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監視カメラの豆知識

監視カメラの用途,歴史
監視カメラは,公共機関,交通機関,ビル,店舗,マンションなどでの安心・安全を高めるために広く使用されている。同軸ケーブルを使用してアナログのNTSC映像信号をベースバンドで送る閉じたシステムであることから,放送用のテレビ網に対してCCTV(Closed Circuit Television)カメラとも呼ばれる。監視カメラは,古くは1960年代に白黒の撮像管を使用した工業用カメラの応用から始まる。工業用カメラであることからITV(Industrial Television)カメラと一部の市場では現在も呼ばれている。
1980年代には光を電気信号に変換するカメラの目に当たるイメージセンサが撮像管からCCD(Charge Coupled Device)1) という固体撮像素子に置き換わることで信頼性や保守が軽減されるとともに,カラー化が進んだ。現在はカラーカメラがほとんどであり,白黒カメラは尐ない。解像度に大きく影響するCCDの画素数も向上し,有効画素数25万画素,38万画素が主流となっており,近年は更に48万画素も登場した。
カメラ内部の信号処理はアナログ回路であったが,1990年頃からはディジタル信号処理を利用したカメラが登場して調整が容易となり,部品のコストダウンも進んだ。また,ディジタル信号処理やメモリを活かした機能も登場した。例えば,ディジタルフィルタやメモリを活用した輪郭補正による解像感の向上,フレームメモリを活用した巡回型ノイズリダクションによる低照度性能の向上,短時間露光と長時間露光の2画面を合成して明るい被写体と暗い被写体を同時に見えるようにするダイナミックレンジ拡大機能などがある。
監視カメラでは暗いところを見たいという要望が強く,CCDの感度向上と巡回型ノイズリダクションにより低照度性能の改善が進んだ。2000年頃には更に低照度性能を向上させるために赤外線カットフィルタ1) を動かす機構により,通常のカラー時は赤外線カットフィルタにより可視光以外の波長を除去して色再現を保ち,低照度時は赤外線カットフィルタを抜いてCCDの近赤外感度を活かした白黒カメラとして動作させるデイナイトカメラが登場した。

(1) 監視カメラの形状
監視カメラは当初,レンズ交換が可能な箱型のみだった。1990年代以降,監視カメラの普及とともに市場や用途が拡大し,威圧感の尐ないドーム型や回転台一体型も登場し,設置環境や用途に合わせて選択できるようになった。


2000年代には,ポリカーボネートのドームやアルミダイキャストの筐体による強固な耐衝撃カメラや,屋外ハウジングやヒータと一体になった屋外ハウジング一体型も登場した。

(2) 監視カメラシステムの基本構成・システム
監視カメラは周辺機器と組み合わせてシステムとして運用される。カメラ16台以下の小規模システムでは監視カメラとレコーダなどの記録装置,16台超の中規模や大規模システムではカメラの集線化や出力映像を制御するマトリクススイッチャとレコーダなどの記録装置から構成される。マトリクススイッチャは,入力の多数の映像信号を複数の出力に選択的に制御するマトリクス機能や,1台の記録装置に複数のカメラの映像信号を効率的に記録するためにフレームごとに映像信号を切り替えるフレームスイッチャ機能をもつ。記録装置は近年,テープ式の簡潔・長時間記録が可能なタイムラプスVTRから,画像圧縮機能を活かしランダムアクセスなどの検索が容易なハードディスクを用いたディジタルビデオレコーダ(DVR)へ移行している。DVRはマトリクススイッチャやフレームスイッチャの機能を包含している。
監視カメラの電源には,100 VやDC 12 V,AC 24 Vを直接供給するものと,設置工事を容易にするために映像を伝送する同軸ケーブルに電源や制御信号をコントローラから重畳する同軸多重システムがある。同軸多重システムはメーカ間の互換性がない。
監視カメラシステムは,複数のカメラを切り替えてモニタなどのディスプレイに表示させるので,カメラ切り替え時の映像の乱れを防止するためにカメラ間で映像信号の同期をとる外部同期機能がある。外部同期には,映像信号に同期するVBS同期や,電源周波数に同期するラインロック(LL)同期などがある。近年は,マトリクススイッチャや,DVR側に非同期の映像信号を機器内部のメモリに記憶させて同期を合わせるフレームシンクロナイザー機能により,外部同期の必要性が低くなっている。

