Видеонаблюдение в ночных условиях

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92469

В полной темноте видеокамера «видеть» не может, так как она регистрирует только отраженное излучение от предмета. А значит необходимо организовать освещение объекта в ночное время. Источник света излучающий в видимой области демаскирует защищаемый объект, и может банально мешать, например, когда свет будет попадать в окна дома. Какой же был выход из данной ситуации?

Для начала обратимся к теоретической части вопроса. Человеческий глаз видит излучение с длиной волны λ = 380-780нм (соответственно цвет такого излучения изменяется в диапазоне от фиолетового до красного), а вот ТВ камера способна «видеть» в диапазоне до 1000нм и более, хотя максимум чувствительности ТВ камеры приходится в видимом спектре, в области от 500 до 600 нм. Инфракрасное излучение занимает диапазон λ = 740 нм — 1 мм. Таким образом, рациональнее использовать инфракрасные прожекторы, работающие на длины до 800нм — максимально близких к максимуму чувствительности ТВ камеры, но находящихся за границей видимого спектра.

Однако, фактически производимые в мире светодиоды, с длиной волны до 900-930 нм, по некоторым физическим причинам имеют незначительные «хвосты» в видимую область. Таким образом, определенный процент излучения светодиода с длиной волны 800, 870 нм (невидимый спектр) находятся в видимой области.

Из этого следует, что полностью скрытым (невидимым), является лишь излучение светодиодов, с длиной волны 940-950нм. Наименее скрытым является излучение светодиодов 800нм, но в то же время, позволяет добиваться максимальных дальностей освещения. Например, инфракрасный прожектор ПИК 7 позволяет вести наблюдение на расстоянии до двухсот метров с чувствительной камерой. Свечение таких светодиодов можно сравнить с огнем тлеющей сигареты. Таким образом, использование таких прожекторов наиболее практично, когда необходимо вести наблюдение на максимальных расстояниях и нет требований по полностью скрытому освещению.

Инфракрасные прожекторы с длиной волны 870 нм тоже не являются полностью скрытыми, но излучение таких прожекторов в видимой области значительно слабее и заметить их с расстояния нескольких десятков метров глаз может только после адаптации к темноте. В большинстве случаев эти прожектора являются разумным компромиссом, между дальностью и скрытностью.

Прожектора на базе светодиодов с длиной волны 940 нм (ПИК 23К, ПИК 51К, ПИК 51 и т. д.) являются полностью скрытыми, глаз не воспринимает их излучение, однако при этом менее чувствительной является и телевизионная камера. По сравнению с осветителями мощностью 870нм, дальность осветителей 950нм на 30-50 процентов меньше и для получения такого же освещения, нужно использовать более мощные осветители, что в свою очередь приводит к увеличению цены. Таким образом, использование осветителей с длиной волны 940 нм оправдано, когда необходимо полностью скрытое наблюдение, а дальность наблюдения не большая.

Нас интересует коротковолновая область λ = 0,74—2,5 мкм, или так называемый «ближний ИК-диапазон». Используется он в видеонаблюдении не случайно, дело в том, что именно в этот диапазон попадает максимальная спектральная характеристика кремния 850 нм, который используется для изготовления матриц видеокамер. Однако стоит отметить, что создать полностью монохроматический излучатель очень сложно, поэтому ИК-подсветка, представленная на рынке имеет некоторый диапазон излучений. Например λ =750-870 нм, но при 850 нм будет максимум интенсивности. Именно этим объясняется, что глаз «видит» инфракрасное излучение и ИК-светодиоды светятся вишнёвым цветом: 750-760 нм определяются глазом как красный цвет, а «рабочее» излучение 760-870 нм глаз уже не видит.

Разобравшись с диапазоном излучения, перейдём к цветности изображения в ночное время. Как уже было упомянуто, в полной темноте видеокамера не покажет ничего, она является прибором регистрации отраженного излучения. Это означает что для получения цветного изображения объект должен освещаться всеми цветами спектра, видимого для человеческого глаза, от фиолетового до красного, но тогда эта подсветка уже не будет скрытой.

