Принципы работы, основные параметры, взгляд на жизнеспособность решений All-in-One
Неплохо было бы уметь человеку видеть ночью так же хорошо, как и днем. Однако эта идея по утопичности может посоревноваться разве что с возможностью отрастить крылья. Точно так же мечты о существовании камеры, дающей картинку ночью такую же цветную и яркую, как и днем, так и остаются мечтами разработчиков и потребителей. Казалось бы, технологии не стоят на месте и такая вроде бы на первый взгляд не самая большая проблема должна быть разрешена, но нет – все никак качество ночного изображения не сравнится с качеством изображения дневного. Отчего так, и как вообще возможно осуществить получение изображения с камеры ночью в кромешной тьме и попробуем разобраться.
Первое, что приходит в голову, если поставить перед собой такую задачу – осветить наблюдаемый объект искусственным светом, например, газоразрядными лампами. Но, а если объект имеет линейные размеры 100-200 м или площадь порядка 10000 м3? Нетрудно прикинуть, что такое предприятие обойдется недешево. Есть ли другие способы? А способ есть: использовать приборы инфракрасной подсветки. При этом можно убить сразу двух зайцев: неплохо снизить потенциальные затраты, сэкономив на проведении освещения, расходах электроэнергии и не создавать лишнего света, которого так боятся последнее время в Европе борцы со световым загрязнением среды.
Вся суть ИК-подсветки состоит в том, чтобы осветить наблюдаемый объект в темное время суток источником инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, однако, прекрасно фиксируется телекамерами. При этом выбираются такие длины волн, чтобы спектр излучения находился в ближней инфракрасной зоне (длина волны порядка 800-1000 нм: так называемый, ближний ИК-диапазон), где чувствительность матрицы еще достаточна для получения монохромного изображения. Чувствительность камеры к ближнему инфракрасному излучению и обеспечивает возможность применения ИК-подсветки.
Спектральная чувствительность ПЗС-матриц характеризует зависимость чувствительности матрицы от длины волны принимаемого излучения. По сравнению с человеческим глазом спектральная чувствительность большинства камер, как правило, более широкая и простирается в инфракрасный диапазон до длин волн, порядка 1000 нм, если при производстве матриц не применяются специальные фильтры. Таким образом, в отличие от глаза, спектральная чувствительность которого ограничена видимым диапазоном излучения, камера за счет своего принципиально иного устройства способна регистрировать еще и ближний диапазон ИК-излучения. На следующем рисунке можно увидеть разницу между спектральной чувствительностью EXviewHAD –матрицы и обычной «не-EXview». Хорошо видно, что чувствительность EXviewHAD матрицы в ИК-области — начиная с 740нм в два раза выше, чем у обычной. Другими словами: в темноте при освещении ИК-светом одной и той же интенсивности картинка HAD-матрицы будет намного более детальной и содержать меньше шумов, и наоборот – одинаковое качество картинки будет достигаться при в два раза меньшей освещенности объекта перед HAD-матрицей.
Спектральная чувствительность цветных камер более приближена к человеческому глазу. Это объясняется конструктивными особенностями цветной матрицы и применением инфракрасного фильтра, отсекающего инфракрасное излучение. Площадь каждой светочувствительной ячейки цветной камеры в несколько раз меньше, чем черно-белой, поскольку каждая такая ячейка — триада, состоит из трех светочувствительных субъячеек, соответствующих трем цветовым составляющим изображения: синей, зеленой и красной. Соответственно, при одинаковых размерах черно-белой и цветной матрицы, последняя будет иметь меньшую площадь субъячейки. К тому же каждая субъячейка цветной матрицы имеет свой светофильтр: зеленый, красный или синий, который ослабляет общий световой поток, направленный к матрице. В результате, для цветных телекамер характерны меньшая чувствительность по сравнению с черно-белыми камерами и отсутствие чувствительности в инфракрасной части спектра.
Для цветных камер, используемых в системах телевизионного наблюдения, работающих в видимой части спектра, принимаются специальные меры (использование инфракрасных фильтров) по ограничению спектральной характеристики и приведению ее к видимой части спектра. При отсутствии перед объективом камеры фильтра, задерживающего ИК-спектр, ухудшение качества картинки станет сразу же заметно в виде ухудшения контраста, появления шумов и хорошо заметного искажения цветопередачи. В камерах типа день-ночь также применяется решение в виде механического ИК-фильтра: днем при достаточной освещенности он установлен и камера снимает в видимом спектре, а ночью, когда не достает освещения, камера переходит в черно-белый режим, фильтр снимается и включается ИК-подсветка.
Конструктивно инфракрасный фильтр представляет собой небольшую пластинку из стекла или любого светопрозрачного полимера с нанесенным на него слоем, поглощающим ИК-излучение. В конце-концов фильтр может представлять собой просто тонкую пленку отражающего инфракрасное излучение материала, нанесенного на линзы оптики камеры или на саму ПЗС-матрицу.
На следующем рисунке представлена зависимость коэффициента пропускания от длины волны света типичного ИК-фильтра. Видно, что максимум пропускной способности (около 85-90%) приходится на видимый спектр, а минимумы – на ближний инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны, где происходит ослабление ИК-спектра в 10-15 раз.
Основные свойства и параметры инфракрасных осветителей в составе систем видеонаблюдения.
Рассмотрим коротко основные характеристики светодиодов, определяющие параметры инфракрасных излучателей, в состав которых они входят.
Приборы с инфракрасным излучением описываются теми же характеристиками, что и остальные источники света. Одним из основных интересующих нас параметров светодиода является длина волны излучаемого ИК-света. Поскольку ПЗС-матрицы обычно имеют спад чувствительности с увеличением длины волны к области инфракрасного диапазона, то обычно выбирают светодиоды, основная излучательная способность которых приходится на длину волны 850 нм. При этом у этих светодиодов можно заметить красноватое свечение в темноте, т.к. их спектральная характеристика частично попадает в область видимого спектра. Полностью невидимым излучением обладают светодиоды с максимумом спектральной характеристики, приходящимся на 930-950 нм. Если при организации видеонаблюдения нет необходимости организации скрытой ИК-подсветки, то, конечно же, не стоит стремиться устанавливать осветители диапазона 930-950 нм, т. к. чувствительность матриц в этой области ниже, чем в области 830-850нм.
