puede monitor vía teléfono móvil, la imagen que tenemos en nuestro DVR, configurándolo igualmente para acceso remoto con la "app" del fabricante del DVR.
