Elektronisches Auge wird wachsamer

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1 Megapixelkameras erhöhen die Sicherheit Elektronisches Auge wird wachsamer Megapixel-Sensoren steigern die Lichtempfindlichkeit von Überwachungskameras deutlich. Das revolutioniert die Videoüberwachung von Gebäuden, Grundstücken und öffentlichen Bereichen. Die neuen Sensoren sorgen auch bei schwierigen Lichtverhältnissen für gestochen scharfe Aufnahmen. Polizeistatistiken zeigen, dass Vandalismus, Einbrüche oder sonstige Straftaten weltweit zunehmen. Die Videoüberwachung gehört aus diesem Grund mittlerweile zu den festen Sicherheitsstandards von Firmen, Behörden und Privatleuten. Hochauflösende, intelligente Kameras spielen dabei eine zentrale Rolle. Die Notwendigkeit, Haus und Eigentum zu schützen, ist kein Phänomen unserer Zeit. In der Antike wachten Sklaven über Haus und Hof; im Mittelalter zogen Nachtwächter durch die Gassen der Städte, um die Bürger und ihr Eigentum zu schützen. An deren Stelle sind heute moderne Sicherheitssysteme getreten, die Gebäude und Areale lückenlos überwachen. Kernstück solcher Überwachungssysteme sind hochauflösende Kameras, die mit einer neuen Generation von Sensoren arbeiten. Diese erzeugen auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen gestochen scharfe Bilder. Auf diese Weise lassen sich auch schwer einsehbare Bereiche, Grundstücke oder Teile davon durchgängig überwachen. Selbst bei schlechteren Lichtverhältnissen liefern diese Kameras detailgetreue Aufnahmen. 1

2 Außenüberwachung zentral steuern Megapixel-Kameras, wie sie beispielsweise von Sony angeboten werden, lassen sich in unterschiedlichen Umgebungen einsetzen. Dazu gehören Sportstadien ebenso, wie öffentliche Gebäude, Stadtzentren oder Parks. Kugelgelenkfassungen erlauben es, das Objektiv in alle Richtungen zu drehen. Der Schwenk- und Neigungswinkel kann von der zentralen Überwachungskonsole aus beliebig vertikal oder horizontal eingestellt werden. Kameras mit Kugelgelenk lassen sich darüber hinaus deutlich leichter und flexibler installieren, für viele Anwender ein wichtiges Kriterium. Ein weiterer Aspekt sind das stabile Gehäuse aus Aluminiumdruckguss sowie eine widerstandfähige Polycarbonat-Kuppel, wie sie die Megapixel-Kamera SNC- DM160 von Sony bietet. Diese Materialien schützen die Kamera vor extremen Witterungseinflüssen und Vandalismus. Ein 3,6-faches Objektiv mit variabler Brennweite von 2,8 bis 10mm sowie einer Mindestlichtstärke von weniger als 3 Lux bei F 1.3 beziehungsweise weniger als 1 Lux bei F1.3 mit Light Funnel -Funktion garantieren Aufnahmen von hoher Qualität. Durch Light Funnel, auch als Lichtrichter-Funktion bezeichnet, werden vier Pixel in ein Pixel verwandelt. Der Effekt: Die Kamera wird lichtempfindlicher. Dadurch entstehen auch in der Dämmerung sowie in der Nacht scharfe Bilder. Diese Funktion kann nach einem vorbestimmten Zeitplan automatisch oder manuell je nach den jeweilig vorherrschenden Lichtbedingungen aktiviert werden. Die zentrale Komponente einer Videokamera ist der Bildaufnahmesensor. An ihn werden hohe Anforderungen gestellt: gute Bilder bei wenig Licht, die richtige Wiedergabe von Farbwerten bei Tageslicht und eine hohe Auflösung. Megapixel-Kameras verwenden deshalb moderne CCD- Sensoren mit Scan- und ExwavePro -Technologie. 2

