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. Инфракрасное излучение занимает диапазон λ =740нм-1мм. На этой особенности человеческого органа зрения и построена идея скрытой подсветки. Поэтому различные устройства ИК-подсветки стали неотъемлемой частью ночного видеонаблюдения.
В настоящее время инфракрасное излучение разделяют на 3 диапазона:
коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;
средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;
длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм.
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 850нм, 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 =750-870нм, но при 850нм будет максимум интенсивности. Именно этим объясняется, что глаз “видит”инфракрасное излучение и ИК-светодиоды светятся вишнёвым цветом: 750-760нм определяются глазом как красный цвет, а “рабочее” излучение 760-870нм 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 ньюанс: 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 50м) 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:
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:
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.
Рис.3.
Купольные видеокамеры со встроенной ик-подсветкой:
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»
Взято с http:/www.os-info.ru