Осевая сила света, измеряемая в канделах – один из важных параметров, т. к. во многом определяет еще один параметр — дальность освещения. Дальность подсветки целого устройства, состоящего из множества светодиодов можно увеличить как применением более мощных светодиодов, так и увеличением их количества. Однако, факты говорят, что увеличение количества светодиодов, равно как и увеличение тока, проходящего через каждый светодиод ИК-подсветки, приводит к увеличению дальности обнаружения только до определенного момента – достижения так называемой «области насыщения». Дальность подсветки можно оценивать, например, как расстояние от излучателя до вертикальной плоскости, определяемое из условия минимальной освещенности, равной 2 лк, точки пересечения плоскости и оси излучателя (для камеры с чувствительностью не хуже 0,1 лк).
Определение дальности подсветки инфракрасного излучателя.
Инфракрасный осветитель обладает таким свойством как распределение светового потока в пространстве, которое можно представить в виде диаграммы пространственного распределения силы света (диаграмма направленности). Данная диаграмма показывает долю излучаемой энергии в выбранном направлении от общей интенсивности. Проще говоря, эта диаграмма говорит о том, насколько эффективно излучатель концентрирует световую энергию в нужном направлении и, по возможности, меньше рассеивает ее других направлениях. Угол излучения источника освещения определяется по диаграмме направленности как угол, образованный лучами, выходящими из точечного источника, проходящими через точки пересечения диаграммы направленности и линии, определяющей уровень половины относительной осевой силы света.
Точную диаграмму пространственного распределения силы света можно построить, используя специальный прибор, т.н. гониометр. Грубую диаграмму направленности можно получить с использованием фотодатчика, вручную вращая его в горизонтальной плоскости по радиусу окружности, в центре которой находится светодиод, и регистрируя уровень выхода и угол поворота датчика. Однако на высокую точность такого метода рассчитывать не приходится.
Если же рассматривать не весь излучатель целиком, а только один отдельно взятый диод, то типичная диаграмма направленности для него будет выглядеть, приблизительно, следующим образом.
Некоторые производители светодиодов предоставляют примерно такую или похожую картинку в качестве графического представления диаграммы направленности светодиода. Отклонения в геометрии линзы, погрешности, внесённые в ходе производства, и старение материла корпуса со временем, могут существенно затронуть оптические свойства светодиодов. Стоит учитывать, что неравномерность диаграммы направленности ИК-излучателя находится в сильной зависимости от конструкции излучателя, качества его производства и угла излучения светодиодов.
Отдельная тема для обсуждения, это долговечность светодиодов или время их наработки на отказ. Желательно, конечно, чтобы это врем было не меньше расчетного срока службы камеры. Срок службы – важный (и больной) эксплуатационный параметр полупроводниковых источников света. Тут можно различить два критерия: полный (пока прибор полностью не выйдет из строя) и полезный (пока световой поток не упадет ниже определённого предела) сроки службы. Проектируя ИК-осветители, нельзя забывать об их дальнейшей эксплуатации, в частности, о возможности замены ИК-блока подсветки в уличных камерах.
Основные причины выхода из строя и сокращения срока службы ИК-диодов
Деградация активной области
Излучение света в светодиоде происходит в результате рекомбинации инжектированных носителей в активной области. Зарождение и рост дефектов кристаллической решетки полупроводника, приводит к его деградации. Физические процессы, происходящие в полупроводнике (высокая плотность инжектированного тока и связанный с нею разогрев полупроводника) неизбежно ускоряют развитие дефекта. Но так как дефекты кристаллической решетки присутствуют во всех полупроводниковых приборах, то развитию деградации активной области подвержены все светодиоды. Повышенное питающее напряжение значительно способствуют этому.
Термическая деградация
Количество тепла, выделяющееся при работе ИК-светодиодов, требует их монтажа на радиатор. Перегрев полупроводника ведет к увеличению концентрации неосновных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области), образующих обратный ток, сильно зависящий от температуры. Бесконтрольный рост температуры может стать причиной выхода из строя полупроводника светодиода вследствие теплового пробоя. Длительная работа при повышенной температуре приводит к термическому разрушению кристаллической структуры полупроводника по причине лавинообразного увеличения числа миграций атомов из одних областей в другие.
Электростатический разряд
Полупроводники очень чувствительны к электростатическому разряду. Повреждение электростатическим разрядом может проявляться как внезапный отказ или внутреннее повреждение, приводящее к быстрому выходу из строя в процессе последующей эксплуатации. Согласно существующим нормативам, чувствительность светодиодов к электростатическому разряду должна быть не менее 100 В. Пробой из-за статического разряда может оказаться существенной проблемой для светодиодов, использующихся в ИК-осветителях, поскольку кабель питания может собирать на себя статическое электричество во время грозы, а никаких разрядников производителями для ИК-подсветки обычно не предусматривается.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы. Для увеличения срока службы и предотвращения выхода из строя светодиодов инфракрасной подсветки (да и вообще любых светодиодов) необходимо соблюдать тепловой режим их работы (использовать термоизоляцию блоков ИК-подсветки, стабилизировать номинальное напряжение питания) и обеспечить защиту от скачков, вызванных статическим электричеством.
Большинство поставляемых сегодня промышленностью светодиодов в разной степени деградирует в течение нескольких лет, несмотря на то, что производители обычно гарантируют срок службы своих светодиодов около 100000 часов или около 11 лет непрерывной работы. Однако это всего лишь теоретические расчеты, в которых предполагается, что диод будет работать в «тепличных» условиях. На деле же все обстоит гораздо сложнее. Опыт анализа многочисленных отказов устройств ИК-подсветки позволил сделать некоторые весьма приблизительные выводы. Пожалуй, самыми деструктивными факторами являются невысокое качество сборки или производства, температура и нестабильность питающего напряжения. Качество сборки процентов на 40 определяет долговечность работы, предельная и повышенная температура еще на 30% сокращает срок службы светодиода, нестабильность питающего напряжения отнимает 20% от расчетного срока эксплуатации. Такие факторы, как дефекты в кристаллической решетке полупроводника, электростатические разряды, усталость материала и всевозможные механические напряжения в приборе сложным образом влияют на срок службы светодиода, и учесть их не представляется возможным, но все в сумме они дают оставшиеся 10% надежности.