В связи с требованием скрытности подсветки возникает ещё один нюанс: излучение с большей длиной волны действует на меньшем расстоянии при одинаковых условиях. Поэтому приходится идти на компромиссы. Если заказчику важна именно скрытность подсветки, то можно выбрать излучатель с длиной волны 950нм, если же главным требованием является эффективность на больших расстояниях, то выбирают излучатели с длиной волны 870нм. Этот выбор зависит от объекта. Но, поскольку 870нм прожектор с малым углом излучения визуально обнаружить на большом расстоянии (около 50 м) не так уж просто, такие прожекторы пользуются наибольшим спросом.

Очень важный параметр прожектора — угол излучения. Он должен быть примерно равен углу обзора видеокамеры. Так как при одинаковой мощности, излучатели с более узким углом светят дальше. Например, для небольших расстояний не часто применяются видеокамеры с углом обзора меньше 40 градусов, поэтому целесообразно выбрать прожектор с небольшой мощностью и углом излучения 40 градусов или больше. Но тут главное не перестараться, иначе в замкнутых пространствах можно получить большое число отражений от стен, потолка и пола, которые уменьшат чувствительность. Эта рекомендация справедлива для установки прожектора в том же месте где находится видеокамера, однако в этом нет строгой необходимости. Организация освещения — это искусство, главное в котором, обеспечить равномерность подсветки в рамках кадра. Иначе детали изображения с малым контрастом могут оказаться неразличимы из-за перепадов между освещёнными и неосвещёнными фрагментами. Если в поле зрения камеры окажутся неосвещённые участки, это приведёт к потере части информации в изображении. Пытаясь добиться равномерного освещения, обязательно надо следить чтобы прожектор одной камеры не «ослеплял» другую камеру. Так, например, для излучателя с углом 40 градусов на расстоянии 15 метров размер пятна будет составлять около 10 метров, это необходимо учитывать при размещении оборудования.

Изображение с ИК-подсветкой повторяет общий характер изображения при освещении видимым для человеческого глаза спектром, так как в прожекторах используется инфракрасное излучение ближнего диапазона, а отражательные характеристики материалов в этих диапазонах достаточно близки. Но всё-таки оно несколько отличается снижением чёткости (из-за сопоставимых размеров пикселя матрицы и фокального пятна) и контрастности по сравнению с изображением при нормальных условиях освещения. Очень сильно могут помешать наблюдению за объектом дождь, туман, пыль, снег, насекомые, поверхности водоёмов, стеклянные окна, эти факторы сильно мешают и при обычном видеонаблюдении, а в случае с направленными ИК-прожекторами могут даже «ослепить» камеру.

Говоря о ночном видеонаблюдении нельзя не упомянуть о камерах со встроенными ИК-излучателями. В настоящее время на рынке есть огромное число разнообразных моделей подобных камер от миниатюрных с парой светодиодов, до мощных прожекторов в одном корпусе. Рассмотрим их более подробно. Миниатюрная камера со встроенными светодиодами:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92465

Рис.1.

Укомплектована стандартным объективом с фокусным расстоянием 3,6мм и оборудована несколькими светодиодами. Эффективность подобной конструкции возможна лишь на очень небольшом расстоянии(1-1,5метра).

Камеры в гермокожухах без подогрева:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92466

Рис.2.

Видеокамера и ИК-светодиоды расположены в одном гермокожухе за общим стеклом. Подогрев таких камер зимой осуществляется от нагрева самой камеры и светодиодов. Заявленная минимальная температура обычно составляет -10-5 градусов, известны случаи когда такие камеры работали и при -20, но это скорее исключение. Летом, за счет нагрева светодиодов температура внутри кожуха естественно будет больше, чем если бы там стояла одна видеокамера. Применительно же именно к ночному наблюдению такое конструктивное решение имеет один главный недостаток: часть ИК-излучения от излучателей, установленных перед защитным стеклом, попадает в объектив камеры отражаясь от иллюминатора. Для того, чтобы минимизировать блики объектив пытаются придвинуть максимально плотно к стеклу, это позволяет получить приемлемое качество изображения для камер с нормально чувствительностью, но для видеокамер на матрицах с высокой чувствительность реализовать потенциал полностью не удаётся. Выходят из этого положения с помощью отверстия для объектива в иллюминаторе, но тогда появляется вопрос герметизации кожуха.