(3) 監視カメラ向け機能・性能
監視カメラとして市場から求められる要件に対応するための特長的な機能や性能がある。
(a) レンズ
監視カメラは通常,設置後は画角が固定となるが,設置時には最適な画角となるようにレンズで調整できることが望まれる。そのため,箱型カメラはレンズを選択できるように交換可能な構造となっている。レンズマウントは,光学サイズが1/2型までは一般的なCマウントであったが,1/3型では光学サイズの小型化に伴い同じ画角を得られる焦点距離が5 mm短いCSマウント2) が主流となった。また,箱型カメラの交換レンズやドーム型カメラでは,画角を調整できるバリフォーカルレンズが多い。バリフォーカルレンズは焦点距離を連続的に変えられるが,結像面も同時に移動するので画角を変えるとフォーカスを合わせ直す必要がある。
(b) ダイナミックレンジ拡大
監視カメラの設置場所では窓際など屋内と屋外を同時に撮影する場合があり,視認性向上のために明るい被写体と暗い被写体が同時に見える広いダイナミックレンジが求められる。2倍速のCCD 3) により短時間露光と長時間露光の2画面をCCDから出力し,カメラ内部の信号処理で明るい被写体は短時間露光信号を用い,暗い被写体は長時間露光信号を用いて2画面を合成4) することでダイナミックレンジ拡大を実現している。


(c) デイナイト
近赤外感度が高いCCDの登場により近赤外光源と組み合わせて暗闇の撮影が可能となった。デイナイトカメラは昼間の明るい状態ではカラー,夜間の暗い状態では白黒になるカメラをいう。カラーの監視カメラは色再現を保つためにCCDの前に赤外カットフィルタを用いて可視光以外の波長を除去している。低照度時にこの赤外カットフィルタを機械的に動かしてCCDの前から抜き,CCDの近赤外感度により近赤外光を受光して低照度撮影を実現するとともに,近赤外光により色再現が正しくなくなるため白黒信号にしている。
(d) オートバックフォーカス
監視カメラの大部分は固定設置であり,レンズの画角やフォーカス調整は手動である。デイナイトカメラでは白黒時に近赤外光の色収差によりフォーカスがずれることへの対策や,設置時のフォーカス調整を容易にするために,レンズ交換が可能な箱型カメラでもCCDを機械的に動かしてフォーカス調整を自動的に行う機能である。
(e) プライバシーマスク
監視カメラの設置場所によっては周辺のプライバシーへの配慮が必要な場合がある。画面内の一定範囲を表示しない,またはモザイクなどで認識できないようにする機能がプライバシーマスクである。回転台一体型ではカメラの画角に合わせて大きさや位置の追従を行う。
(f) 長期信頼性
監視カメラは設置場所によっては24時間365日稼働する必要がある。通常は5~7年程度の寿命が期待されるため,長期連続動作に対する信頼性が求められる。特に撮像素子には長期間の動作のみでなく,光に対して色フィルタが退色しない耐光性が必要であり,染料系よりも顔料系の材料が使用される場合が多い。

