Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Тихая революция, или Работа со звуком в видеонаблюдении

Тихая революция, или Работа со звуком в видеонаблюдении

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Тихая революция, или Работа со звуком в видеонаблюдении

Любое сказанное слово, его интонация, громкость могут стать ключевыми факторами, определяющими течение и исход различных жизненных ситуаций. Из совсем небольшого объема информации с биологической точки зрения звук становится колоссальным источником информации с социальной точки зрения, а следовательно, и с точки зрения систем безопасности
Дмитрий Портнов
Инженер компании Panasonic

Начиная статью о работе со звуком в системах видеонаблюдения, и не только в них, а и в системах безопасности в целом, необходимо вспомнить об изначальных предпосылках применения звукозаписи в охранных системах.

Предпосылки охранной звукозаписи

Предпосылки довольно просты – все, как это всегда и бывает, начинается с человека, причем не какого-то конкретного, а человека вообще, как сущности. Широко известен факт, что от 70 до 90% (согласно различным исследованиям) информации об окружающем мире человек получает благодаря наличию зрения, именно поэтому системы видеонаблюдения получили столь широкое распространение. Согласитесь, что идея, когда один человек наблюдает с помощью сотен, а то и тысяч глаз, была воспринята обществом, особенно людьми, отвечающими за его безопасность, с воодушевлением. Но вернемся к звуку.

Итак, у нас осталось 10–30% мировосприятия от остальных органов чувств, и надо заметить, что слух занимает большую часть от этого объема информации. В итоге 5–15% общей информации об окружающей реальности мы получаем через слух. Кто-то скажет, что это очень мало и можно считать несущественным, но напомню, что речь идет о системах безопасности, однако это все было бы справедливо, если бы мы жили во время зарождения первобытного общества и рассматривали человека как биологический вид, сейчас же человек стал существом социальным, а иногда и социально-политическим.

Системы безопасности и звук

Говоря о звуке в системах безопасности, необходимо вспомнить о нескольких принципиальных вещах, которые влияют на всю историю развития звукозаписи в охранных системах. О социальной значимости уже упоминалось выше, и статья призвана раскрыть технические, а не социальные аспекты систем безопасности, достаточно сказать об устоявшемся термине "прослушка", и все становится ясным. Важным является круг решаемых задач, который определяет векторы развития звуковых систем.

Во-первых, мы не будем рассматривать весь спектр акустических систем, а остановимся лишь на системах, работающих в слышимом для человека диапазоне звуков, они же микрофонные системы.

Во-вторых, поговорим о природе звука и его физике, которые напрямую влияют на особенности применения звукозаписывающих систем, их возможности, ограничения и проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при использовании звукозаписывающих устройств в системах безопасности.

В-третьих, рассмотрим технику – устройства, которые существуют сейчас, новые разработки.

Задачи системы охранной звукозаписи

Если смотреть со стороны заказчика, то основная задача всегда формулируется предельно просто: "Слышать все, всегда и в максимальном качестве!". Далее из описания природы звука и техники будет понятно, почему это невозможно, поэтому попытаемся разбить общую задачу на несколько более простых и описать возможности их решения.

  • Аудиоконтроль помещений различного размера и формы, а именно запись переговоров с клиентами/партнерами/конкурентами/персоналом, в том числе и домашним. Основной принцип формирования данной группы – это точечные, условно единичные источники звука, находящиеся в замкнутом пространстве.
  • Аудиоконтроль работы профессиональных служб: диспетчерские/производства/клиентские службы. В общем, множественные источники звука с определенной пространственной структурой.
  • Звукозапись общественных мероприятий: собрания/суды/дискуссии/учебные группы. Источники звука также множественные, но с беспорядочным распределением в пространстве помещения.
  • Звукозапись вне помещений – одна из самых сложных и практически нерешаемых задач с точки зрения систем охранного аудиоконтроля.
  • Аудиоаналитика: повышенный уровень шума/специфические шумы, например, такие как звук выстрела или специфические слова/фразы. Разбор конфликтных ситуаций при совмещении аудио- и видеозаписей. Данная тема довольно широка и не будет рассматриваться в данной статье. Отметим лишь, что существуют аудиодетекторы в видеонаблюдении, системы определения выстрела инсталлируются в различных городах и специализированные устройства могут выделять фразы по ключевым словам из аудиопотока.

Определившись с задачами, вспомним о природе, ведь именно она определяет границы наших возможностей.

Природа звука

"Звук – физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твердой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств животных и человека. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15– 20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше: до 1 ГГц – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Громкость звука сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука – не только от частоты, но и от величины звукового давления. Среди слышимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот".