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92467

Рис.3.

Купольные видеокамеры со встроенной ИК-подсветкой:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b92468

Рис.4.

В случае купольных камер невозможно обеспечить плотный контакт пластика сферической формы с объективом для уменьшения засветки от излучателей. Неоднородности материала, переотражения и рассеяния в толстом слое пластика, относительно невысокая его прозрачность, всё это приводит к ещё худшему изображению, серьёзному падению чувствительности и снижению контраста. Пыль, со временем оседающая на эти купола, существенно добавляет неприятных эффектов.
При выборе подсветки существенным оказывается ещё один фактор, который не сразу бросается в глаза: это самый многочисленный класс живых существ на земле — насекомые. В районах где распространено большое количество разнообразных мошек (Краснодарский край, Сибирь) или даже летом возле водоёмов, насекомые будут создавать постоянное движение перед камерой, а то и просто облепят весь прожектор вместе со встроенной камерой. Тогда не придётся говорить не только о качестве видео, но и о каком-то полезном видео вообще.
При всем удобстве и простоте использования, встроенная подсветка годится далеко не для всех задач.

Итак, для выбора ИК-подсветки для себя необходимо ответить на следующие вопросы:

    1. Длина волны.
    2. Эффективная дальность.
    3. Угол излучения для эффективного освещения всего кадра.
    4. Потребляемая мощность.
    5. Определиться с организацией освещения.

Видеокамеры для ночного наблюдения представлены очень большим количеством моделей. Черно-белые камеры уже стали далеко не такими популярными как были ещё несколько лет назад. Функцией «день/ночь» для повышения чувствительности в цветных камерах сегодня уже никого не удивить, реализована она бывает следующими методами:

    1. Смещение ИК-фильтра в ночном режиме.
    2. Увеличение коэффициента усиления видеосигнала.
    3. Выключение сигнала цветности.
    4. Интегрирование заряда по площади в матрице видеокамеры.
    5. Интегрирование заряда по времени в матрице видеокамеры.

Конечно, лучшей чувствительностью будут обладать камеры, в которых используются все вышеуказанные методы. При этом камеры с режимом «день/ночь» должны иметь механически смещаемый в ночном режиме ИК-фильтр. Иногда встречается некорректная работа смещения фильтра на рассвете или в сумерки, когда камера то удаляет фильтр, то возвращает его на место.

Существуют камеры с электронным режимом «день/ночь», но в них ИК-фильтр никуда не смещается, поэтому и не увеличивается чувствительность в ИК-диапазоне.
Так же существуют камеры совсем без ИК-фильтра, их можно применять для ночного наблюдения с ИК-подсветкой, но в таких камерах не будет правильной цветопередачи в дневное время. Стоит обратить внимание на диапазон значений выдержки затвора и возможность его фиксации вручную. Это важно при наблюдении за быстро перемещающимися объектами, например, автомобильными потоками. Фиксация выдержки затвора уменьшит чувствительность, соответственно, придётся ставить и более мощные прожекторы, но добавит резкости изображению.

Говоря о чувствительности видеокамеры, логично было бы предположить, что чем она больше, тем лучше. В общем случае так и есть, но, как часто бывает, всё не так просто. К видеокамерам с очень маленькой заявленной минимальной освещенностью 0,0001-0,003 люкса следует относиться осторожно, в этих камерах повышено время накопления заряда, увеличен коэффициент усиления сигнала и т.д., что, соответственно, приводит к «смазыванию» объектов и появлению большого количества шумов(так как вместе с полезным видеосигналом усиливается и шумовая часть сигнала). Шум в видеосигнале подводит нас к ещё одной интересной теме.

В 21 веке все очень быстро забросили видеомагнитофоны перейдя на цифровые видеорегистраторы и компьютерные системы, а теперь и ip-камеры. «Цифра» значительно удобнее, даёт больше разнообразных возможностей, которые слишком сложно реализовать в аналоговых системах, а иногда и вовсе невозможно. Вместе с новыми плюсами, пришли и новые минусы. Одним из таких минусов для ночной системы видеонаблюдения является сжатие видеосигнала. Алгоритмы сжатия позволяют уменьшить размер видеофайла при небольшой потере качества изображения следующими путями:

    1. Удаление информации, которую не может видеть человеческий глаз.
    2. Удаление одинаковой(повторяющейся) информации в нескольких кадрах.

Часто большая часть картинки в видеонаблюдении статична, поэтому современные алгоритмы(h.264, mpeg-4) дают очень хорошие коэффициенты сжатия. При увеличении коэффициента усиления и количества шумов алгоритмы начинают воспринимать их этот шум как полезные изменения между кадрами. При большом количестве шумов, алгоритмы, основанные на межкадровом сжатии окажутся малоэффективными, так как будут сжимать отдельно каждый кадр. Соответственно, сильно падает коэффициент сжатия, увеличивается нагрузка на линии связи, уменьшается время архива. При неудачной реализации подсветки и подборе камеры, поток данных с наступлением ночи может возрастать до 10 раз. В результате резко, в зависимости от продолжительности светового дня, упадет продолжительность архива. Для ip-камеры понадобится сеть с пропускной способностью не 1Мбит/с, а 10Мбит/с. А если этих камер 10, 20, 50? Проблема достаточно серьёзная и решение у неё только одно — не допускать большого количества шумов путём правильной организации подсветки и настройки видеокамер.

Таковы, кратко, общие принципы ночного видеонаблюдения на сегодняшний день.

Виталий Каверин
Опубликовано на портале SEC.RU

Мнение эксперта: Не оспаривая приведённые автором теоретические сведения, хочется заметить некоторые неточности в материале. В частности, что касается случая размещения ИК подсветки вместе с камерой в одном гермокожухе. Проблема снижения бликов на стекле от ИК подсветки решается, как правило, не отверстием в иллюминаторе, как сообщает автор, а с помощью физического разделения части стекла перед объективом и частью стекла перед ИК-светодиодами. На приведённой иллюстрации как раз мы это и видим.
В описании методов реализации функции «день-ночь» в камерах, автор совсем упустил такое решение как использование двух отдельных видеосенсоров (а также объективов) для каждого режима работы камеры.
Использование отдельного сенсора для режима «ночь» позволяет реализовать почти все указанные автором методы, не ухудшая функциональность камеры в режиме «день.»

Аверкин Андрей — эксперт Портала SEC.RU
Руководитель направления IP Видео «Эдванс Сетевое Видео»

Типовые решения по применению ИК-прожекторов на объектах.

Коттеджи

Чаще всего, при оборудовании коттеджей системой видеонаблюдения одно из требований клиента максимальный комфорт — отсутствие света в окна в вечернее время. Именно этого эффекта и добиваются при установке инфракрасных прожекторов — объект наблюдения ярко освещён для камеры и не освещён для человека. Еще один плюс, что скрытое освещение в тёмное время суток не привлекает излишнего внимания к объекту.

Автостоянки

На автостоянках, где идёт постоянный видеоконтроль въезжающих машин установка инфракрасного прожектора, направленного на въезжающие машины, является удобной и для оператора (номер ярко освещён и хорошо распознаётся) и для водителя (отсутствует ослепляющее действие).

Ночные клубы, кинотетры, театры

На этих объектах нет возможности использовать стандартное освещение для наблюдения за залом, так как должно быть темно во время демонстрации фильма, действия и т.д. При этом установка инфракрасного прожектора эффективно решает задачу качественного освещения — служба безопасности имеет возможность вести наблюдение, не создавая неудобств клиентам и не привлекая внимания.

Склады

Несколько раз мы встречались практически с однотипной ситуацией применения инфракрасных прожекторов на предприятиях, имеющих открытые склады и сталкивающихся с проблемой воровства. И подозрение было на кто-то из «своих». В связи с этим, при организации системы наблюдения ставилась задача не предотвратить кражу, а поймать злоумышленника «с поличным». Устанавливались наружные телевизионные камеры небольшого размера, по возможности скрыто, и инфракрасные прожекторы, для того, что бы было темно и создавалось впечатление, что наблюдения за объектом не ведётся.

