светодиоды ИК подсветки камеры

Задача ИК-подсветки — увеличить светочувствительность камеры при низком уровне освещенности на объекте. Я уже касался этой темы — в статье про мифы о видеонаблюдении. Сегодня разберем тему чуть подробнее, ответив на вопросы:

  • для чего применяется ИК-подсветка, какие при этом есть требования к камере видеонаблюдения
  • отличия и основные сценарии применения «встроенной» в камеру и «автономной» ИК-подсветки
  • что такое «smart IR», как работает, где применяется
  • основные и дополнительные характеристики ИК-подсветки, влияющие на эффективное расстояние применения
  • альтернативы ИК-подсветке

Светочувствительность и спектр электромагнитного излучения

Спектр электромагнитного излучения; указаны диапазоны длин волн, в которых работают камеры видимого диапазона и тепловизионные камеры

Способность светочувствительной матрицы камеры регистрировать фотоны зависит от их длины волны. Стандартные матрицы способны регистрировать фотоны видимого света с длиной волны от 400 нм до 700 нм, а также обычно чувствительны к фотонам ближнего инфракрасного диапазона с немного большей длиной волны — 700-1000 нм. Такой свет составляет основную часть естественного освещения, в том числе солнечного света, но может создаваться и искусственными источниками света.

Фотоны с большими длинами волн, относящимися к длинноволновому инфракрасному спектру, могут регистрироваться тепловизионной матрицей. К длинноволновому ИК диапазону относится естественное тепловое излучение, испускаемое всеми живыми и неживыми предметами. В изображении, полученном с помощью тепловизионной камеры, более теплые объекты (например, люди и животные) выделяются на обычно более холодном фоне.

Если освещение слабое, фотонов видимого диапазона становится недостаточно для регистрации их матрицей. В условиях чрезвычайно слабого освещения приходится отказываться от получения изображения в видимом свете (и соответственно цветного изображения с применением технологий Starlight, Lightfinder, DarkFighter, ColorVu и др.) и использовать более широкий спектр, включающий в себя либо ближний ИК диапазон (в камерах круглосуточного применения), либо длинноволновый ИК диапазон (в тепловизионных камерах), чтобы собрать достаточное количество фотонов.


Что нужно для «ночного» режима видеонаблюдения?

Диаграмма относительной светочувствительности матрицы видеокамеры видимого диапазона. В дневном режиме на матрицу попадает только видимый свет. В ночном режиме для получения видеоизображения используется как видимый свет, так и свет ближнего ИК диапазона, поступающий на матрицу.
  • ИК освещение — либо от автономных, либо от встроенных в камеры ИК осветителей с длиной волны 850 нм.
  • камера с ИК-фильтром с функцией «день-ночь»

Все камеры со встроенной ИК подсветкой являются камерами круглосуточного применения, но камера круглосуточного применения не обязательно должна иметь встроенную подсветку.

Существуют инфракрасные светодиоды с длиной волны излучения 940 нм, но чувствительность матриц камер к такому излучению несколько ниже.

Большинство ИК светодиодов работают на длинах волн, близких к видимому свету, и потому дают слабый видимый красный свет, позволяющий определить, работает осветитель или нет.


Для чего использовать ИК-подсветку?

  • низкое энергопотребление (по сравнению с подсветкой видимого спектра);
  • малозаметное для стороннего наблюдателя;
  • снижение битрейта монохромного полутонового видео по сравнению с цветным (более низкие требования к пропускной способности каналов передачи и емкости хранения);
  • отсутствие помех водителям при видеонаблюдении за транспортными потоками ночью
  • лучшее распознавания номерных знаков автомобилей (LPR) в тёмное время суток (за счет того, что номерные знаки гораздо лучше отражают инфракрасный свет);
  • простота использования;
  • экологические мотивы (снижение светового загрязнения).

Встроенная и внешняя ИК подсветка

Искусственное ИК освещение может создаваться как внешними ИК осветителями, так и встроенной подсветкой камеры. Во многих системах видеонаблюдения может быть целесообразно совмещать оба вида подсветки.