Данное определение взято из Википедии как наиболее доступное для широкого круга читателей. Оно позволяет в простых словах понять саму природу звука. Далее следует вспомнить, что скорость звука в воздухе при температуре 20 °С составляет около 340 м/с. Это в свою очередь говорит нам о том, что длины волн "слышимого" звука находятся в диапазоне от 17 мм до 20 м, а на средней частоте человеческого голоса 3 кГц имеют длину около 12 см. То есть в то время как свет в нормальных для человека условиях можно считать лучом, и для него действуют законы геометрической оптики, звук проявляет исключительно волновую природу. Именно поэтому при аудиомониторинге на первый план начинают выходить конструктивные особенности помещений, распределение звуковых источников и их параметры, пространственное распределение микрофонов (приемников звука) и их конструктивные особенности. Связано это с тем, что в "волновом мире звука" важную роль играют такие физические процессы, как интерференция, дифракция и дисперсия (последние две в меньшей степени, когда речь идет об аудиомониторинге). Можно сказать, что для качественной звукозаписи первую и главную роль играет акустика самого помещения – в нем не должно присутствовать переотражений звука, возможности образования стоячих волн и т.д. К сожалению, говоря об охранном аудиоконтроле, мы, как правило, не имеем возможности существенно влиять на акустику помещений. Что же остается делать? Ответ прост: попытаться максимально эффективно применить те инструменты, которые доступны на рынке. Для этого необходимо понимать, какие возможности нам предоставляет современная техника звукозаписи. Говоря о записи звука в системах безопасности, первое, что вспоминается, – это, конечно, микрофоны. Здесь необходимо сделать ремарку: в данной статье я не рассматриваю "экзотические" системы звукосъема, такие как лазерные микрофоны и им подобные системы, речь идет о микрофонных системах, доступных интеграторам систем безопасности.

Микрофоны

Микрофоны бывают различных типов, но основное деление можно произвести на динамические и конденсаторные (угольные микрофоны – прародители современных систем, существующие до сих пор, – в рассмотрение не берутся).

Динамические микрофоны
За счет своих характеристик получили довольно широкое распространение в музыкальной индустрии, а именно концертной деятельности, но они, как правило, обладают меньшей чувствительностью и большими габаритами по сравнению с конденсаторными микрофонами.


Конденсаторные микрофоны
Отличаются хорошей чувствительностью и широкой полосой пропускания, требуют дополнительного питания, что обычно не является серьезной проблемой при построении систем аудиомониторинга. Важный подкласс конденсаторных микрофонов представляют собой электретные микрофоны. Важны они потому, что, являясь наиболее компактными, получили широкое распространение в системах безопасности. Производители систем видеонаблюдения встраивают такие микрофоны в камеры видеонаблюдения.

Кроме того, выпускается огромное количество специализированных микрофонов для систем охраны, которые доступны в различных исполнениях – самые простые, без каких-либо дополнительных регулировок, более продвинутые с ручными и автоматическими регулировками усиления.

Классические решения задач аудиомониторинга

Аудиоконтроль помещений различного размера и формы
В данном случае достаточно одного или нескольких электретных микрофонов, встроенных в камеры наблюдения или установленных отдельно, обязательно с возможностью регулировки предусиления, но не обязательно автоматического. Нужно быть готовым к тому, что студийного звучания тут мы не получим (не получим даже близкого к студийному), но аудиоинформацию можно будет вполне четко распознавать и детерминировать. Как правило, в решениях такого плана мы имеем ярко выраженное смещение звуковой картины в сторону низких частот ("бубнеж"), что вызвано структурными шумами технологического оборудования зданий и вибрацией строительных конструкций. От этого низкочастотного шума очень трудно избавиться, так как его энергия недостаточна, чтобы перейти в стадию активного звукоизлучения (мы не слышим его ушами при инсталляции), но достаточна, чтобы влиять на чувствительные элементы микрофонов.

Аудиоконтроль работы профессиональных служб
Задача похожа на первую, но добавляется фактор множественности и одновременности источников звука, что приводит к интерференции (сложению) звуковых волн на чувствительном элементе микрофона и, соответственно, – к колоссальному ухудшению разборчивости звука. Для наглядного понимания этой картины достаточно представить себе звук, производимый стаей птиц или несколькими одновременно говорящими людьми, – звук есть, а разборчивости нет. Частично данную проблему решает запись звука, которая ведется непосредственно с аудиотрактов телефонных станций, радиостанций и прочего профессионально используемого оборудования. Такой подход приводит к гарантированной записи голосов отдельных участников, но не дает картины в целом, так как возможно появление случайных, но, тем не менее, очень важных участников, не подключенных к "профессиональным" каналам. Это неминуемо приведет к потере важной информации при чрезвычайной ситуации. В таком случае целесообразно применение большого количества пространственно разнесенных точечных микрофонов с очень маленькой чувствительностью и узкой диаграммой направленности. Данное решение позволит вести качественный аудиомониторинг, но обладает рядом недостатков, и главный из них – это количество используемых микрофонов, а соответственно, и каналов аудиозаписи. Как правило, в охранной технике количество каналов аудиозаписи равно или меньше каналов видеозаписи. И проблема состоит в том, что для видеонаблюдения среднего помещения достаточно нескольких камер, в то время как микрофонов нужно гораздо больше. Помните, что звук проявляет себя в наших задачах как волна, и чтобы принимать прямые волны от источника и не принимать переотраженные, а также волны от других источников, микрофоны должны быть "узкие" и "слабые". Следовательно, для покрытия всего необходимого пространства их должно быть много, как результат – мы переходим в область многоканальной аудиозаписи, а это концертное и студийное оборудование, которое неминуемо и многократно увеличит бюджет системы охранного видео- и аудионаблюдения. Решением может послужить применение специальных устройств записи.