Целесообразность применения камер день/ночь совместно со встроенной ИК-подсветкой
Подводя итог вышесказанному, и пока что, не обращая внимания на ресурс и некоторые возможные подводные камни ИК-подсветки, отметим некоторые важные факты.
Ночное видеонаблюдение с применением отдельных светодиодных ИК-прожекторов вообще и встроенной подсветки (опять же — светодиодной) в камерах “All-in-one”, пожалуй, является самым приемлемым по совокупности критериев качество изображения/цена, если сравнивать с камерами с накоплением и применением искусственного освещения. Опять же, если даже камера с накоплением и будет давать подобное по качеству статичное изображение, то ее применение там, где необходимо производить съемку движущихся объектов, вообще лишено смысла из-за ее способности превращать движущиеся объекты в полупрозрачные привидения.
Если же сравнивать наблюдение с применением ИК-подсветки как альтернативу наблюдению при использовании искусственного освещения, то с экономической точки зрения первый способ вне конкуренции: стоимость затрат на оборудование освещения и энергопотребление гораздо в несколько раз выше (если не на порядок), чем применение камер с ИК-подсветкой. Простой подсчет: на длине периметра 100м можно поставить, например, 3 фонаря по 500 Вт или 4-5 ИК-осветителей по 10-15 Вт: экономия очевидна.
Скрытая подсветка не привлекает внимание к скрытой же видеокамере, что позволяет успешнее противостоять, например, намеренной краже оборудования.
Необходимо, также, выделить два условия применения ИК-подсветки. В одном из них допустимо демаскирующее свечение самих источников излучения. При этом возможно применение излучателей с длинной волны 920, 880 и 850 нм. Практически все светодиоды, излучающие в области 840-880 нм, имеют достаточно интенсивную видимую составляющую светло-красного цвета, особенно при максимальных токах. В другом случае требуется безусловная невидимость самого излучателя даже при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излучатели с длиной волны 930..950 нм. Но нужно учитывать, что чувствительность ПЗС-матрицы выше к длинам волн 840-880 нм выше, чем к длинам 930-950, поэтому при прочих равных условиях использование осветителей диапазона 840-880 нм будет предпочтительнее.
Что касается сравнения внешней подсветки и ИК-прожекторов, встроенных в кожух камеры, то тут не все так однозначно. Инфракрасный прожектор может дать более мощный и равномерный поток излучения, в то же время потребляет больше мощности, требует дополнительной установки, некомпактен. Встроенная подсветка компактна, не требует дополнительного монтажа и достаточно экономична. Но присущи ей и существенные недостатки: при определенных условиях встроенный источник подсветки может создавать блики и засветку объектива камеры, а пространственное распределение света может оставлять желать лучшего. Еще один интересный факт – согласованность работы подсветки и камеры. В камерах «all-in-one» как правило, ИК-блок и механический светофильтр работают согласованно: включение подсветки и снятие фильтра происходят одновременно. В то время как отдельный ИК-прожектор со встроенным фотодатчиком может включиться позже снятия фильтра в камере – тогда на какое-то время камера «слепнет» в темноте.
Рассмотрим в качестве примеров реализации камер All-in-one различные типовые решения присутствующие сегодня на рынке.
Самый простой тип камеры с ИК-подсветкиой иначе, как игрушкой не назовешь – 6 светодиодов по причине малой излучаемой мощности и несогласованности диаграммы направленности ничем не могут похвастаться на расстоянии более 2 – 3 м и то – только для центральной части кадра. Короче говоря – имитация наличия подсветки.
Сейчас, судя по рекламе в каталогах CCTV оборудования, достаточно широко распространены камеры в кожухах, например, как на рисунке ниже
За общим с камерой стеклом располагается осветитель из нескольких десятков ИК-диодов, оно же и является главным минусом такой конструкции: часть ИК-излучения неизбежно попадет в объектив за счет всевозможных переотражений внутри кожуха, и, чем качественнее подогнаны детали камеры и светозащитной бленды, тем меньше будет засветка.
Еще большие проблемы с засветкой могут возникнуть в процессе эксплуатации у наружных герметичных купольных телекамер со встроенной ИК-подсветкой. У таких камер сложно добиться плотного контакта объектива с полусферическим куполом, а сам купол представляет собой монолитную полусферу, у которой части общего стекла, закрывающие объектив и блок подсветки никак не разделены для предотвращения засветки камеры. Через какое-то время пыль и грязь, осевшая на куполе, станут дополнительным источником засветки, отражая инфракрасный свет назад — в объектив, и спустя пару месяцев потребитель в недоумении будет наблюдать свечение грязного стекла вместо картинки.
Другой отрицательный фактор встроенного осветителя – мешающее обратное рассеяние среды при высокой ее плотности: снега или дождя. Простейшим методом минимизации этого мешающего фактора является применение распределенной подсветки — отдельных осветителей, создающих равномерное световое поле в области обзора камеры.
В целом, из приведенных выше рассуждений, можно сделать вывод о том, что при всем удобстве использования встроенной ИК-подсветки для телекамер, ее можно рекомендовать лишь для решения простых и не очень ответственных задач. В случаях же, где к видеонаблюдению в ночное время или в условиях недостаточной освещенности предъявляются повышенные требования наиболее оправдано использование отдельных осветителей с диаграммами направленности, согласованными с полем зрения телекамеры. Точно так же для создания относительно равномерного светового потока и уменьшения обратного рассеяния среды целесообразно использовать внешние осветители, располагающиеся рядом (обычно симметрично по бокам) с камерой.
В последнее время производители уличных камер «All-in-One» в условиях конкурентной борьбы за рынок вполне объяснимо пытаются совершенствовать свои продукты в направлении улучшения качества съемки камер в ночном режиме при использовании инфракрасной освещения. Одним из таких направлений является применение технологии адаптивной подсветки, призванной нивелировать засветку близко расположенных к камере объектов съемки. Одной из первых в линейке своих камер Monalisa адаптивную подсветку реализовала компания CNB. Суть ее достаточно проста: по уровню освещенности наблюдаемого объекта регулируется сила света встроенного ИК-осветителя, т.е. образуется своеобразная оптическая обратная связь между матрицей и блоком подсветки.
