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Telecamere analogiche e/o digitali, dai sensori ai pixel, le nozioni fondamentali

Mini-guida ai principi fondamentali di funzionamento delle telecamere, utili per chi deve valutare i prodotti e fare la scelta più adeguata alle proprie esigenze

Il continuo sviluppo degli impianti di videosorveglianza fa sì che la rincorsa frenetica fra i fabbricanti e installatori lasci troppo poco tempo per ripensare alla tecnologia di base delle telecamere, siano esse analogiche e digitali, in bianco e nero od a colori, in tecnologia mega pixel o meno.
E’ opportuno dedicare più tempo ad una riesame dei fondamenti del funzionamento delle telecamere, perché così forse sarà più facile comprendere alcuni aspetti applicativi, talvolta poco noti, e soprattutto scegliere il prodotto più idoneo nel contesto più appropriato.
Anche se in un’azienda i funzionari commerciali di vendita hanno un ruolo importante, il loro compito è quello di individuare il cliente e le sue necessità: tocca dopo ai tecnici mettere a punto una soluzione che soddisfi le esigenze di natura tecnica ed economica, che sono state fatte presenti dal cliente.
Se non ci si avvicina in questo modo al problema, le soluzioni possono essere dettate da considerazioni che possono distorcere la trasparenza del rapporto, portando all’installazione di impianti, che poco hanno a che fare con quanto il cliente veramente desiderava.
Chi scrive vive continuamente queste problematiche, in quanto è coinvolto nella progettazione di sistemi di videosorveglianza, nella valutazione comparata delle offerte e nel loro collaudo.
Credo che nessun lettore si stupisca se più di una volta si vede chiaramente che la proposta elaborata dall’offerente è guidata da considerazioni, che con le effettive esigenze del cliente hanno davvero poco a che fare.
Ecco perché un breve riepilogo di quali sono i principi fondamentali di funzionamento delle telecamere può essere molto utile per avere una base solida, dalla quale partire per imparare a valutare prodotti, apparentemente similari, a scegliere il prodotto più appropriato per un’applicazione specifica.

Questi applicativi sono talmente sofisticati, che il ministero della difesa USA ha perfino avanzato obiezioni al fatto che essi potessero essere disponibili ad una potenza straniera. Ovviamente stiamo parlando di ap plicazioni limite, ma tutti i lettori sanno bene che oggi sono disponibili a cifre modeste degli applicativi di analisi del segnale video, che in molti casi possono permettere alle telecamere di sostituire i tradizionali sen sori volumetrici di intrusione.

Il cuore della telecamera
Una telecamera è un dispositivo di conversione di un’immagine ottica in un segnale elettronico. L’immagine ottica viene catturata da un obiettivo e viene convertita in un segnale elettronico da un sensore.
Di sensori ne esistono di vari tipi, con costi e prestazioni assai diverse. Esistono sensori in bianco e nero, sensori a colore e sensori speciali.
Cominciamo ad esaminare uno dei più diffusi sensori che provvedono alla conversione fotoelettrica, vale a dire convertono il segnale luminoso, focalizzato dall’obiettivo sulla superficie del sensore, in un segnale elettrico.
Oggi i sensori più frequentemente utilizzati sono del tipo CCD che significa sensore ad accoppiamento di carica.
Il sensore CCD contiene un micro circuito al silicio, che consiste in una matrice di piccolissime aree, sensibili alla luce.
Più piccole sono queste aree, maggiore è la risoluzione, anche se la sensibilità potrebbe diminuire.
Ogni minuscola area sensibile viene chiamata convenzionalmente pixel. La ragione per la quale questi sensori sono così diffusi è legata al prezzo relativamente basso, alle dimensioni compatte ed all’elevatissima gamma dinamica, che permette di acquisire sia segnali luminosi molto forte, sia segnali luminosi molto deboli. Inoltre, questi sensori presentano una notevole linearità nella trasformazione della luce in segnale elettrico, diminuendo notevolmente la sorgente di possibili distorsioni.

