Основным требованием к современным системам безопасности является
эффективная работа в любое время суток.
Без специальной подсветки темные ночные сцены останутся темными даже для
самых совершенных камер видеонаблюдения, полученные изображения будут
иметь дефекты, вызванные тенью, шумом и потерей фокуса.
ИК-подстветка в видеонаблюдении
Известно несколько способов дополнительного освещения объектов при
построении систем видеонаблюдения: используются камеры с высокой
чувствительностью, в том числе камеры типа «день-ночь», инфракрасные
подсветки, тепловизионная техника. Все эти способы, кроме преимуществ,
имеют и недостатки.
Например, нередко достижение высокой чувствительности приводит к
ухудшению других параметров видеокамер. В некоторых камерах реализован
алгоритм, при котором при низкой освещенности считывается объединенный
сигнал с 8 пикселей. Это приводит, по мнению разработчиков, к увеличению
чувствительности еще в 10 раз. При этом разработчики признают снижение
разрешающей способности в 8 раз. С целью увеличения чувствительности
часто применяется так называемый режим накопления заряда, т. е. в
сумерках камера работает при длительно открытой диафрагме или при
длительно открытом электронном затворе. Диапазон электронного затвора
указывается в секундах и составляет в настоящее время от 1/50 до 1/100
000 секунды. Это действительно позволяет увеличить чувствительность,
однако быстродействие камеры существенно ухудшается.
Тепловизионная аппаратура очень дорогая и дает весьма своеобразное
изображение, соответствующее распределению тепловых полей.
Современные инфракрасные подсветки, применяемые для систем
видеонаблюдения, являются некоторым промежуточным звеном между
тепловизионной техникой и камерами с высокой чувствительностью и
представляют очень интересные устройства.
Инфракрасное излучение, применяемое для систем видеонаблюдения,
относится к так называемой ближней области инфракрасного спектра.
Видимое излучение, часто называемое светом, – это электромагнитное
излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Это излучение
характеризуется длинами волн в диапазоне от 380 нм с энергией 3,1 эВ до
760 нм с энергией 1,6 эВ. То есть чем больше длина волны излучения, тем
меньше его энергия.
Максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в
«зелёной» области 555 нм, на который приходится максимум
чувствительности глаза (рис. 1). Инфракрасное (не видимое человеческому
глазу) или тепловое излучение делится на коротковолновое с длиной волны ?
= 0,76–2,5 мкм (ближняя область ИК-спектра), средневолновое ? = 2,5–50
мкм и длинноволновое ? = 50–2000 мкм (дальняя область ИК-спектра).
Как всем хорошо понятно, организация ИК-подсветки состоит в грамотном
подборе источников инфракрасного излучения и способных регистрировать
это излучение приемников, при том чтобы система видеонаблюдения
выполняла свои функции и при нормальном освещении.
Для работы с ИК-подсветкой необходимо использовать черно-белые камеры. В случае применения камер типа «день-ночь», необходимо выбирать камеры с механическим ИК-фильтром. В обычных цветных камерах, предназначенных для работы днем при высокихе, установлены ИК-фильтры, защищающие чувствительный элемент от засветок. Результаты применения дневного сенсора для работы с ИК-подсветкой приведены на рис. 1. Фото сделано камерой Mobotix, имеющей два чувствительных элемента, в абсолютно темном коридоре только с ИК-подстветкой. Слева – ночной сенсор, справа – дневной.
Объективы для систем с ИК-подсветкой
Фокусные расстояния для ИК-излучения и видимого света несколько различаются, так как длина волны ИК-излучения больше, чем длина волны видимого излучения. Поэтому ИК-излучение имеет меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного обычно размещается позади плоскости матрицы. Если днем изображение резкое, то в ночное время при использовании ИК-подсветки объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. То есть некоторые части изображений, полученные в инфракрасном и видимом свете, могут оказаться расфокусированными. При прочих равных условиях этот эффект более заметен при использовании дешевой пластиковой оптики. Чтобы минимизировать этот эффект, применяются специальные объективы с ИК-коррекцией в черно-белых камерах и камерах «день-ночь», особенно в случае использования ИК-подсветки. Это дорогостоящие объективы.