Нами был проведен небольшой тест по сравнению двух камер, одна из которых использует технологию адаптивной подсветки, а другая оборудована нерегулируемым ИК-осветителем. В качестве испытуемых были выбраны камеры корейского производителя CNB: CNB WCL-21S и CNB B-2310PWF. Краткие интересующие нас характеристики камер представлены в следующей таблице.
Проверка проводилась в изолированном от внешних источников света абсолютно темном помещении.
Как показали испытания (на рисунках ниже), камера с адаптивной подсветкой дает существенное преимущество перед камерой с нерегулируемым блоком подсветки, позволяя однозначно идентифицировать лицо стоящего перед ней человека ценой небольшого снижения яркости заднего плана.
Решениями с адаптивной подсветкой сейчас постепенно наполняются и линейки видеокамер других производителей, например, одного из корейских лидеров рынка систем видеонаблюдения, компании Samsung.
Подведем окончательный итог нашим рассуждениям о проблемах применения инфракрасной подсветки в системах видеонаблюдения.
Наилучшим способом реализации видеонаблюдения в ночное время и в условиях пониженной освещенности можно считать использование внешних ИК-прожекторов и осветителей, но далеко не всегда оно будет оптимальным. Конечно, системы «All-in-One», использующие простейшие ИК-осветители не являются самым серьезным решением этой проблемы, но, пожалуй, являются наиболее оптимальным при учете такого фактора как цена/качество, поскольку позволяют получить приемлемое качество картинки с минимумом затрат на него в большинстве случаев. Следует также учитывать, что индустрия не стоит на месте и предлагает новые жизнеспособные решения, к таким такие как, например, адаптивная подсветка. А это позволяет сказать, что системы «All-in-One», несмотря на присущие им недостатки, в обозримом будущем будут пользоваться высокой популярностью.
Литература
1. Чура Н.И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2002. №3. С. 35-39.
2. Чура Н.И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2003. №5. С. 35-38.
3. Никифоров С. Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества // Компоненты и технологии. 2005. №5. С. 48-57.
4. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // Компоненты и технологии. 2005. №7. С. 16-24.
Источник — Журнал ТЗ № 5-2010
Скачать:
Системы видеонаблюдения и инфракрасная подсветка. Основы теории и практики — Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь для доступа к этому контенту
Мнение наиболее опытных профессионалов по данному вопросу.
Итак, почему же для грамотных специалистов категорически неприемлема встроенная в кожух видеокамеры ИК-подсветка и почему компании, работающие в сфере систем безопасности и ответственно относящиеся к оборудованию объектов, категорически запрещают своим проектировщикам ее использовать?
Сегодня получают распространение видеокамеры со встроенной в кожух ИК-подсветкой. Наиболее дешевые варианты имеют общее защитное стекло для объектива и светодиодной матрицы. В этом случае через некоторое время на стекло с внешней стороны оседает пыль, которую светодиоды начинают интенсивно подсвечивать. В результате снижается контрастность изображения и чувствительность камеры, что выражается в уменьшении дистанции подсветки на 10-20% , нежели если бы эта самая матрица была вынесена за пределы гермокожуха. В более продвинутых вариантах под объектив в стекле вырезается отверстие, устанавливается бленда и такого влияния на качество изображения встроенная подсветка уже не оказывает. При этом возникают вопросы к обеспечению качества герметизации стекла вокруг бленды. Однако остается еще один серьезный недостаток: тепло от работающей светодиодной матрицы отводится во внутреннее пространство дешевого гермокожуха и добавляет теплового шума ПЗС-матрице, и без того работающей на границе чувствительности. Причем плата, на которой установлены светодиоды, как правило не имеет своего теплоотводящего радиатора, в результате чего светодиоды из-за перегрева быстро деградируют и уже через год-полтора работы такой видеокамеры от первоначально достигаемой дальности подсветки остаются одни лишь воспоминания… Надежность работы такой подсветки также оставляет желать лучшего — светодиодные линейки перегорают значительно чаще, нежели эту неисправность можно было отнести на заводской брак самих светодиодов. Довольно большая поверхность гермокожуха не столько отводит тепло в окружающее пространство, сколько является тепловым экраном. Зимой это очень хорошо, а вот теплыми летними ночами… К тому же практически вся подсветка в импортных камерах организована на светодиодах с длиной волны излучения 850нм и речи о полной скрытности подсветки быть не может. И даже если проблема отвода тепла от излучающей матрицы в последних моделях гермокожухов некоторых производителей уже худо-бедно (худо – потому что используется встроенный в кожух вентилятор, а он является по определению самым потенциально ненадежным элементом всего изделия) решается, летними ночами проявляется еще одна неприятность: вокруг такой камеры собирается приличный рой насекомых, привлекаемых хорошо видным для них светом включенной подсветки. Эти насекомые сильно мешают наблюдению, создавая на экране постоянное фоновое мельтешение. В этом случае работа камеры или видеорегистратора с включенной функцией записи по детектору движения будет неэффективной – емкость накопителя будет быстро использована. А в районах Севера и Сибири, где распространены насекомые мошка, последние вообще ночью обязательно облепят плотным покрывалом такую камеру, в результате чего само видеонаблюдение будет представляться сложным занятием. В случае же выпадения обильных осадков – снега, дождя – объект наблюдения фактически закрывается от видеокамеры стоящей перед ней хорошо подсвеченной «стеной» из этих осадков. Если видеокамера с встроенной подсветкой оснащена вариофокальным объективом, то эффективность работы подсветки будет обеспечиваться только при угле обзора объектива, соответствующему углу излучения светодиодов. В противном случае теряется дальность наблюдения (при увеличении фокусного расстоянния относительно оптимального), либо подсвеченной остается только средняя часть сцены при настройке объектива на более широкий угол обзора. Решением таких проблем является только использование прожекторов, отдаленных от видеокамеры не менее, чем на несколько метров с характеристиками, подобранными соответственно точным условиям освещенности наблюдаемой сцены. Кстати, аналогичные проблемы проявляются и при модном сегодня способе крепления прожекторов к гермокожуху с целью быстроты и удобства монтажа всей системы на объекте. Вызывают вопросы и заявляемые в документации на такие видеокамеры дальности подсветок. Все отечественные производители на такие дальности предлагают применять прожекторы с мощностями, увеличенными в 3-5 раз, что позволяет нам говорить о таких же поголовных недобросовестных маркетинговых уловках производителей этих камер, как и в случае с значениями фантастической, ничем не обоснованной чувствительности и разрешающей способности. Все вышеприведенные аргументы позволяют с уверенностью утверждать, что камеры с встроенной либо «пристроенной» ИК-подсветкой с инженерной точки зрения являются совершенно непрофессиональным решением. Однако комплексная дешевизна, красивый дизайн, а также удобство и быстрота монтажа зачастую склоняет неквалифицированных монтажников и экономных конечных потребителей к выбору устройств именно этого класса. К сожалению, все «прелести» такого выбора проявляются уже в процессе эксплуатации, когда менять что-либо становится поздно.
Как избежать яркого пятна при использовании ИК-камер
Нортон Т.
По мере того, как все больше и больше магазинов продают камеры видеонаблюдения бюджетного класса, практических сведений, предоставляемые ими конечным пользователям, становится все меньше и меньше, а это зачастую делает видеонаблюдение почти бесполезным.
Многие камеры видеонаблюдения имеют встроенный ИК-осветитель, выполненный по окружности вокруг объектива, и это озвучивается как гениальная идея, поскольку такие камеры могут видеть в темноте. Действительно, в спецификации некоторых из них указывается чувствительность 0 лк. И это правда – они могут работать в полной темноте, только вот не говорится, на каком расстоянии. Например, на изображении можно четко видеть, что вот это садовая дорожка, однако при этом заметно значительное изменение освещенности. Примерно в 3… 4 метрах свет настолько сильный, что куст слева от дорожки оказывается размытым. То же самое произошло бы и с человеком, стоящим на дорожке. Через 2 метра от этого места вообще нет света, в результате чего хорошее изображение не получается, несмотря на большой контраст в кадре.
Поэтому я не рекомендую использовать камеры с встроенным ИК-осветителем — они приводят к высокой освещенности в центре кадра и недостаточной на его краях. В результате этого изображение оказывается чрезмерно освещенным в центре, делая невозможной идентификацию человека.
Тем не менее, это не ограничивает вообще применение ИК-осветителей, поскольку подобные результаты происходят и при освещении обычным белым светом.
Инфракрасное освещение является прекрасным инструментом для видеонаблюдения, оно позволяет камере видеть в полной темноте так, как будто это происходит в дневное время. Я бывал в помещениях, в которых было совсем нешуточным занятием пробираться в темноте и где камера по-прежнему позволяла все видеть четко. Это возможно при разумном выборе характеристик камеры и источника ИК-подсветки. По моему опыту, видеокамеры бюджетного класса имеют ИК-подсветку лишь на несколько метров, а вне яркого пятна ИК-подсветки изображение становится зернистым. Лучшие результаты могут быть достигнуты путем отраженного, непрямого ИК-освещения.
Для начала немного об ИК-подсветке
Для работы с ИК-подстветкой должна использоваться видеокамера в черно-белом режиме. Для многих дешевых камер утверждается, что это возможно, однако они всегда остаются работать в цветном режиме. В них просто вырезается часть видеосигнала (цветовая вспышка), которая управляет включением цветности. Правильно работающая камера День/ночь имеет ИК-фильтр, который днем защищает ПЗС или КМОП сенсор от попадания лучей ИК-диапазона.
Почему так делается? Потому что присутствие ИК-излучения в цветном спектре света приводит к двум проблемам. Во-первых, теплые предметы на экране отображаются как серые, поскольку они являются источниками ИК-света. Например, черная дорога летом выглядит как серая. Во-вторых, поскольку видимый свет и ИК-излучение имеют различные длины волн, то для них требуется различная фокусировка на матрице – это приводит к тому, что изображение оказывается нерезким.
ИК-свет, падающий на поверхность, не виден человеческим глазом. Однако некоторые ИК-осветители излучают тусклое красное свечение, заметное, если смотреть прямо на него. Они работают в диапазоне длин волн (840… 880 нм) – используется в ИК-светодиодных осветителях. Это соответствует верхней границе чувствительности человеческого глаза. При использовании светодиодов с большей длиной волны (порядка 940 нм) излучение не видно, однако не все камеры чувствительны в этом диапазоне.
Как использовать ИК-подсветку без создания яркого пятна в кадре
Наилучшее решение – не использовать ИК-осветители бюджетного уровня, однако я понимаю, что многие сознательно выбирают оборудование низшего ценового диапазона. Однако, если говорить о пользе, то осветители хорошего качества, аналогичные тем, которые я использовал в тюрьмах, можно получить у таких производителей, как Raytec and Microlight; на их сайтах, к тому же, имеются прекрасные пояснения. Некоторые продукты и низкой ценовой группы, такие как IR130 или IR110 могут дать приемлемые результаты, если следовать моим рекомендациям.
Наилучшим способ избежать яркого пятна на изображении от бюджетных ИК-осветителей – это не направлять их непосредственно на то, что вы хотите видеть. Дорогие ИК-осветители рассеивают свет более равномерно и в широкой области, поэтому их можно направлять непосредственно на объект без риска получения светлого пятна. Вместо использования света, отраженного от прилегающих поверхностей, таких как стены или потолок. При использовании отдельного (от камеры) ИК-осветителя и освещении им потолка или стен под углом 45 градусов, отраженный свет будет намного более равномерно отображаться камерой, однако при этом снижается радиус действия ИК-осветителя.
Я широко использовал этот прием в небольших помещениях, однако столь же хорошие результаты могут быть получены вне помещений или в коридорах, где имеются поверхности рядом с камерой. В принципе пригодна любая поверхность кроме той, куда непосредственно направлена камера. Опытным путем найденный способ размещения ИК-осветителя покажет наилучший угол для работы, при этом следует иметь ввиду, что для достаточно хорошей работы камеры совсем не требуется слишком много ИК-света.