Cosa sono i pixel
Quando la luce cade sulla superficie di un sensore CCD, che viene realizzato in diverse dimensioni, come vedremo in seguito, il pixel genera una carica elettrica, che viene raccolta da appositi circuiti e trasformata in un segnale elettrico continuo.
Ogni pixel contribuisce alla costruzione del segnale con una carica, tanto più elevata, quanto maggiore è la quantità di luce che lo ha colpito.
Esistono vari sistemi per raccogliere le cariche dei vari pixel, che possono essere centinaia di migliaia o perfino milioni, e per portarla all’esterno del sensore e metterla a disposizione di successivi circuiti di trattamento.
I sensori analogici hanno dei pixel rettangolari, che sono più larghi nella dimensione verticale. Altre telecamere, con diversi sensori, ad esempio digitali, non hanno questa caratteristica, che è dettata dal numero di linee in cui viene suddivisa l’immagine televisiva che è ormai standardizzato in 525 linee per i segnali NTSC e 625 linee per i segnali PAL.
E’ questa la ragione per cui le telecamere digitali possono avere dei pixel quadrati o rettangolari.

Grande sensore è uguale a grande qualità?
La risposta certamente non è semplice. Maggiore è la superficie del sensore, sulla quale si trovano i pixel che catturano la luce, maggiore è il campo ripreso dalla telecamera.
Oggi la produzione è standardizzata su cinque diversi sensori, che vanno da un quarto di pollice, ad un terzo, a mezzo pollice, a due terzi di pollice ed un pollice.
E’ interessante notare che questa denominazione, legata alla dimensione della diagonale, discende direttamente dal sistema con cui un tempo venivano misurate le dimensioni delle aree sensibili dei tubi vidicon. Il rapporto di dimensione dei sensori è sempre 4:3, cioè la dimensione orizzontale e più grande della dimensione verticale.
Per ora quindi tutte le immagini sono di tipo tradizionale e non sono di tipo ad alta definizione, che hanno un rapporto di aspetto completamente diverso.
E’ importante che l’obiettivo prescelto si sposi accuratamente con la dimensione del sensore prescelto, perché se questi due parametri non sono giustamente correlati, si può avere una distorsione dell’immagine.
Per evitare confusione ai nostri lettori, ricordiamo ancora una volta che le dimensioni convenzionali del sensore non hanno nulla a che vedere con le dimensioni effettive.

Sensori in bianco e nero ed a colori
Anche se questa differenza potrebbe sembrare non particolarmente importante, anche per il fatto che oggi la stragrande maggioranza delle telecamere in commercio è di tipo a colore, l’argomento merita invece un attento studio.
Mi permetto di ricordare ai lettori che nell’hotel Bellagio di Las Vegas, dove sono installate 1.600 telecamere, solo una decina è in bianco e nero: sono le telecamere che inquadrano i tavoli del domino, perché la qualità dell’immagine in bianco e nero è di estrema qualità, e va benissimo in questo contesto, perché le tessere del domino sono solo in bianco e nero.
E’ bene precisare che i sensori CCD sono tipicamente in bianco e nero, perché danno un segnale tanto più elevato, quanto maggiore è la quantità di luce che li colpisce.
Un numero molto piccolo rappresenta il nero , mentre un numero più grande può rappresentare il bianco, ed i valori intermedi rappresentano variazioni nella scala dei grigi.
Quindi ogni pixel genera informazioni solo riguardanti l’intensità della luce e non il colore.
Ci si domanda allora come sia possibile realizzare una telecamera a colori, utilizzando questo tipo di sensore, che intrinsecamente non è sensibile al colore: esistono due sistemi.
Il sistema più diffuso è quello di utilizzare un filtro a mosaico. Il filtro a mosaico fa sì che tre pixel vicini ricevano soltanto una componente delle tre componenti fondamentale della luce bianca. Estraendo separatamente queste tre informazioni luminose, si ha a disposizione la componente specifica nel colore fondamentale.
Naturalmente questa soluzione ha un prezzo piuttosto caro, perché il numero complessivo dei pixel a disposizione viene diviso per 3. Ogni pixel infatti deve ricevere solo la porzione di radiazione luminosa, filtrata dal filtro base specifico. Ecco perché una telecamera di questo tipo ha una minore sensibilità, un minor contrasto ed un maggior livello del rumore di fondo.
I fabbricanti hanno cercato di ovviarea questo problema, mettendo in commercio delle telecamere a colori che utilizzano tre sensori di luce. In questo caso la luce bianca incidente viene spezzata da un filtro nelle tre componenti fondamentali dello spettro, che vengono inviate a tre differenti sensori; con questo accorgimento è possibile ottenere una risoluzione assolutamente paragonabile a quella di un sensore in bianco e nero, ma evidentemente il costo è decisamente più elevato, per la presenza del filtro e di un più elevato numero di sensori.