Звукозапись общественных мероприятий
Данная задача по своей проблематике и способам решения очень близка к предыдущей, но обладает еще большей сложностью. В ней минимизируются или пропадают совсем "профессиональные" каналы звукозаписи. И сотрудники служб безопасности остаются наедине со "стаей птиц" или большим количеством микрофонов.

Звукозапись вне помещений
Как и было сказано ранее, это одна из сложнейших задач аудионаблюдения. И если в аудиоконтроле помещений нам мешают структурные шумы, то при наружном аудионаблюдении мешают природные шумы, а они гораздо сильнее и многообразнее структурных. В таких условиях полномасштабное аудионаблюдение становится невозможным, но точечное, в том числе с больших расстояний, вполне осуществимо. Сегодня для этого используются высокоселективные направленные микрофоны и системы. Для работы подобных микрофонов применяются принципы пространственной селекции звука.

Революция – через эволюцию

При рассмотрении аудионаблюдения свободных пространств я упоминал о пространственно-селективных микрофонных системах. Данная тема довольно интересна и заслуживает отдельного упоминания, так как при определенных обстоятельствах такие микрофонные системы могут эффективно применяться для решения всех типов задач аудио-контроля.

Можно выделить два основных вида пространственной акустической селекции:

  1. векторно-пространственная;
  2. фазовая селекция.

Оба вида основаны на простом базовом принципе, который заключается в том, что мы должны получить микрофонную систему с максимально узкой диаграммой направленности и минимальным количеством внешних помех.

Векторно-пространственная акустическая селекция
В данном случае максимально узкой диаграммы направленности и минимального количества внешних помех пытаются достичь, применяя специализированную геометрию приемных устройств. Яркими представителями устройств подобного рода являются микрофоны, помещенные в фокус параболических антенн, а также высокочувствительные микрофоны, установленные в звукоизолирующие или, наоборот, резонирующие трубы.

Данный тип микрофонных систем обладает довольно заметным недостатком – для изменения направления аудиомониторинга, даже на незначительные углы, необходимо физически перепозиционировать микрофон. Данное свойство приемлемо для оперативной работы, но по ряду причин совершенно неприменимо для стационарной инсталляции. Причины весьма просты – физическое перепозиционирование системы требует применения дополнительных актуаторов, системы управления ими, и, как следствие, мы имеем нестандартное решение с негарантированной надежностью и высокой ценой.

Фазовая акустическая селекция
Более интересный тип систем аудиомониторинга – это системы, основанные на акустических фазированных приемных антенных решетках. Такое страшное название, а принцип действия довольно прост: имея массив из "одинаковых" микрофонов, зная их характеристики и, что самое главное, точную пространственную ориентацию диаграмм направленности, принимая от этого массива суммарный аудиосигнал и правильно его обрабатывая, можно добиться высокого уровня пространственной селективности аудиосигнала без пространственной перестройки структуры микрофонной системы. Фактически это означает, что после всех преобразований можно осуществить следующее: наведя мышку на изображения людей с видеокамеры, можно услышать их разговор, даже если таких людей в помещении много и даже если они говорят все одновременно. Звучит фантастически, но это уже реальность. Подобное устройство способно эффективно осуществлять аудиоконтроль на объектах со сложными акустическими условиями, таких как диспетчерские центры, переговорные залы банков, тюрьмы, дискуссионные группы и другие места с массовым скоплением людей и сложной акустической обстановкой.

Новая эра аудионаблюдения

Аудионаблюдение, как и видеонаблюдение, перешло на качественно новый уровень. Теперь это уже не малоэффективные точечные микрофоны или дорогие системы комплексной звукозаписи. Посмотрим на развитие данного направления. С моей точки зрения, максимально эффективным будет применение пространственно разнесенной фазовой решетки, построенной в конкретно взятом помещении. Понятно, что настройка подобной системы будет подобна написанию диплома по акустике, но прогресс не стоит на месте, и, возможно, в будущем нас ждут подобные решения с интуитивными способами адаптации под помещения с различными акустическими параметрами.

И хотя многим кажется, что с акустическим контролем в системах безопасности все давно ясно и понятно, остается непреложный факт, что для получения качественных аудиоданных необходимо применять качественное и современное оборудование в сочетании с качественным инженерным подходом к инсталляции таких небольших, но в то же время очень важных систем.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2015
Посещений: 4587


  Автор
 

Дмитрий Портнов

Инженер компании Panasonic

Всего статей:  5

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций