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Von der analogen zur digitalen Videotechnik
Aspekte für eine zeitgemäße Überwachungstechnik

Ohne Zweifel: Zeitgemäße Videoüberwachungstechnik ist IP-basiert. Die Gründe dafür ergeben sich aus der volldigitalen Technik von der Kamera, über Netzwerk, Computer, Speicher und Software bis zum Monitor.

Von der analogen zur digitalen Videotechnik

Die Ursprünge der Kameratechnik reichen weit zurück. Auf Vorentwicklungen des französischen Rechtsanwalts Joseph Nicéphore Niépce (1765-1833) zu Beginn des 19. Jahrhunderts aufbauend, schuf Louis Jacques Mandé Daguerre (1787-1851) um 1840 die erste praxistaugliche Kamera. Sie bannte das Bild einer Camera Obscura bei guten Lichtverhältnissen mit Belichtungszeiten im Stundenbereich auf eine mit Silberjodid beschichtete Silberplatte als Bildspeicher. Dieser war freilich ein Unikat und eignete sich nicht zur Vervielfachung. Schnelle Verbesserungen in der Belichtungsoptik, Fotopapier, das bald die Silberplatten ersetzte, und eine Belichtungsmechanik (Verschluss) verkürzten die Belichtungszeit bis in den Bereich von Sekunden oder Sekundenbruchteilen. Transparente Rollfilme mit einer lichtempfindlichen Emulsion als Träger der fotografischen Informationen erlaubten die Vervielfältigung und verhalfen der Fotografie zum Durchbruch in einen Massenmarkt.

Bis heute sind die Grundelemente eines Bildaufzeichnungsgeräts prinzipiell unverändert: Optik, Verschluss und lichtempfindlicher Sensor. Die weitere Differenzierung kann nach verschiedenen Ansätzen erfolgen.

  • Technischer Einsatzbereich: Überwachungs-, Infrarot-, Hochgeschwindigkeits-, Luft- und Messbild-, Thermografie-, Mikroskop-, Stereokamera usw.;
  • Aufnahmemedium: Plan-, Roll-, Klein-, Kleinst- oder APS-Bildfilm-, Instamatic-Kassetten-Kamera usw.;
  • Aufnahmeformat: Groß-, Mittel- oder Halbformat-Kamera, Klein- oder Kleinstbildformat-Kamera;
  • Optik: Spiegelreflex-, Sucher-, Fach- oder Lochkamera.

Aufnahme von Bewegtbildern

Die Aufnahme von Bewegtbildern war lediglich eine konsequente Weiterentwicklung der Standbildtechnik für eine Bildfolgegeschwindigkeit, die hoch genug ist, um einen ruckelfreien Bewegungsablauf auf der Netzhaut des Betrachters zu erzeugen.

Heutige, elektronische Videokameras lassen sich grob in zwei Kategorien teilen: Analog- oder Digitalkameras.

Videoüberwachungsanlagen

Videoüberwachungsanlagen dienen der optischen Beobachtung von technischen Prozessen, des Straßenverkehrs, öffentlicher und privater Bereiche, einbruch- und diebstahlgefährdeter Situationen in Museen, Geschäften, Gebäuden, Wohnungen usw. Im angelsächsischen Sprachraum spricht man von CCTV-Systemen (Closed Circuit Television; TV für eine begrenzte Nutzerzahl), die im Gegensatz zu einem öffentlichen TV-System mit einer offenen Anzahl von Teilnehmern stehen. Die Kameras werden entweder wegen der Abschreckungswirkung gewollt auffällig und mit blinkender Aktivitäts-LED oder zur unbemerkten Dokumentation versteckt montiert.

Grundsätzlich besteht ein CCTV-System aus mindestens einer Bewegtbildkamera als Quelle, einem kabelgebundenen oder drahtlosen Übertragungskanal und einem Monitor als Senke.

Analoge Kameratechnik

Videokamerasysteme auf rein analoger Grundlage wurden weltweit erstmals ab 1942 im Zweiten Weltkrieg bei der Heeresversuchsanstalt Peenemünde unter Leitung des späteren Vaters des PAL-Farbfernsehsystems Walter Bruch (1908-1990) zur Überwachung und Analyse der V2-Raketen-Starts eingesetzt. Die Bilder wurden auf Magnetband abgespeichert, das zwischen den Jahren 1935 und 1940 als Gemeinschaftsentwicklung von AEG und I.G. Farben entstand.

Die analoge Aufnahme- und Speichertechnik ist mit einigen spezifischen Nachteilen behaftet. Erstens wird das analoge Videosignal mit zunehmender Leitungslänge frequenzabhängig gedämpft, d. h. es verliert hochfrequente Anteile, was sich in einer Abnahme der Bildschärfe äußert. Auch die Qualität der Bandaufnahmen verringert sich mit jeder Kopiengeneration und dem Alter der Bänder. Das ist der Grund dafür, dass heutige „analoge“ Kamerasysteme intern mit digitalisierten Bildern arbeiten und diese verlustfrei im Digitalformat speichern. Lediglich die Ausgabe erfolgt als analoges PAL-Signal (PAL; Phase Alternating Line). Die Bezeichnung „analoges Kamerasystem“ ist in diesem Fall daher nicht ganz gerechtfertigt.