3 Hohe Lichtempfindlichkeit Bei den Sensoren, die heute in der Videoüberwachung zum Einsatz kommen, handelt es sich meist um SuperHAD, ExwaveHAD oder ExviewHAD sowie CMOS Sensoren. In preiswerten Kameras werden wegen der geringeren Kosten häufig CMOS oder SuperHAD Sensoren verwendet. CMOS ist aufgrund seines elektrischen Aufbaus vergleichsweise preiswert. SuperHAD sind ältere, preiswerte Sensoren, die bereits über eine ausreichende Lichtempfindlichkeit verfügen. ExawaveHAD Sensoren dagegen zeichnen sich durch eine hohe Lichtempfindlichkeit aus, weshalb sie häufig in sehr lichtempfindlichen Kameras zum Einsatz kommen. Diese Qualität ist heute schon zu einem günstigen Preis- /Leistungsverhältnis zu haben. So sind die Investitionskosten für diese Kameras vergleichsweise gering. Darüber hinaus müssen keine zusätzlichen Lichtquellen installiert werden, die das Budget und das Stromkonto belasten. Bild Unterschiede bei Sensortypen: 3

4 Bild CMOS Sensor: Bei den neueren Typen der CMOS Sensoren hat praktisch jedes Pixel seinen eigenen Verstärker. Nach dem Verstärker ist eine Matrix geschaltet, die jeden einzelnen Bildpunkt auslesen kann. Bild CCD Sensor: Der typische CCD Sensor bringt die Ladungsträger sequenziell über horizontaler Schieberegister zu den nachfolgenden Verstärkern. 4

5 Sensoren haben Hunderttausende bis hin zu Millionen lichtempfindliche Pixel, die jeweils einzeln ausgelesen werden müssen. CMOS- und CCD-Sensoren unterscheiden sich durch die Art, wie sie diese Pixel elektronisch auslesen. Bei neueren CMOS-Sensoren verfügt praktisch jedes Pixel über einen eigenen Verstärker, nach dem eine Matrix geschaltet ist, die jeden einzelnen Bildpunkt auslesen kann. Der typische CCD Sensor dagegen bringt die Ladungsträger sequenziell über horizontale Schieberegister zu den nachfolgenden Verstärkern. Die Auslesezeiten richten sich nach der verwendeten Norm PAL oder NTSC und liegen bei 1/50 oder 1/60 Sekunde pro Bild. Ausleseverfahren mit hoher Qualität Abhängig vom eingesetzten Sensor wird bei einer Videokamera im Zeilensprungverfahren oder progressiv ausgelesen. Das Zeilensprungverfahren wurde entwickelt, um bei den angeschlossenen Monitoren das Bildflimmern zu vermeiden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings, dass Bewegungen im überwachten Bereich zu unscharfen Aufnahmen führen, die für die Feinerkennung kaum oder gar nicht zu verwenden sind. Beim progressiven Scan dagegen, wird das Bild von oben nach unten in einem ausgelesen, ohne dass zum nächsten Bild ein Versatz der Zeilen sichtbar wird. Die Sensoren der neuen Generation lassen sich gut an die Anforderungen der überwachten Umgebung oder Situation anpassen. Sollen beispielsweise schnell bewegliche Objekte aufgenommen werden, kann die Belichtungszeit auf dem Pixel verkürzt werden. Dadurch hat der Sensor statt 1/50 Sekunden pro Bild zum Beispiel nur 1/500 Sekunde pro Bild für die Aufnahme zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich im Bild 5

6 Wischeffekte vermeiden, die durch schnelle Bewegungen entstehen können. Draus resultiert allerdings eine geringere Lichtempfindlichkeit, weshalb der Sensor entsprechend mehr Licht benötigt. Dazu muss entweder die Blende am Objektiv geöffnet oder stärker beleuchtet werden. Mehr Licht für die Sicherheit Um die Lichtempfindlichkeit eines Sensors zu steigern, muss pro lichtempfindlichem Pixel eine Micro-Linse auf den Sensor gebracht werden. Das Verfahren wird als On-Chip-Lens (OCL) bezeichnet. Der Grund für dieses Verfahren liegt auf der Hand: lichtempfindliche Schichten haben nur einen geringen Abstand zueinander. Dieser Bereich Abstand zwischen den Pixeln wird normalerweise nicht zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt, weshalb Pixel eine Sammellinse haben. Das heißt, die Linse sammelt vor dem Pixel möglichst viel Licht und bündelt dies auf der lichtempfindlichen Schicht. Bei den heute üblichen SuperexwaveHAD-Sensoren ist im Substrat noch ein weiteres optisches Element untergebracht. Damit lässt sich auch Licht im nahen Infrator-Bereich, das tiefer in die Schichten eindringt als sichtbares Licht, in elektrische Energie umwandeln. Von Haus aus kann jeder Sensor zunächst nur Schwarz/Weiß beziehungsweise Grau unterscheiden. Um ihm Farbinformationen zu entlocken, kann das Licht über Prismenblöcke auf verschiedene CCD Sensoren mit jeweils lichtempfindlicher Schicht geleitet werden. Diese verfügen über entsprechende Farbfilter, mit denen die Farben Rot, Gelb und Blau erzeugt werden. Dieses Verfahren ist allerdings teuer und daher bei der Videoüberwachung nicht üblich. Darüber hinaus schluckt das Prisma kostbares Licht. Aus diesem Grund werden 6

7 Streifenfilter eingesetzt, um aus den verschiedenen beieinander liegenden Pixeln die notwendigen Farbinformationen zu gewinnen. Je nach Filtertyp lässt ein Farbfilter nur Rot, Grün oder Blau durch. Das menschliche Auge hatte für die Farbe Grün eine höhere Empfindlichkeit, als für die beiden anderen Farben. Kameras funktionieren ähnlich wie das menschliche Auge und erfassen Grün ebenfalls besser, als auf Rot oder Blau. Um auch andere Farben besser darzustellen, können für eine Überwachungskamera Komplementärfarben genutzt werden. Dann lässt der Farbfilter zwei Farben passieren, was automatisch zu einer höheren Lichtempfindlichkeit führt. Diese Art Filter verwendet Sony bei den Megapixel-Kameras. Damit wird gleichzeitig verhindert, dass bei kleineren Pixelgrößen das Rauschen der Bilder zunimmt. 7

8 Entsprechend dem Lichtempfinden des menschlichen Auges, ist die Farbe grün öfter vertreten als die beiden anderen Farben. Das bedeutet wie beim Menschen ist die Kamera mehr grün lichtempfindlich als rot bzw. blau. Auch Mexapixelkameras arbeiten nur mit typischen Chipgrößen von 1/3-Zoll oder 1/2-Zoll. Statt der üblichen Pixel müssen hier jedoch rund 1,3 Megapixel ausgelesen werden, weshalb sich die Größe der einzelnen Pixel stark verringert. Um die Lichtempfindlichkeit dennoch zu steigern, wird in der Regel ein Trick angewandt. So kann die Anzahl der Pixel verringert werden. Alternativ bietet sich die Bündelung von vier Pixeln an, wodurch sich die Auflösung sowohl horizontal, als auch vertikal verringert, die Lichtempfindlichkeit dagegen steigt. 8

9 Fazit Die neue Generation von Überwachungskameras mit hochempfindlichen Sensoren entspricht den hohen Anforderungen der Sicherheitsindustrie. Neue Technologien ermöglichen es, bewegte Bilder bei weitem Winkel klar und deutlich an eine zentrale Überwachungskonsole zu übertragen. Selbst bei schwierigen Lichtverhältnissen oder in der Nacht liefern diese Kameras scharfe Bilder, die Sicherheitskräfte bei ihrer Arbeit unterstützen. 9

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