Промышленные предприятия

Постепенно, всё более частым становится использование инфракрасных прожекторов при оборудовании системами видеонаблюдения периметров промышленных предприятий. Связано это с тем, что этой категории клиентов особенно важна стоимость эксплуатации системы, что зачастую является одним из основных факторов при определении типа освещения. Так, по тарифам ОАО «МосЭнерго» на 2005г. система освещения, состоящая из 20 ламповых осветителей, мощностью 500Вт, при эксплуатации в режиме 12 часов в сутки потребляет электроэнергии в год на 1640$. В то же время прожекторы ПИК 11 ( мощность 38Вт),с дальностью от 35м. (с обычными камерами) до 70м. (с высокочувствительными камерами), в том же режиме эксплуатации потребляют электроэнергии на 124$ — это в 13 раз меньше. Реально же стоимость эксплуатации системы будет ещё ниже так, как нет необходимости замены перегорающих ламп.

Объекты с требованиями к вандалоустойчивости устанавливаемого оборудования

В отличии от ламп накаливания, цельнометаллический корпус инфракрасного прожектора и так обеспечивает высокую вандалоустойчивость, а в сочетании с возможностью скрытого наблюдения в ночное время, что не привлекает внимания к паре ИК прожектор/камера, это делает установку такого оборудования оптимальной в местах, где потенциально возможно механическое повреждение.

Объекты с требованиями максимальной надежности оборудования

За счёт большого срока службы прожектора, примерно не менее 20 000 часов непрерывной работы, и невозможности одномоментного выхода прожектора из строя всего прожектора, исключается характерная для ламп накаливания ситуация, когда из-за перегоревшего осветителя камера ночью «слепнет».

Объекты в историческом центре города

На объектах относящихся к памятникам архитектуры и на объектах находящихся в историческом центре города, как правило, тип освещения должен быть согласован с ГИОП (Государственная Инспекция Охраны Памятников). Установка инфракрасного прожектора, освещение которого является скрытым, позволяет осуществить организацию работы системы видеонаблюдения наиболее целесообразным образом, вне зависимости от требований ГИОП. Особенно удобным это является при наблюдении за крышей здания.

Объекты с лимитированной мощностью питания

За чистую, на объектах энергопитание ограничено. Инфракрасные прожекторы с низким энергопотреблением позволяют минимизировать энергозатраты. Так, система из 10 ламп накаливания, мощностью 500Вт. (220В.) потребляет 5000Вт., при токе 22,7А при 220В. Система, состоящая из 10 блоков питания и 10 мощных ИК прожекторов ПИК 11 потребляет 384Вт, при токе 1,7А при 220В., что в 13 раз меньше потребления обычных ламп.

Объекты, на которых нет возможности прокладки кабеля 220В

Установка инфракрасных прожекторов удобна в тех случаях, когда заранее известно, что на объекте не будет обычной системы наружного освещения с лампами накаливания. Например, случай, когда это сопряжено со значительными финансовыми затратами, нет возможности прокладки кабеля 220В, при необходимости тянуть кабель «по воздуху» и т. д. С Учётом того, что все ИК прожектора имеют 12В. напряжение питания, освещение на объекте организуется без использования кабеля высокого напряжения.

Объекты с обязательным резервированием птания систем освещения
Установка инфракрасных прожекторов целесообразна в тех случаях, когда система освещения объекта должна быть резервирована и питаться от источника бесперебойного питания. В связи с небольшим энергопотреблением инфракрасных прожекторов (например, ПИК 21 с дальностью работы 22 метра потребляет 8,4Вт) организовывать такую систему намного удобнее и дешевле.

Ночное освещение торговых и офисных центров

Как правило, в каждом торговом и офисном центре для оптимизации энергопотребления в ночное время часть освещения отключается. При этом, автономно работающие инфракрасные прожекторы, снабжённые фотодатчиками, что позволяет им включающиеся при выключении стандартного освещения. Это поможет вести наблюдение на тех участках, где это требуется круглосуточно.

Скачать:
1. ИК-подсветка в системах видеонаблюдения. Основы теории и практика применения — Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь для доступа к этому контенту
2. ИК-подсветка для мегапиксельных камер — Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь для доступа к этому контенту


Похожие статьи...