Digitale Kameratechnik

Von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU; International Telecommunication Union) wurde 1988 mit dem Videokonferenzstandard H.261 ein CIF (Common Intermediate Format: Gemeinsames Zwischenformat) genanntes Format eingeführt. Dies wurde erforderlich, um die aus den unterschiedlichen vertikalen und horizontalen Auflösungen von PAL- und NTSC-Farbbildfolgen (NTSC; National Television Systems Committee) resultierenden Kompatibilitätsprobleme bei digitalen Videokonferenzen zu verringern. Bezeichnungen und Auflösungen der verschiedenen Zwischenformate zeigt Tabelle 1. Ein Vergleich der CIF-Werte mit SIF-Werten (SIF; Source Input Format; Quelleneingangsformat) von PAL und NTSC zeigt den Zwischenformatcharakter von CIF auch in Hinblick auf weitere Bildparameter wie z. B. die Bildwiederholrate.

Ein Vergleich mit den heute beim hochauflösenden Fernsehen etablierten Digitalstandards Full HD (1 920 × 1 080 = 2 073 600 Pixel) und 4K-UHD (3 840 x 2 160 = 8 294 400 Pixel) macht die für die heutigen technischen Möglichkeiten niedrigen CIF-Auflösungen deutlich. Überwachungskameras mit weniger als 1,3 Megapixel (1 280 x 1 024 = 1 310 720 Pixel) sind deshalb kaum mehr anzutreffen und als untere Auflösungsgrenze zu betrachten, um im Bedarfsfall Gesichter, Kennzeichen oder sonstige Details noch auflösen zu können. Der Trend für hochwertige Überwachungskameras geht heute klar zu den Megapixelformaten.

Die Erfassungseigenschaften einer Kamera sind von ihrem optischen Linsensystem, dem Bildsensor und den Möglichkeiten zur ferngesteuerten Ausrichtung auf einen bestimmten Bildbereich (PTZ; Pan, Tilt, Zoom; Schwenken, Neigen, Vergrößern) bestimmt.

Die Optik ist durch Lichtstärke (max. Blendenöffnung/Brennweite), Brennweite (Bildausschnitt), Bildwinkel (erfasster Bildbereich), Zoom (veränderbare Vergrößerung), Blendenbereich (steuerbare Lichteinfallsöffnung), Infrarotverhalten (Nachtaufnahmen), usw. gekennzeichnet.

Der Bildsensor trägt durch Auflösung (Pixelzahl in vertikaler und horizontaler Richtung), Lichtempfindlichkeit (Mindestlichtstärke im sichtbaren und IR-Bereich), Rauschen (insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen), Dynamik (reproduzierbarer Kontrastumfang), Sättigungsverhalten (Blooming), Bildwiederholrate (Bewegungsunschärfe) usw. zum resultierenden Qualitätsergebnis bei.

Zusammenfassend ist festzustellen: Die Kameraauswahl ist ein komplexer, vom Einsatzzweck bestimmter Optimierungsvorgang, der einiges an Erfahrung erfordert. Insbesondere wegen des Zusammenspiels von Kamerahardware, Übertragungs- und Speichertechnik sowie Auswertungssoftware sind heute auf jeden Fall digitale, IP-basierte Systeme zu bevorzugen.

Ein volldigitales Überwachungssystem besteht aus den Grundkomponenten fernsteuerbare Kamera mit Optik, Bildaufnehmerchip und ggfs. Datenvorverarbeitungs-
elektronik, auf dem Internetprotokoll (IP) basiertes Übertragungsnetz sowie Monitoring-, Aufzeichnungs- und Auswerteelektronik (Bild 1). Manchmal sind in eine Kamera zur Alarmauslösung aufgrund akustischer Ereignisse und zur Sprachkommunikation mit Personen im Überwachungsbereich auch Mikrophon und Lautsprecher integriert. Als periphere Ergänzungen können bedarfsgesteuerte Infrarotscheinwerfer und Bewegungsmelder zur Alarmauslösung (PIR-Detektor, Radar, Lichtschranke, Ultraschall-
Detektor, Lageänderung, usw.) hinzutreten.

Autor:  K. Jungk
Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Schema eines Überwachungskamerasystems
Bild 1: Schema eines Überwachungskamerasystems (Bild: Jungk; ep)
Bezeichnungen und Auflösungen der verschiedenen Zwischenformate
Tabelle 1: Bezeichnungen und Auflösungen der verschiedenen Zwischenformate

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