Плюсы встроенной в камеру ИК-подсветки:

  • встроенные в камеру осветители могут лучше работать на близком расстоянии благодаря их специальной адаптации к конкретной камере с ее функциями, диапазоном изменения фокусного расстояния и т.д.
  • более простая установка и настройка
  • не требуются внешние кабели и дополнительные блоки питания (питание от самой камеры)
  • бюджетная цена

Плюсы внешней ИК-подсветки:

  • внешние осветители обычно мощнее и имеют большую дальность, т.к. имеют больше светодиодов и дают больший световой поток, чем встроенная в камеру ИК подсветка
  • насекомые, летящие на источник света, не приближаются к объективу настолько, чтобы испортить видео, поскольку при использовании автономных осветителей подсветка и объектив камеры больше физически разнесены
  • отсутствие засветки объектива в следствии отражения части ИК излучения от общего с объективом стекла (что характерно для старых вариантов компоновки встроенной ИК-подсветки, когда светодиоды располагали под общим стеклом с объективом; сейчас проблемы могут быть у купольных dome камер)
  • отсутствие засветки объектива в следствии отражения части ИК излучения от атмосферных осадков (дождя, снега, тумана и т.п.)
  • при применении внешней ИК-подсветки возникает меньше ограничений на ориентацию камер

При использовании внешних осветителей необходимо следить за тем, чтобы освещение соответствовало зоне наблюдения. Если освещенная область слишком мала, в центре зоны наблюдения может наблюдаться пересвет или эффект гало, а на краяхнедостаточная освещенность. С другой стороны, если освещать слишком большую площадь, дальность освещения будет меньше, а часть света будет тратиться на объекты вне интересующей нас зоны.


Адаптируемая («умная», «smart IR») ИК-подсветка

Изменение фокусного расстояния приводит к подстройке угла и яркости smart IR-подсветки

Недостатки стандартной ИК-подсветки:

  • засветка объектива (особенно, если он загрязнен) за счёт отражения ИК лучей светодиодов от атмосферных осадков (таких, как снег, дождь, туман), летающих насекомых, пыли
  • «пересвет» объектов в ближней зоне наблюдения камеры

Лицо человека, подошедшего близко, выглядит просто белым пятном, что затрудняет или вовсе делает его идентификацию невозможной. Нельзя использовать видеокамеры с ИК-подсветкой на 20 метров, если основное движение происходит на расстоянии 2-3 метров от них.

Достоинства адаптируемой («умной», «smart IR») ИК-подсветки:

  • Регулируемый угол подсветки

Благодаря специальным высокоточным линзам инфракрасные светодиоды формируют луч, соответствующий настройке фокусного расстояния камеры, обеспечивая всегда нужное количество света. Благодаря равномерному освещению всего поля зрения камера дает высококачественное малошумное видеоизображение даже при полном отсутствии окружающего освещения.

  • Регулируемая яркость подсветки

Камера автоматически регулирует экспозицию для достижения оптимального качества изображения. Если камера установлена рядом со стеной или углом, может быть целесообразно уменьшить яркость ближайшего к стене или углу светодиода, чтобы не создавать бликов, которые могут пересветить часть изображения. В зависимости от места установки и условий, в которых работает камера (например, наличие внешних источников света в поле обзора), может быть полезна ручная настройка яркости отдельных светодиодов для оптимизации ИК подсветки.

Smart IR в скоростных поворотных PTZ-камерах

За счет использования нескольких светодиодов с разными линзами и разной силой света удается оптимально согласовать освещение с полем зрения и зумом камеры. При панорамировании, наклоне и изменении увеличения форма ИК луча автоматически адаптируется к полю обзора камеры.

Одной из проблем применения встроенной ИК-подсветки является нахождение встроенных светодиодов рядом со светочувствительной матрицей. Тепловыделение светодиодов может приводить к «зашумлению» изображения, формируемого матрицей. Это делает особенно важной задачу охлаждения светодиодов. В современных PTZ-камерах с функцией Smart IR для отвода тепла и поддержания надлежащей температуры светодиодов и матрицы используются тепловые трубки. Такое решение для отвода тепла позволяет сделать купол камеры компактным и малозаметным, что вместе с использованием ближнего инфракрасного света позволяет минимизировать заметность видеонаблюдения.