Также обратите внимание, что источник ИК-света не должен располагаться рядом с камерой. Если камера расположена от объекта на расстоянии 10 метров, ИК-осветитель нужно располагать ближе к тому месту, которое наиболее важно, чтобы на него падала большая часть света. Освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния (как описано в вышеупомянутой книге «CCTV»). Проще говоря, если осветитель находится в 10 метрах от объекта, наблюдаемого камерой, то это даст лишь 1/4 той освещенности, которая была бы, если бы осветитель находился в 5 метрах от объекта.
Камеры наружного наблюдения со встроенной ИК-подсветкой
Николай Чура — технический консультант ООО “Система СБ” и ООО “Микровидео/Группа”
Герметичные камеры со встроенной ИК-подсветкой продолжают свое успешное развитие и применение в мировом видеонаблюдении.
Их популярность обусловлена прежде всего удобством применения.
Для организации ночного наблюдения не нужно подбирать отдельные осветители с согласованием полей зрения и секторов освещения, размещать их определенным образом для получения наилучшего эффекта освещения. А для этого пришлось бы вести настройку ночью, поскольку при дневном освещении эффект от любых источников света практически незаметен. Особенно это проблематично с ИК-осветителями, когда глазу не видно испускаемое излучение. Другими словами, можно констатировать, что отдельные ИК-осветители стали уделом специальных объектов, когда самое главное — это результат, а не затраты на монтаж и оборудование.
Технология раздельных иллюминаторов
В области этого обширного раздела видсонаблюдсния за последние годы появились новые технические решения, которые в какой-то мере уменьшили принципиальные недостатки совмещенной подсветки. К таким решениям можно отнести технологию раздельных иллюминаторов (Window dual system/WDS), исключающую прямое попадание в объектив рассеянного излучения подсветки из материала единого защитного стекла. Примечательно, что быстрее и чаще эта технология применяется новыми производителями из материкового Китая, а не «ветеранами» из Южной Кореи и с Тайваня. На фото 1 представлены две конструкции подобного иллюминатора. Обычно иллюминатор для объектива изготавливается из оптического стекла, а защитное стекло светодиодов — из пластика.
Фото 1. Раздельный (сдвоенный) иллюминатор
Интеллектуальная» подсветка
В настоящее время в ИК-камерах используется технология «интеллектуальной» подсветки, призванная выравнивать яркость в кадре, особенно при близком расположении и ярком освещении подсветкой объекта. Эта функция не всегда эффективна, но у многих моделей распознаваемость объекта в центральной, как правило, несколько пересвеченной зоне все-таки улучшается.
Изменение фокусного расстояния и фокусировки объектива
Практически все современные ИК-камеры с вариофокальиыми объективами имеют наружные органы изменения фокусного расстояния объектива и его фокусировки. Это поворотные штанги, снабженные маховичками с накаткой, выходящими на задний торец камеры. Штанги имеют уплотняющие прокладки, а иногда и дополнительные герметизирующие крышки на маховички.В более поздних моделях используются накатные маховички, выступающие из нижней части корпуса камеры. Управляющие элементы без герметизирующих крышек на заднем торце камеры всегда создавали опасность проникновения влаги. Наличие крышек, безусловно, увеличивает влагозащищенность, но усложняет конструкцию и, самое главное, увеличивает вероятность их потери при настройке. К сожалению, новая конструкция с выступающими снизу маховичками требует значительно больших усилий при настройке, очевидно, в результате герметизирующих прокладок, что сильно затрудняет вращение. Можно предположить, что при отрицательной температуре, когда прокладки станут более жесткими, это будет совсем проблематично.
Процессор обработки изображений и меню управления
Поскольку многие современные ИК-камеры снабжаются цифровым процессором обработки изображений (DSP) с управлением функциями через экранное меню, на камере всегда устанавливаются органы управления этим меню. Обычно эти кнопки или джойстик располагаются в нижней или задней части камеры за специальной крышкой или лючком. Откидывающаяся конструкция с невыпадающим винтом более надежна, но сложна по конструкции и требует большего места. Более миниатюрная резьбовая пробка, прикрывающая джойстик, также имеет тенденцию теряться при настройке. Появилась интересная конструкция на основе такой пробки, которая теперь не может потеряться. Ее конструкция показана на фото 2.
Фото 2. Пробка, совмещенная с джойстиком
Кронштейны
Все больше телекамер снабжается пустотелыми кронштейнами, в которых скрыт подводящий кабель. Подобная конструкция приведена на фото 3. Это, безусловно, улучшает дизайн и защиту камеры от вандализма. Правда, чтобы полностью реализовать эти возможности, при монтаже необходимо проделать сквозное отверстие в месте крепления на стене. Из дополнительных удобств при этом можно оставить штатные разъемные соединения, которые, естественно, можно использовать только в сухом отапливаемом помещении.
Фото 3. Пустотелый кронштейн камеры
Дополнительные осветители
Стремление увеличить дальность наблюдения привело к появлению ИК-ка-мер с дополнительными осветителями, установленными, как правило, по бокам корпуса основной камеры. Эта тенденция достаточно перспективна, поскольку осветитель и телекамера, установленные с параллаксом, являются наиболее предпочтительной конструкцией. При этом не подсвечиваются так интенсивно пролетающие перед объективом насекомые, листья, снежинки, которые зачастую полностью перекрывают объектив яркой завесой, возмущая системы стабилизации яркости (автодиафрагма, электронный затвор, АРУ). Уменьшается также обратное рассеяние от атмосферных явлений (туман, дождь, пыль и т.п.). Правда, этот параллакс обычно незначителен, и остается еще встроенный осветитель, имеющий все вышеперечисленные недостатки. Но можно считать это «движением в правильном направлении».
Сверхъяркие светодиоды
ИК-камеры все чаще снабжаются сверхъяркими светодиодами, имеющими повышенную отдачу и более эффективный съем выделяющегося тепла, увеличивающий светимость и ресурс излучателей. Платы со светодиодами, просто «висящие» в корпусе камеры, отошли в прошлое и остались уделом начинающих производителей. Серьезные разработчики уже размещают излучатели на массивных радиаторах, имеющих плотный контакт с корпусом камеры или являющихся его частью. В таких конструкциях часто используются специальные прокладки из теплопроводной резины для эффективного съема тепла с выводов светодиодов.