Telecamere analogiche e/o digitali
Le telecamere analogiche generano un segnale elettrico continuamente variabile, in tempo reale, dove la frequenza e l’ampiezza del segnale fornisce informazioni in merito all’intensità della luce incidente ed alla gradualità con cui si passa da una zona più luminosa ad una zona meno luminosa.
Un’architettura di questo tipo è decisamente più economica e da questo punto di vista rappresenta senz’altro una soluzione attraente.
Tuttavia, vi sono dei problemi connessi in termini di rumore di fondo, e di limiti alla qualità dell’immagine trasmessa. Se infatti si vogliono risolvere due aree luminose assai vicine, individuandole separatamente, occorre salire a bande di frequenza del segnale trasmesso estremamente elevate.
Se invece si utilizza una telecamera digitale, essa trasmette una flusso di bit, che variano tra 0 e 1. Occorre a questo punto utilizzare un apparato speciale, che converte il flusso di dati binari in informazioni video.
Come è noto, una trasmissione digitale presenta intrinsecamente un rapporto segnale disturbo molto più basso e la qualità della conversione, quando è visualizzato sul monitore, è decisamente migliore.
E’ questa la ragione perché una telecamera digitale, oltre ad una risoluzione più elevata, ha un maggior rateo di quadri al secondo, un rumore inferiore ed altri vantaggi, che esamineremo in seguito.

Come trasferire all’esterno le cariche dei pixel
Le telecamere possono essere suddivise in due grandi categorie, a seconda dell’architettura che viene utilizzata per catturare le cariche, che si creano su ogni pixel, colpito dalla luce, e trasferirle all’esterno per costruire un segnale video vero e proprio.
Vi è la tecnica ad interlaccio e la tecnica a scan progressivo. Nella tecnica interlacciata, il sensore è suddiviso in due campi, rispettivamente le file pari e le file dispari.
Ad esempio, con un rateo di produzione delle immagini a 30 quadri al secondo, ogni quadro deve essere letto in un sessantesimo di secondo. Prima vengono lette le informazioni che vengono dalle file dispari, e poi quelle dalle file pari.
Questa soluzione è molto economica ma presenta dei problemi, soprattutto se l’immagine è in rapido cambiamento. È infatti possibile che, nel sessantesimo di secondo che passa tra l’acquisizione del primo semi quadro, quello prodotto dalle file dispari, e del secondo semi quadro, quello prodotto dalle file pari, l’immagine sia cambiata e le due immagini combinate offrono una visione non particolarmente nitida.
Per questa ragione nelle riprese ad alta velocità spesso si vedono degli effetti fantasma o di minor nitidezza.
Il sistema di acquisizione progressiva risolve questo problema esplorando, e cioè acquisendo le cariche presenti sulle linee una dietro l’altra, secondo la successione numerica e non secondo la successione di pari e dispari.
Bisogna però fare attenzione che ancora oggi diversi fabbricanti utilizzano sistemi diversi per acquisire queste cariche e quindi in alcuni casi potrebbero esservi delle difficoltà nel visualizzare correttamente l’immagine.