ネットワークカメラの用途,歴史
ネットワークカメラには,主に監視カメラなどと同じ安心・安全を高めるセキュリティ用途と,家庭や店舗内などの様子を遠隔から観察することを目的としたモニタリング用途がある。両者の違いは主に性能や機能の差によって分けられているが,基本的な機能や原理は同じである。ネットワークカメラは監視カメラのアナログ伝送方式と異なり,画像圧縮技術とIP(Internet Protocol)を使用してディジタル映像信号をLANやインターネット経由で伝送する。カメラごとに同軸ケーブルを1本引く必要があるアナログ伝送方式に対して,LANにより複数のカメラのディジタル映像信号をケーブル1本で長距離伝送できる。また,アナログ伝送方式のようにテレビジョン方式の制約がないことから,高画素化が可能であることや,インターネット経由でメールに画像を添付して送信したり,携帯電話で画像が閲覧できたりするなどのメリットがある。反面,カメラからのディジタル映像信号を記録・再生するためには画像圧縮方式やIPの各種プロトコルが一致している必要があり,画像圧縮や伸長,LAN内の伝送などにより遅延が発生する。
ネットワークカメラは,画像圧縮技術やネットワーク技術の普及を背景に1990年代後半に登場した。当初は画像サイズがCIF(352×288)の静止画をJPEGでフレームレート1 fps程度伝送する性能であった。その後,半導体プロセスの進化や画像圧縮技術の向上により画素数やフレームレートが向上してきた。画像圧縮技術では,2002年頃には動画圧縮方式のMPEG-4,2008年頃にはMPEG-4AVC / H.264が登場した。画像サイズは現在では,NTSCとほぼ同じVGA(640×480)やD1(720×486)と,より高画素の4:3アスペクト比では1280×960,16:9アスペクト比ではHD(1280×720)やフルHD(1920×1080)が主流となっている。フレームレートも現在では,動画と言える30 fpsを実現している。

(1) ネットワークカメラの基本構成・システム
ネットワークカメラは,パソコンのブラウザ(動画圧縮方式の映像表示などを行うために専用のプラグインソフトウェアのインストールが必要な場合あり),またはカメラ制御・映像表示用の専用ソフトウェアで映像を表示することができる。そのため,カメラ数台の簡単なシステムではスイッチングハブとサーバ側となるパソコン及び必要なソフトウェアでシステムを構成することができる。映像の記録は,カメラ制御・映像表示用の専用ソフトウェアに録画機能がついている場合もあるが,監視用として運用する場合にはパソコンよりも信頼性を高めたハードディスクを用いたネットワークビデオレコーダを使用する場合も多い。
カメラ台数の多いシステムではネットワークの設計が重要となる。複数台のカメラ映像をスイッチングハブで集線化していくため,各カメラの定常的な出力データ量に基づいて各ネットワーク上のデータ量を計算し,スイッチングハブの能力や被写体の変動に伴う出力データ量の変動も考慮するとともに,瞬時的なデータ増への耐性向上のために,一定マージンを確保してネットワークの配線を行う必要がある。マージンが十分でない場合,途中でデータ破棄などが起こる可能性がある。
ネットワークカメラの電源には,監視カメラと同じ100 VやDC 12 V,AC 24 Vを直接供給するものがあるが,近年ではほとんどのカメラがスイッチングハブからネットワークケーブル上に電源を重畳するIEEE 802.3 afで標準化されたPoE(Power over Ethernet)1) に対応している。