Более практичное решение: настроить задний фокус объектива
видеокамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости
будет минимальна, а все объекты в фокусе. Днем глубина резкости
увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между
фокусом при инфракрасном и нормальном свете. В случае использования
черно-белой телекамеры с некоторым запасом по чувствительности возможно
фильтром выделить только ИК-излучение и по нему осуществить фокусировку.
Для компенсации этих искажений можно использовать ручное или
автоматическое изменение фокусировки объектива для различных режимов.
Инфракрасные излучатели для подсветки
В качестве инфракрасных излучателей применяются или галогенные осветители, или светодиоды и лазеры. Следует отметить, что при высокой мощности галогенного осветителя 300-500 Вт его срок службы невелик: 1000–2000 часов. ИК-светодиоды и лазерные ИК-диоды имеют существенно больший срок службы. Вообще ресурс службы твердотельных излучающих диодов существенно меньше, чем у всей остальной элементной базы, – это одна из немногих нерешенных проблем современной полупроводниковой электроники. И этот момент, конечно же, надо учитывать при выборе камеры.
Для ИК-подсветок часто применяются полупроводниковые светодиоды,
имеющие максимум спектральной характеристики на длине волны 0,7 мкм и
максимум на длине волны 0, 9 мкм. На рисунке 4 представлены
относительные спектры излучения некоторых типичных светодиодов при
комнатной температуре. Полупроводники, используемые для создания
светодиодов определенного диапазона, имеют ширину запрещенной зоны
больше этого значения. В настоящее время наиболее распространены
светодиоды на основе арсенида галлия (GaAs), так как GaAs является
наиболее технологически освоенным полупроводником.
В профессиональном лексиконе инсталляторов подсветка с максимумом на
длине волны 0,7 мкм называется «видимой», а именно красной. Это не
потому, что человеческий глаз вдруг увидел инфракрасное излучение, а
потому что создать излучатель с монохроматическим спектром излучения
невозможно. Спектральная характеристика любых излучателей включает в
себя несколько длин волн. Излучение с длиной волны 0,7 мкм фиксируется
человеческим глазом как красное, а рабочим инфракрасным излучением
является область спектральной характеристики с длиной волны более 0,76
мкм.
Следовательно, если инсталлятору важна скрытость, незаметность
ИК-подсветок, то надо выбирать невидимые подсветки, имеющие максимум на
длине волны 0,9 мкм. Если это не столь важно, то можно применить
ИК-подсветки, имеющие максимум спектральной характеристики на длине
волны 0,7 мкм. Как и в любой технической проблеме, здесь существует
вторая сторона вопроса. Согласно 1-й части всем хорошо известного
соотношения (1), чем больше длина волны излучения, тем меньше его
энергия. А значит, излучение с большей длиной волны при тех же равных
условиях будет действовать на меньшее расстояние, охватывать меньший
угол, чем излучение с меньшей длиной волны.
Таким образом, инфракрасная подсветка с меньшей длиной волны
предпочтительнее с точки зрения эффективности подсветки. В то же время
светодиоды (излучатели) с длиной волны менее 0,9 мкм заметны
невооруженным глазом. Все это означает, что при применении ИК-подсветки
на небольших расстояниях (до 10–15 м) с целью скрыть подсветку
ИК-прожекторы с длиной волны излучения 0,7 мкм не всегда подходят, и
приходится идти на компромисс между эффективностью (0,7 мкм) и
скрытностью (0,9 мкм). При использовании инфракрасных прожекторов на
больших расстояниях и при малых углах излучения важнее эффективность,
так как визуально найти такие прожекторы затруднительно. Черно-белые
видеокамеры, совместимые с ИК-подсветкой, видят в ИК-спектре, но
несколько хуже, чем в видимом спектре, и с ростом длины волны их
чувствительность уменьшается. Таким образом, инфракрасная подсветка с
меньшей длиной волны предпочтительнее (с точки зрения эффективности
подсветки).
В то же время светодиоды (излучатели) с длиной волны 0,7 мкм заметны
невооруженным глазом.
При одинаковом ценовом уровне подсветка, действующая на большее
расстояние, захватывает меньший угол. Подсветка с меньшей длиной волны
имеет больший радиус действия или захватывает больший угол, чем
подсветка с большей длиной волны для аппаратуры одинакового ценового
диапазона. Это объясняется особенностями конструкции светодиодов. На
рис. 2 приведена конструкция трех светодиодов ( а – полусфера, б –
усеченная сфера, в – параболоид). На рис. 3 приведена диаграмма
направленности излучения светодиодов (а – плоской геометрии, б –
полусферической геометрии, в – параболической геометрии). Очевидно, что
требуемая диаграмма направленности может быть получена за счет изменения
геометрии прибора. Изучая формы диаграммы направленности, можно легко
понять, почему ИК-подсветки обеспечивают или высокую дальность , или
большой угол освещенности. Диаграмма направленности светодиодов
различной конструкции имеет или вытянутую узкую форму, или плоскую
широкую.
Результат взаимодействия ИК-подсветки и камеры видеонаблюдения
После анализа основных принципов функционирования фоточувствительных
матриц камер видеонаблюдения и излучающих элементов следует обсудить
построение системы видеонаблюдения с применением ИК-подсветки.
Один из основных вопросов при построении такой системы видеонаблюдения –
эффективность, с которой фоточувствительная матрица, предназначенная
для регистрации излучения видимого спектра, будет регистрировать
ИК-излучение ближнего диапазона. На рис. 8 приведена оценка яркостного
эквивалента ИК-излучения, фиксируемого человеческим глазом. Максимум
кривой, соответствующей суперпозиции спектра излучения ИК-светодиода с
кривой видимости человеческого глаза, смещается к значению 0,65 мкм и
соответствует яркостному эквиваленту 15 лм/Вт. Максимальное значение
яркости светодиода – 680 лм/Вт. Однако, как подробно обсуждалось выше,
фоточувствительная матрица видимого диапазона имеет инфракрасный
«хвост». Это меняет ситуацию. Расчеты показывают, что при освещении
инфракрасной подсветкой сигнал на выходе видеокамеры будет практически
эквивалентен сигналу этой же видеокамеры при естественной освещенности в
дневное время.
Особенности изображения, полученного с помощью ИК-подсветки
Изображение, полученное с помощью ИК-подсветки, несколько отличается
от обычного видеоизображения.
Растения отражают ИК-свет, так что изображение деревьев, лужаек и другой
растительности в поле зрения ПЗС-видеокамеры с ИК-чувствительностью
имеет высокую яркость, что может привести к ошибке наблюдателя,
принимающего ночные изображения за дневные. Кроме того, отраженный
ИК-свет может поднимать уровень яркости заднего плана до уровня, где
действительно ярко, что будет значительно влиять на восприятие
изображения.
Человеческая кожа отражает существенное количество ИК-излучения, но
кровеносные сосуды, волосяной покров, а также ткани и части тела с
высокой цветовой плотностью, типа шрамов, поглощают ИК-излучение. Черты
лица при ИК-подсветке часто кажутся искаженными.
Различные косметические изделия и крашеные волосы отражают ИК-свет
по-разному, что может путать и нарушать идентификацию при использовании
ИК-изображений. Очки создают сильнейшее искажение.
Различия в отражающей способности ИК-излучения одеждой, вызванной
различными тканями, их изготовлением и окраской, могут создать серьезные
искажения в полученных изображениях, препятствуя идентификации объектов
и изображений.
Пыль, дождь, туман, летающие насекомые, стеклянные окна в высоких
зданиях, кафель или краска, заснеженная земля, пустынная поверхность,
поверхности озер или рек могут создавать ослепляющую яркость перед
видеокамерой, существенно блокируя или мешая наблюдению объектов.
Таким образом, несколько иное изображение, получаемое с помощью
ИК-подсветки, обусловлено как спецификой отражения этого излучения, так и
расфокусировкой.
Из стандартных конструктивных решений камер со встроенной подсветкой
можно привести пример видеокамеры типа «день-ночь» MTC-EX4-II
производства фирмы GANZ Computar (Япония) – рис. 10. Неотражающие
светодиоды в количестве 24 штук, расположенные вокруг объектива,
работают в ИК-диапазоне с длиной волны 850 нм, не видимом человеческому
глазу. Камера мгновенно переключается в черно-белый режим при снижении
уровня освещенности менее 1,5 лк. Повышение чувствительности,
происходящее при этом, дает результаты на дистанции до 15 м. Степень
защиты IP68.
Аналогичное решение – камера Ai-IR57 компании Acumen (Тайвань). Камера
имеет ПЗС- матрицу 1/3” Sony Super HAD CCD, разрешение – 480 ТВЛ, эффект
подсветки – 30–40 м в помещении, 20–30 м на улице, степень защиты IP67,
15 ИК-диодов.
Интересно решение компании iVISION (Россия). Эти камеры предназначены
для круглосуточного видеонаблюдения во всех климатических поясах. Камера
имеет герметичный кожух с классом защиты IP66, управляемый
ИК-прожектор. ИК – подсветка размещена в одном из «глаз» корпуса камеры,
чувствительный элемент – в другом. Кроме того, возможно управление
подогревом и вентилятором.
В ИК-камере VN70 IIH (Vision Hi-Tech, Ю. Корея) использована передовая
технология шумоподавления 3D Аdaptive Noise Reduction Filter, которая
вместе со встроенной ИК-подсветкой позволяет получить четкое изображение
при съемке в условиях низкой освещенности. При использовании функции
Sens-up (x2-x128) камера обеспечивает качественную картинку даже в том
случае, когда освещенность не превышает 0,00001 лк, или в абсолютной
темноте.
Камеры со встроенной ИК-подсветкой присутствуют в линейке многих
производителей, среди них Smartec, CNB, Bosch, KT&C, Samsung
Techwin, Infinity, Axis, МВК (Россия).
Рынок предлагает очень широкий выбор вынесенных ИК-прожекторов как
российского производства, так и импортных. Из отечественных можно
отметить устройства компаний «Микролайт», «Тирекс», «Микрэл»,
«Полисервис», Activision. Не менее широкий ассортимент устройств
инфракрасной подсветки предлагают зарубежные компании, такие как
American Dynamics, CBC, Pelco, Videotec, TEKNO. Представлены десятки
моделей с различными характеристиками. Например, длина волны излучения
составляет от 880 до 950 нм, дальность освещения – от 1,5 до 150 м, угол
освещения – от 20 до 160°. Есть устройства, в которых предусмотрена
возможность установки камеры внутрь. Некоторые модели оснащены
встроенными стабилизаторами, фотодатчиками, защитными сетками.
Напряжение питания большинства моделей – 12 В. Но также предлагаются и
прожекторы, питающиеся током 220 В.
Остановимся теперь на способах установки вынесенных ИК-подсветок.
Совершенно не обязательно устанавливать ИК-подсветку непосредственно под
камерой. Подсветку можно установить и на перпендикулярной стене. При
этом важно, чтобы соблюдались некоторые условия.