Белое освещение
Учитывая широкое распространение среди наружных камер с ИК-подсветкой моделей цветного изображения с режимом «день/ночь», появились модели с дополнительными светодиодными осветителями белого свечения. Белое освещение включается при срабатывании внутреннего детектора движения (активности) по изменению черно-белой картинки, полученной при ИК-подсветке. Это потенциально позволяет получить по тревоге цветное изображение объекта. Функционирование, естественно, будет ограничено дальностью подсветки. Обычно режим цветного изображения включается при освещенности более 3-4 лк, а относительно приемлемое изображение требует освещенности хотя бы 10-20 лк. Нельзя не учитывать, что подобная технология малоприменима на объектах, требующих скрытности наблюдения или в случае выполнения требований световой экологии (устранения мешающего действия освещения).
Рабочие температуры
Традиционный температурный диапазон телекамер со встроенной ИК-подсветкой обычно нормируется производителем в области отрицательных значений не более -10 °С. Это обусловлено прежде всего отсутствием в таких камерах нагревателей. Вместе с тем в последнее время не вполне ответственные поставщики и производители стали безосновательно легко обещать весьма широкие диапазоны рабочих температур практически для любых влагозащищеииых ИК-камер. Конечно, некоторые модели в результате удачной конструкции в реальности успешно работают в интервале от -30 до +40 °С. Причины этого полная герметичность и минимальный внутренний объем хорошо просушенного воздуха. Но это характерно далеко не для всех моделей. В конечном итоге современная телекамера, практически лишенная электролитических конденсаторов, работоспособна при любых разумных отрицательных температурах. Более того, для матрицы охлаждение даже полезно, поскольку существенно снижает шум. Единственным врагом телекамеры является влага, выпадающая в виде росы па иллюминатор, объектив и внутренние элементы. Это мешает наблюдению и приводит в конечном итоге к коррозии проводников и контактов. Коррозию дополнительно стимулируют протекающие токи. В этой связи вызывают недоумение сообщения об удачных испытаниях при низких температурах камер, работающих в течение 2-3 часов. При этом иллюминатор совершенно «обморожен», в корпусе — 9 °С, но камера работает! Ну и что? А что с ней будет весной?
Нагреватели и вентиляторы
Веским аргументом для работы при низких температурах является наличие нагревателя и вентилятора в корпусе камеры. При этом ввиду полностью занятой передней части камеры светодиодами подсветки нагреватель обычно располагается в задней части корпуса. Можно считать, что это самый неудачный вариант расположения. Заднюю часть, которая к тому же обычно поднята, греть совершенно бессмысленно, поскольку роса выпадает на защитное стекло, объектив и плату модуля, расположенные в передней части телекамеры. Вентилятор же здесь мало помогает из-за достаточно плотной компоновки и плохого воздухообмена в корпусе. Кроме того, вентилятор резко снижает надежность камеры. Надежды, что он дополнительно будет охлаждать камеру при высоких температурах (выше +50 °С), также безосновательны. Вентилятор — не холодильник и только выровняет температуру внутри корпуса, но добавит около 2 Вт рассеиваемой мощности.
Купольные поворотные камеры
Всегда большой проблемой было обеспечение функционирования в ночных условиях очень популярных сейчас купольных поворотных камер. Ведь поворотные камеры могут обслуживать очень большие площади. А значит, эти площади придется освещать в ночное время. Традиционные поворотные монтировки с телекамерами в боксе достаточно просто снабжались осветителями как видимого, так и ИК-диапазона. При этом камера и осветитель хотя бы по направлению визирования были согласованы. Купольную же камеру снабдить встроенным осветителем не так просто, как это кажется на первый взгляд. Есть, правда, отчаянные производители, причем не только среди начинающих, но и среди опытных мастеров. Образен подобной смелости приведен на фото 4.
Фото 4. Купольная камера с неудачно встроенным ИК-осветителем
Фото 5. Купольная камера с удачно встроенной подсветкой
Понятно, что ничего, кроме сильнейших бликов от пластикового купола, здесь получить трудно. Но уже есть вполне работоспособные конструкции, имеющие практически раздельные корпуса и иллюминаторы для камеры и осветителя. Например, модель, приведенная па фото 5. Интересно, что наряду с ИК-светодиодами (в верхней части осветителя), по всей видимости, применяются и свстодиоды белого свечения, о которых в описании почему-то пет никакой информации. Правда, незаметно в этих изделиях было утрачено основное достоинство купольных камер -отсутствие открытых подвижных соединений. А это чревато затеканием в стыки воды с последующим замораживанием и практическим блокированием поворота или даже разгерметизацией.
Опубликовано — Каталог CCTV-2012
ИК подсветка видеокамер в темное время суток
В настоящее время инфракрасная подсветка применяется в двух вариантах:
-
1. В виде отельного модуля, который ничем не связан с камерой конструктивно.
2. В качестве модуля, в котором стоит и ИК подсветка и камера.
Идея такой подсветки сама по себе основывается на том, что камеры видеонаблюдения имеют возможность создания на КМОП или ПЗС матрице изображения при освещенности светом до 1000 нм, там, где зрение человека уже не работает. Наши глаза способны воспринимать изображение в более узком диапазоне света (380-730 нм), а значит, ИК область 730-1000 нм может применяться для создания ИК прожекторов невидимых глазу, но обеспечивающих нормальное освещение для камер. Кстати, камеры видеонаблюдения в Челябинскетакже могут похвастаться применением подобной технологии.
Но сейчас ИК подсветка по большей части создается в ближнем диапазоне инфракрасных волн в пределах 850-880 нм, а несколько реже в диапазоне 920-950 нм. Но такая подсветка обладает и рядом своеобразных особенностей, которые нужно учесть при выборе оборудования и его монтаже.