(2) ネットワークカメラ向けの機能・性能
ネットワークカメラ特有の主な技術についてまとめる。
(a) 画像圧縮
ディジタル映像信号を伝送するために画像圧縮技術が使用される。専用ソフトがなくてもパソコンに表示できるJPEGは汎用性が高く,現在でも静止画の圧縮として使用されている。動画では,当初はJPEGを連続化したMotion-JPEGが多かったが,データ伝送帯域や記録装置容量を削減するためにより圧縮率が高いMPEG-4やMPEG-4AVC / H.264へ移行している。
(b) ネットワークプロトコル
ネットワークカメラは様々な機能をIP上のプロトコルで実現するためにIETF(Internet Engineering Task Force)のRFC(Request for Comments)を利用しており,各種プロトコルのサーバまたはクライアント機能が搭載されている。例えば,パソコンと同じようにLANへの接続時の自動的にIPアドレスを割り当てるDHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)やホスト名のアドレスを解決するDNS(Domain Name System),ブラウザへ表示情報を送るHTTP(Hypertext Transfer Protocol)などがある。動画映像や制御信号を送受信するためにはRTP(Real-time Transport Protocol),RTSP(Real Time Streaming Protocol)やRTCP(Real-time Transport Control Protocol)などが使用されている。様々なセキュリティが施されているネットワーク環境でもHTTP用にはポートが開放されているから,HTTP上に前述のプロトコルを載せてトンネルの役割をさせるover HTTPという手法を使うこともある。
アラーム情報を伝送するためには,SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)でメールに画像を添付して送信したり,FTP(File Transfer Protocol)で画像をサーバに転送したりする。近年ではXML(Extensible Markup Language)を使ってメタデータを伝送することも増えている。
(c) 画像認識
監視カメラも含めたセキュリティ用途では,より高度な安心・安全を実現するために,膨大なカメラ台数の映像を自動的に解析する画像認識機能の充実が望まれている。近年は画像認識技術の向上により,被写体の中から動き物体の検出・追尾,置き去り・持ち去り物体の検出,出入口での人数カウント,顔検出などが実現されている。画像認識機能は用途や設置場所により求められる機能や性能が異なることや,カメラ側に搭載できる画像処理能力の限界のため,現時点ではカメラ側での搭載は動き検出など一部の機能であり,その他の機能は独立した機器やサーバ側で搭載されることが多い。
(d) 高画素化
ネットワークカメラは,アナログ伝送方式の監視カメラのようにテレビジョン方式の制約がなく,解像度を向上させるために高画素化が可能である。高画素化により撮像素子の1画素当たりの受光面積が小さくなって低照度性能が低下したり,画素を読み出す周波数を高めないと動画性が損なわれたりするため,CMOSイメージセンサの性能向上に合わせて進化している。現在の主流は約120万画素のメガピクセルが中心で,約200万から300万画素も増加している。

(3) ネットワークカメラの改善が望まれる事項
ネットワークカメラはまだ発展途上であり,さらなる普及に向けて改善が望まれる事項をまとめる。
(a) 伝送遅延
ネットワークカメラでは,撮像から表示まで画像圧縮,伝送,画像伸長などにより遅延が数100 ms発生する。特に回転台一体型のネットワークカメラを手動操作する場合には,この遅延が操作性を大幅に低下させる。そのため,操作性が重要な一部の用途での使用は限定的となっている。
(b) 画像認識性能
現状の画像認識機能は設置環境ごとに設定の調整が必要であり,また検出漏れや誤検出を防ぐことができないため,現時点ではこれらを許容できる用途に限定される場合が多い。
(c) 高画素化による小絞り回折現象
撮像素子の高画素化により1画素当たりの受光面積が小さくなり,レンズの絞りによる回折現象が顕著に現れる。小絞り回折現象によりMTF(Modulation Transfer Function)が低下しコントラストが低い浮いた映像となる。小絞り回折現象を回避するためには絞りを一定以上絞らないようにシャッタ速度などで光量を制御する必要がある。

(4) インタフェース標準化
アナログ伝送方式の監視カメラではNTSCというテレビジョン方式に準拠することによりメーカ間で事実上の相互接続性が確保されていた。しかしながらネットワークカメラでは,同じ画像圧縮方式や同じようなプロトコルをベースにしながらもメーカごとにコマンドが違うなど,詳細仕様が異なっているために相互接続できない。これを解決するために国際的な標準化が行われている。
標準化フォーラムとしてONVIF(Open Network Video Interface Forum)とPSIA(Physical Security Interoperability Alliance)という二つの団体がある。ONVIFは日欧のメーカ3社(Axis Communications,Bosch Security Systems,ソニー)が中心に,PSIAは米国のメーカが中心に,ともに2008年に設立された。現時点では参加メーカや対応機器数ではONVIFが優勢である。
国際規格では,2010年にIEC/TC79 Alarm and electronic security systemsで新規提案が承認され規格化が開始された。

