Разбор PTZ-камеры: что внутри и как это работает

Сегодня препарируем PTZ-камеру и детально рассматриваем ее железные составляющие, чтобы понять принцип работы.

Прежде чем резать, давайте немного разберемся

Как сделать общение по видеосвязи достаточно комфортным, чтобы участники воспринимали его как живое? Добиться такого эффекта можно, если камера будет захватывать не только общий план комнаты, но и конкретного участника. Переходы между сценами должны быть быстрыми и плавными, чтобы общение не вызывало дискомфорта и не отвлекало участников от обсуждения рабочих вопросов.

Как этого добиться? Есть пара вариантов:

• программно вырезать (а по не-нашему кропать) из общего плана, который захватывается камерой, нужную часть изображения;
• или установить PTZ-камеру. Они бывают с механическими или магнитными приводами.

Камеру с магнитными приводами я найти не смог. Зато камер с механикой вокруг — пруд пруди. Я также разобрал современную и широко распространенную в РФ модель PTZ FullHD камеры, чтобы понять, как изменилась логика и принцип работы за 10 лет прогресса и развития. Итак, приступим!

Tandberg — HD Precision Camera TTC8-01

Итак, начнем мы с весьма распространенной PTZ-камеры от норвежской компании Tandberg. Именно эта камера перекочевала в линейку Cisco Telepresence без каких-либо значимых изменений и продавалась до начала 2010-х.

^[1]

В свое время Tandberg делал премиальные PTZ-камеры, и об этом нам говорит строгий, лаконичный дизайн с преобладанием металлических частей корпуса.

Внешне Tandberg выглядит весьма понятно — в серебристом тубусе размещается оптика и матрица, а соединяют камеру с основанием подвижные механизмы.

^[2]

Массивное металлическое основание добавляет камере устойчивости и надежно защищает от внешних воздействий главную плату с электроникой. Именно на этом основании располагается поворотная платформа.

^[3]

Ложе камеры перекатывается на специальных роликах, расположенных внутри подвижной платформы. Работа этого механизма напоминает балансирование циркового акробата на металлических цилиндрах.

В движение этот узел приводится обыкновенным электромотором с зубчатым колесом, по которому перекатывается ложе камеры. Чтобы показать работу этого механизма, пришлось расчехлить старый добрый Autodesk Fusion.

^[4]

Контролировать коллекторный мотор в каждый момент времени призваны оптические датчики, определяющие угол наклона по отраженному свету от меток. Для этого с внутренних сторон зубчатых реек установлены две специальные накладки, которые формируют прерывания отраженного света, по которым определяется угол наклона камеры.

^[5]

Чтобы маломощный коллекторный мотор справлялся с тяжелой оптикой камеры, объектив сбалансирован так, чтобы центр тяжести совпадал с осью мотора. Массивный груз в задней части камеры и обеспечивает тот самый баланс.

Под куполом располагается еще один приводной мотор, поворачивающий камеру влево и вправо. Однако он конструктивно отличается от коллекторного тем, что вал проворачивается небольшими шагами (1 шаг = 3,750), то есть для одного полного оборота потребуется 3600 / 3,750 = 96 шагов. Также дополнительным бонусом является удержание вала в заданном положении.

Для стабилизации изображения PTZ-камеры имеются механизмы удержания заданной позиции, а это значит, что если направлять камеру в другую сторону при помощи рук и настойчивости, то пластиковые детали внутри камеры очень быстро выйдут из строя (если не сразу).

Это правило справедливо и для выключенной камеры. Если не вдаваться в тонкости теоретической механики, то можно сказать, что пластиковые шестерни могут передавать вращение от мотора к узлам камеры, а не наоборот.

И о самом главном — о камере. Конструктивно она похожа на зеркальный фотоаппарат, только без пентапризмы и зеркала. Фокусное расстояние регулируется коллекторным мотором и механическими передачами: это, конечно, не ультразвуковые моторы современных “зеркалок”, но малый вес и габариты для стационарной камеры — вовсе не ключевые показатели.

^[6]

Электроника

Рулит всеми задачами цифровой сигнальный процессор от Texas Instruments с передовой вычислительной мощностью на начало 2000-х, способный выполнять почти 6 миллиардов инструкций в секунду. В те времена это было передовое решение в формате SoC (System on the Chip), в котором был реализован многоуровневый кэш L1/L2, 64-битный интерфейс к внешней оперативной памяти, Ethernet 10/100 Мбит/с, 3 видео порта с поддержкой нескольких разрешений, а также управлением других периферийных устройств.

Следующая передовая микросхема своего времени — Altera Cyclone 2. По сути это обыкновенный ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Производители устройств могут программировать такие схемы для любых задач от управления сервоприводами до передачи данных памяти.

Интерфейс HDMI версии 1.3 реализован чипом AD9889B, поддерживающим разрешение FullHD (1080p) с защитой передачи медиаконтента по технологии HDCP v. 1.2.
Остальные компоненты — это модули памяти и пассивные радиокомпоненты, предназначенные для работы основных элементов.

Подопытный номер №2: СleverMic 1012w

Корпус камеры целиком выполнен из пластика и обладает широким и устойчивым основанием. Спереди у камеры находятся ИК-приемники для пульта дистанционного управления, а сзади — интерфейсные разъемы. Вес у камеры небольшой: предполагаю, что можно подвесить в армстронг на потолок или закрепить на гипсокартонной перегородке.

^[7]

Оси перемещения организованы гораздо проще и понятней, чем у Tandberg, в качестве движущей силы трудятся шаговые моторы, передающие крутящий момент приводным шкивам.

Подвижная платформа имеет 2 полые стойки, между которыми закреплена камера, в полости одной из стоек скрывается приводной механизм, за счет которого изменяется угол наклона.

^[8]

Немного ниже приводного шкива располагается оптический датчик. Этот концевик нужен для определения позиции камеры после включения.

При запуске объектив наклоняется вниз, и когда специальный шип прерывает поток света в оптическом датчике, система понимает, что достигнута крайняя нижняя точка. Все дальнейшее позиционирование производится путем подсчета шагов.

Мотор, поворачивающий камеру влево и вправо, скрывается за сопрягаемым фланцем с 6 винтами, оснащенный таким же концевиком для определения горизонтальной позиции камеры.

Поскольку сопрягаемый фланец неподвижен, в центре находится 2 кабеля: для управления моторами и шлейф с цифровой матрицы.

^[9]

Как мы видим, система механических передач целиком состоит из мощных шаговых моторов, что делает позиционирование камеры более точным и быстрым, а ременные передачи снижают уровень собственного шума устройства.

^[10]

Электроника камер во многом похожа, поэтому лучше поговорим о явных различиях. Из новинок появились USB3.0 и RS-232, при помощи которых можно получить видео в сжатом виде, а также собрать целый каскад подобных камер и через UART (RS232) полностью автоматизировать их наведение на участников конференции.

ИМХО

Как видите, современная PTZ-камера более надежна по конструктиву, имеет лучший сенсор и универсальна по способам подключения, но в остальном недалеко ушла от своей предшественницы. Кроме одного — цены, которая стала ниже в 5 раз. Поэтому сегодня мы видим всё больше и больше оборудованных ПК переговорных комнат, где данный PTZ-зверь уже перестал быть экзотикой.

Автор: Роман Меркулов

Источник ^[11]