Потеря резкости при использовании ИК
В первую очередь, если видеокамера работает сразу в двух диапазонах (ИК и видимом), то это накладывает дополнительные требования к аберрационному искажению применяемых объективов. Это связано с тем, что световые лучи видимого диапазона и ИК диапазона имеют разные углы преломления в объективе. При этом оптическая ось объектива пересекается ими в разных местах (фокусных точка), создавая на CMOS или ПЗС матрице изображение без фокуса, схожее на потерю резкости. По этой причине объективы, подходящие для работы с ИК подсветкой производятся согласно со специальными требованиями. Чаще всего на их корпусе есть метка «IR» означающая «InfraRed» (на рис.1).
Рис. 1. Объектив с IR-коррекцией
Исходя из этого, при создании проекта ИК подсветки для камер видеонаблюдения нужно непременно проверить, способны ли объективы обеспечить требуемое качество изображения в таких различных условиях.
Камера с интегрированной подсветкой тоже должна иметь объектив с корректировкой под ИК диапазон. Примером маркировки подобного объектива может служить объектив на рис. 2.
Рис. 2. Объектив D14 с IR-коррекцией
Дневной и ночной режимы и ИК подсветка
Большой популярностью в Челябинске сейчас пользуются камеры видеонаблюдения с режимом «день/ночь». Он дает возможность автоматически переключить режим работы видеокамеры с дневного цветного на ночной черно-белый. Но с появлением инфракрасной подсветки появились проблемы с тем, что в видеокамерах с цветным изображением ИК фильтр располагается всегда перед КМОП или ПЗС матрицей. Присутствие подобного фильтра защитит камеру от ненужного ИК излучения в дневное время. А это значит, что если подсветить сектор ИК прожектором, то камера не сможет ничего «видеть», ведь ИК фильтр перекроет возможность попадания ИК диапазона волн от прожектора на КМОП (ПЗС) матрицу.
Выходит, что применение ИК прожектора с камерой с цветным изображением не несет в себе никакого смысла. Но, к счастью, такое заключение можно отнести только к видеокамерам, которые переключаются с дневного цветного изображение на ночное черно-белое электронным способом. Его суть заключается в объединении (сложении) каналов RGB (красного, зеленого и синего), из-за чего получается черно-белый сигнал канала яркости.
Самыми подходящими для работы с ИК подсветкой можно считать видеокамеры с отключаемым ИК фильтром (IRC). В подобных устройствах ИК фильтр полностью убирается переключением камеры из режима «день» в «ночь» и обратно. В черно-белом режиме из-за отсутствия ИК фильтра камера будет более чувствительна к излучениям в ИК диапазоне, а значит, видимость ночью будет лучше. Для более высокой чувствительности видеокамеры в ИК диапазоне КМОП и ПЗС матрицы выпускаются с характеристикой, которая имеет большую чувствительность в области ИК излучения. Подобные матрицы ставятся в системы видеонаблюдения в городе Челябинск, и они получили название Exmor и Ex-View. Сейчас самые подходящие результаты чувствительности в области ИК излучений принадлежат Exmor (КМОП матрице).
Оптическое защитное стекло
Защитное оптическое стекло, невзирая на его кажущуюся простоту, способно решить довольно непростые задачи. В первую очередь, это защита объектива от попадания пыли, насекомых и мелких частиц. Подобная защита способна упростить обслуживание видеокамеры в ходе ее эксплуатации. Наличие множества светодиодов (инфракрасный прожектор) внутри корпуса камеры создает световое излучение высокой мощности, которое приводит к засветке КМОП и ПЗС матрицы и невозможности создать нормальное изображение без принятия специальных мер. Чтобы устранить эту проблему применяется бленда (на рис. 4), которая предотвращает главные пути попадания потока света в объектив и камеру.
Рис. 4. Бленда, предотвращающая засветку объектива
Но есть и путь проникновения света через толщу стекла в зону работы объектива. Если этот путь не будет перекрыт, то через время грязь и пыль, осевшие на стекле иллюминатора (на рис. 3), станут новым источником засветки, отражая ИК свет назад на объектив. Через несколько месяцев потребитель будет в недоумении видеть свет грязного стекла вместе нормального изображения.
Рис. 3. Иллюминатор
Чтобы предотвратить этот путь попадания в объектив ИК излучений, защитное стекло обязано иметь 2 части:
-
1. Защитное стекло для инфракрасной подсветки;
2. Стекло иллюминатора для функционирования камеры.
При этом торцевые части стекла иллюминатора должны отделяться непрозрачным материалом от торцевых частей стекла для защиты. В большей части случаев такая функция выполняется блендой.
Адаптивная инфракрасная подсветка
В ходе использования ИК подсветки для уличной системы видеонаблюдения в городе Челябинск, которая устанавливается в один корпус с камерой, появилось немало данных по негативным моментам в работе. Больше всего засветка негативно проявляется для объектов, расположенных близко к камерам, если мощность прожектора рассчитана на дальние расстояния.
Кроме того, многие пользователи обращают внимание и на то, что при движении объекта в сторону камеры с ИК подсветкой, но находясь на внушительном расстоянии, он выглядит «мелко» на экране и плохо виден. Но при подходе к камере ближе этот же объект становится чересчур «крупным», но слишком пересвеченным, что также не дает его нормально различить. На средних расстояниях все в норме, но хотелось бы видеть объект крупнее. Этот эффект устраним, если ввести в алгоритм работы инфракрасной подсветки адаптацию по освещенности объекта.
Сущность этой адаптации довольно проста: по уровню освещенность сила света интегрированного ИК прожектора регулируется, таким образом, образуется т.н. обратная связь между блоком подсветки и камерой. В итоге, адаптивная подсветки изменяет мощность в зависимости от интенсивности света, отраженного от объекта. Приближение нарушителя к камере уменьшает мощность подсветки, поэтому можно рассмотреть его в оптимальных условиях освещенности.
В заключении стоит отметить, что проектировщикам и установщикам ИК подсветки в регионе с большим количеством насекомых (мошек, комаров и т.п.) важно обращать на это внимание, ведь ИК излучение – это источник тепла, а значит, через время источник такой подсветки будет весь облеплен насекомыми. В этих условиях камере будет сложно работать, в особенности, если подсветка и камера расположены в одном корпусе.