 

車載カメラ

車載カメラの代表的なものは,後方の死角(バンパー直下~数m以遠)をカメラで撮影し運転者がモニタ(NAVI画面など)で後方の安全を確認補助できるものである(後方死角確認用カメラ,以下リアビューカメラ)。従来は,バスなどの大型車両に搭載されていたが,乗用車系にも1996年から搭載され始めた。現在は後方の死角確認用途ばかりではなく,車両側方,前方など死角確認用途にもカメラが採用されている。また,車両前方の白線,障害物などの認識や車室内の状況,運転者の状態認識など車の安全性を高める用途で,カメラ(以下センシングカメラ)をセンサとして使用するシステムが広がっている。

(1) リアビューカメラについて
乗用車系に車載カメラが搭載された当初は,バスなどに搭載されていたリアビューカメラと同じように防水構造,レンズ表面のキズ付防止のためレンズの前に平面ガラスを置いた構造であった。この構造の欠点は画角の上限がこの平面ガラスの大きさで決定されてしまう。実際この構造を用いたカメラの水平画角は,全体の大きさの制約から約110°が限界であった。より広角(水平画角約130°以上)にするため,レンズの第一面を構造上直に外に出す構造にすることにより,体格の小型化とレンズの広角化の両立が図られた。

(a) 車載カメラ映像の表示機
車載の場合,ほとんど10インチ以下の液晶モニタである。車両の液晶モニタは,車載カメラの映像ばかりではなく,ナビゲーションのCG表示などグラフィック映像の表示と兼用のものが多い。したがって,カメラ映像をこのモニタの特性に合わせて,像信号特性(g ,信号レベル,アパーチャなど)について最適化する。または,モニタ特性をグラフィック映像とカメラ映像(NTSCなど)で切り替える必要がある。
(b) 車両の軌跡予想線の重畳
リアビューカメラの映像に車両の軌跡予想線を重畳して運転者に車両の行動の予測を容易にさせる。最近では,カメラ本体にこの軌跡予想線を発生,重畳する機能が搭載されている。軌跡予想線の精度は,車両とカメラ搭載の傾き,すなわち光軸の傾きに依存する。カメラの光軸の調整は取り付けの傾きと合わせて±2°以上の精度が必要である。


(c) 超広角リアビューカメラ
車両の周囲の死角をより尐なくするため,水平画角を180°以上(魚眼レンズ)採用したリアビューカメラも登場している。このリアビューの特長は後側方の真横が視認可能になる。しかし,180°の画像のままだと歪が大きく視認性に欠ける。


(d) レンズの仕様と撮像範囲の関係
リアビューカメラの光軸(中心軸)と画角(水平,垂直,対角)により撮像範囲が決まる。
・車両後側方の視野角(後側方何mまで撮像するか)
・車両後方の視野角(後方何mまで撮像するか)
・車両周辺及び車両自体の写り込み(歪率と関連)
により,これらの仕様を決定する。

(2) 車載カメラの今後の展開
周辺監視カメラは,現在,リアビューカメラが数量的に最も多いが,今後,センシングカ
メラ,側方の死角補助用カメラ,更にはドアミラーの置き換えで,カメラの採用が増加する
と考える。センシングカメラ用途では,車両検出,白線検知,標識認識,物体検出,歩行者
検出がある。ドアミラーの置き換え用途では,現状のリアビューの性能をよりレベルアップ
する必要がある。特に,夜間の認識性能の向上(感度向上),1 画面内の明暗を識別する性能
(ダイナミックレンジの拡大)が特に求められるものである。
下図にダイナミックレンジ拡大処理有無の撮像例を示す。今後,撮像素子の性能向上
とカメラ信号処理技術の向上で,ドアミラーに置き換わるカメラが開発,商品化されていく
ものと考える。