Организация подсветки – задача непростая. Искусство освещения очень
высоко ценится на съемочных площадках киностудий, телевизионных студий,
театральных сценах. Секрет состоит в том, что подсветка объекта в рамках
кадра должна быть равномерной, в противном случае будут плохо
проработаны малоконтрастные детали изображения объекта. Особенно опасно
это в ночных условиях, когда в поле зрения видеокамеры могут попасть
неосвещенные участки объекта – это обстоятельство может привести к тому,
что значительная часть динамического диапазона по контрасту будет
съедена неинформативным перепадом между освещенным и неосвещенным
участками изображения на мониторе. При этом малоконтрастные детали на
упомянутых участках будут практически не различимы.
Если в поле зрения видеокамеры попадают неосвещенные участки объекта,
это приводит к потере изображения.
Угол подсветки того или иного устройства должен соответствовать углу
обзора видеокамеры, причем при выборе подсветки лучше выбирать угол
подсвета немного меньше угла обзора видеокамеры. Эта рекомендация
основана на том, что обычно на мониторе часть изображения выходит за
пределы видимой части экрана, кроме того, периферия изображения обычно
не очень важна. Следует учитывать что, устройство ИК-подсветки при
одинаковой мощности излучения, но с более узким углом светит дальше. При
этом важно не переборщить, как в некоторых видеодомофонах, когда
освещается только нос.
Наиболее целесообразны ИК-прожекторы небольшой мощности, которые имеют
углы подсвета 40 и 70 градусов (как правило, редко используются
видеокамеры на небольшие расстояния с углом менее 40 градусов).
Инсталлятору произвести выбор определенной подсветки для данной
видеокамеры с определенной чувствительностью, как правило, не просто.
Дело в том, что в паспортных данных видеокамеры приводятся
характеристики по чувствительности на основе параметров видимого
излучения – света, т. е. в люксах, получаемых при освещении
энергетическим потоком в люменах. На ИК-излучатели же в паспортных
данных приводится спектральная характеристика излучаемой мощности в
ваттах на микрометр, и использовать ее при расчетах иногда
проблематично.
Таким образом, применение инфракрасной подсветки с камерами
видеонаблюдения – это компромиссный между тепловизорами и камерами с
высокочувствительным сенсором способ визуализации наблюдаемой картины
при слабой освещенности.
Все чаще в больших распределенных системах стали использоваться сетевые IP-видеокамеры, которые обладают меньшей светочувствительностью в сравнении с аналоговыми камерами. Для IP-систем освещение приобретает большее значение, поскольку сильнее снижается производительность. В аналоговой системе освещение влияет только на качество изображения. В системе IP видеонаблюдения низкое освещение оказывает влияние не только на качество видео, но может стать катализатором системных проблем. Шум видеосигнала увеличивает поток данных от видеокамеры, что приводит к большим размерам файлов, которые к тому же содержат меньше полезной информации. При хорошем освещении скорость передачи сигнала с IP камеры будет всего 10 Кб/с. Когда наступают сумерки, скорость может возрасти уже до 100 Кб/с – 10-кратное увеличение - в результате чего снижается эффективность и потенциал системы падает.
Также многие производители профессионального видеонаблюдения оснащают свои продукты функциями интеллектуального видеоанализа, для реализации которых как минимум необходимо качественное освещение. Во многом это послужило причиной, которая вернула интерес к профессиональным прожекторам, так как качество освещения определяет, насколько полноценно будет реализована система круглосуточного видеонаблюдения по формуле 24 часа / 7 дней в неделю. Устраивая систему безопасности на объектах, к которым предъявляются повышенные требования, таких как логистические центры, железнодорожные станции, контейнерные терминалы, таможенные склады, пограничные пункты пропуска или даже системы контроля трафика на автострадах, не следует оставлять без внимания освещение.
Несмотря на кажущуюся простоту инсталляции этого оборудования, существует ряд своих особенностей, которые следует учитывать при проектировании, так как они напрямую влияют на качество конечной картинки.
Дистанция и мощность прожектора являются определяющими критериями, но заявляемой производителем дальности действия прожектора недостаточно для определения его пригодности к выполнению поставленных охранных задач. В полевых условиях оказывается, что дистанция, которую покрывает прожектор, делится на функциональные зоны, которые нужно учитывать при проектировании:
Зона обнаружения - соответствует максимальной дальности работы прожектора. И по сути, является расстоянием, на котором вы способны заметить какое–либо движение на контролируемом участке, но не способны определить объект.