La risoluzione e le righe
Le righe o linee dell’immagine, nelle telecamere analogiche, vengono spesso indicate dal fabbricante e il numero di linee presenti nell’immagine viene talvolta usato come parametro per valutare la risoluzione dell’immagine.
Il numero delle linee è una unità di risoluzione dell’immagine, che viene basata sulla ripresa di un’immagine, dove le linee sono spaziate in modo uguale. Se il bersaglio è abbastanza grande da coprire l’intero campo visivo, il numero di linee TV è calcolato sommando tutte le linee ed gli spazi fra le linee.
Nelle telecamere digitali,si indica il numero di pixel presenti sul sensore, come parametro di risoluzione. Le ormai famose telecamere a megapixel fanno appunto riferimento a sensori con milioni di pixel, contro le centinaia di migliaia, tipiche di una telecamera convenzionale.

La sensibilità delle telecamere
Il problema della sensibilità delle telecamere oggi diventa sempre più importante, perché tutti vorrebbero acquisire un’ottima immagine, anche in presenza di un bassissimo livello di luminosità.
Lasciando perdere le telecamere speciali ad intensificatore di immagine, che appartengono un settore oltremodo specializzato, oppure le telecamere con sensore ad infrarossi, che in realtà non catturano la componente visiva dell’immagine, ma la componente infrarossa, è bene aver presente che un sensore in bianco e nero non risponde bene a diverse frequenze della luce incidente.
In altre parole, la carica generata varia non solo in funzione dell’intensità della luce incidente, ma anche della frequenza della luce incidente. Vi è un picco nel quale si ha la massima sensibilità, che diminuisce più lentamente quando la frequenza dell’onda luminosa aumenta e più rapidamente, quando la frequenza diminuisce.
La frequenza della luce incidente è data evidentemente dal colore della luce, ma anche e soprattutto dal tipo di illuminazione presente nella scena ripresa.
Poiché oggi esistono dozzine di tipi di lampade, occorre accoppiare correttamente lo spettro di radiazione della lampada con lo spettro di sensibilità della telecamera.
Una caratteristica di molte telecamere in bianco e nero è un’elevata sensibilità anche al di fuori della banda visibile, in lunghezze d’onda più elevate, che sono tipiche della radiazione infrarossa. Ecco perché molte telecamere in bianco e nero possono ottenere un buon salto di sensibilità, permettendo al sensore di catturare anche la componente infrarossa presente nell’immagine ripresa, il che non è normalmente possibile.
Ecco perché in molte telecamere a colori si può ottenere un buon salto di sensibilità, permettendo al sensore di catturare anche la componente infrarossa presente nell’immagine ripresa, il che normalmente non avviene.
Il filtro che blocca l’infrarosso si sposta, quando la luminosità della scena ripresa scende, in maniera che il sensore possa sfruttare al meglio la sua elevata sensibilità nell’infrarosso vicino.

I segnali in uscita
In realtà, i nostri lettori non entrano all’interno della telecamera e si limitano ad estrarre il segnale video sul connettore predisposto dal fabbricante.
Esistono diversi tipi di connettori, che fanno riferimento a diversi tipi di segnale presenti. Il segnale video bianco e nero in uscita è stato standardizzato da una organismo americano, lo NTSC, con il codice R 170, mentre la versione colori viene chiamata R 170 a; quest’ultimo segnale viene più corrente comunemente chiamato NTSC.
Entrambi questi segnali sono di tipo composito, il che significa che tutte le informazioni afferenti al colore ed all’intensità sono radunate in un unico segnale.
Esistono però altri tipi di segnali in uscita, Y-C ed RGB, che separano il segnale di crominanza, che da l’informazione di colore, dalla informazione di luminanza, che da l’informazione di intensità del colore.
In Italia lo standard utilizzato per il bianco e nero e il CCIR, mentre per il colore si usa il PAL oppure il SECAM, particolarmente usato in Francia. Naturalmente tutto ciò non vale per le telecamere digitali, che danno un segnale digitale standardizzato.

“Tratto dalla Rivista Antifurto – www.epcperiodici.it”

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