Зона распознавания - расстояние, на котором вы можете опознать объект как человека, корабль или машину и т.д., но не можете дать его персональную характеристику -50%…-70% от максимальной дальности работы прожектора.
Зона идентификации - попадая в эту зону, объект может быть идентифицирован на расстоянии до 50% от максимальной дальности работы прожектора.
Исходя из этих особенностей, необходимо понять, насколько освещение плотное и равномерное, так как именно плотность светового потока обеспечивает приближение зоны распознавания и идентификации к заявленной производителем дальности работы прожектора, а значит, позволяет камере в полной мере реализовать возможности встроенного в нее интеллектуального видеонализа на максимальном расстоянии. Таким образом, выбирая из нескольких прожекторов с заявленной дальностью действия 200 метров (и с зоной распознавания 100 метров) и 150 метров (с зоной распознавания 130 метров), мы остановимся на последней по уже понятным для нас причинам.
В общем, при выборе прожектора обращать внимание стоит на тех
производителей, изделия которых обеспечивают:
• максимальную плотность освещения (это значит, что на всей заявленной
дистанции не будет засвеченных зон, или зон с недостаточной
освещенностью);
• энергоэффективную работу при низком напряжении для снижения расходов
электроэнергии, что немаловажно в нынешней экономической ситуации. Если
раньше инфракрасные (далее ИК) прожекторы потребляли значительно меньше
электроэнергии, по сравнению с прожекторами видимого света, то теперь с
освоением светодиодной технологии их энергопотребление одинаково низко.
Более того, применение светодиодных технологий в разы увеличило
надежность и срок эксплуатации прожекторов;
• оптическую производительность и тепловой баланс, который исключит
конденсацию влаги на функционально важных элементах прожектора;
• долговечность, надежность и низкие расходы на обслуживание (технологии
светодиодов обеспечивают низкую стоимость и простоту обслуживания);<
• простоту инсталляции и интеграции прожектора в Вашу систему
безопасности.
В полной мере свои функциональные качества и возможности система освещения реализует на «режимных объектах». В зависимости от принципа работы она позволяет разделить периметр на видимые и скрытые зоны наблюдения. Например, зону пропуска автомобилей на территорию логистического центра целесообразней освещать, используя прожекторы видимого света. Это в очередной раз обозначит для посторонних, что на данной территории ведется круглосуточный контроль, и одновременно подобное освещение будет нести информативную и остерегающую функции. Кроме того, освещение видимым светом обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с ИК, а именно его способность давать информацию о цвете. В результате, чтобы иметь четкую цветопередачу, останавливайте свой выбор на прожекторах, освещающих видимым светом. Откровенно говоря, когда речь заходит о распознавании для охранного видеонаблюдения, видимое освещение дает такой уровень информации, который не может обеспечить ИК-освещение. Поэтому и устанавливается там, где необходимо обеспечить максимальную информативность конечной картинки. В тех же зонах, где использование яркого освещения запрещено, либо из-за близости жилых зданий, либо из соображений безопасности, обычно используются ИК-прожекторы, которые позволяют вести наблюдение, незаметное для сторонних взглядов в условиях абсолютной темноты.
В ИК-прожекторах и видеокамерах с ИК-подстветкой некоторых компаний в настоящее время используется технология Black Diamond, которая уже присутствует несколько лет на рынке, при которой достигается более широкая форма луча, увеличивается дальность и равномерность подсветки, обеспечивается равномерное плотное освещение всей возможной зоны покрытия, устраняются как “пересветы” на переднем плане, так и недоэкспонированные области на заднем, исключаются проблемы снижения производительности систем IP-видеонаблюдения в ночное время суток.
Использованные материалы: Журнал ТЗ № 1-2010