Основные параметры ИК-подсветки

Для многих камер со встроенной ИК-подсветкой единственным указанным параметром может являться максимальная дистанция подсветки. Это неправильно. Разберем такой пример (чуть утрированный, но не сильно).

Вид с камеры. Весь поток от ИК-подсветки попадает на центральную дальнюю фигуру мужчины
Углы ИК-подсветки и камеры не совпадают (у ИК меньше)

Камера имеет встроенную ИК-подсветку, но угол излучения ИК-прожектора существенно меньше угла обзоры камеры.

Вид с камеры. Весь поток от ИК-подсветки рассеян и едва доходит до ближайшей фигуры мальчика
Углы ИК-подсветки и камеры не совпадают (у ИК больше)

Сам по себе параметр максимальной дальности подсветки мало о чём говорит. Давайте разберемся, что же на самом деле важно знать для корректного сравнения ИК-прожекторов (не важно встроенных в камеру или отдельных устройств).

Важны следующие характеристики ИК-прожекторов:

  • Угол излучения (градус)

Он должен в точности совпадать с углом обзора камеры, чтобы сцена была освещена максимально равномерно и вся мощность излучения использовалась для формирования изображения камеры.

  • Осевая сила излучения (ватт/стерадиан)

Параметр аналогичен параметру силы света (кандел) для прожекторов видимого света. Это сила ИК излучения по оси излучения.

  • Мощность излучения (ватт)

Параметр аналогичен параметру светового потока (люмен) для прожекторов видимого света. Мощность излучения (Вт) пересчитывается в осевую силу излучения через угол излучения.

  • Длина волны ИК-излучения (нм)

Чувствительность матрицы чёрно-белой видеокамеры к ИК излучениям разной длины волны существенно отличается. Чем ближе длина волны ИК-прожектора к видимому спектру, тем спектральная эффективность ИК излучения выше. Но тем заметнее «на глаз» данная подсветка.

Смотреть только на параметр максимальной дистанции подсветки — не имеет никакого смысла.


Дополнительные параметры ИК-подсветки

На дальность наблюдения с использованием ИК-подсветки так же влияют:

  • Параметры чувствительности матрицы
  • Параметры самой наблюдаемой сцены (коэффициент отражения цели наблюдения)

Кроме того, существует ещё ряд вспомогательных параметров, необходимых для корректного расчёта получаемого изображения при моделировании видеонаблюдения с использованием ИК-подсветки (например, в VideoCAD):

  • КПД светодиода (ватт/ватт)

КПД светодиода (ватт/ватт), то есть отношение излучаемой мощности в заданном ИК диапазоне к потребляемой электрической мощности. КПД современных ИК светодиодов составляет 0.06..0.35. Для получения КПД следует разделить полную излучаемую мощность на потребляемую мощность.

Служит для пересчета потребляемой мощности ИК прожестора к мощности излучения.

  • Мощность излучения прожектора (ватт)

Это мощность излучения прожектора в пределах угла излучения (т.е. падающая мощность излучения на единицу поверхности). Мощность излучения прожектора равна сумме мощностей излучения всех светодиодов (если их несколько), умноженной на KПД светильника.

  • Энергетическая освещённость (ватт/м^2)

Параметр аналогичен параметру освещённости (люкс) для прожекторов видимого света.

  • Спектральная эффективность ИК излучения (люмен/ватт)

Коэффициент спектральной эффективности для ИК излучения (люмен/ватт) заданной длины волны и заданного типа матрицы равен величине светового потока (люмен) галогенной лампы накаливания с цветовой температурой Tc=3100K имеющего одинаковую эффективность с ИК излучением заданной длины волны мощностью 1 ватт для заданного типа матрицы. Через коэффициент спектральной эффективности мощность ИК излучения приводится к фотометрическому эквиваленту (это необходимо, так как чувствительность камер измеряется фотометрической величиной — люкс).

Этот параметр определяет насколько попадает спектр излучения ИК прожектора в спектральную чувствительность камеры.

Коэффициенты спектральной эффективности отличаются для разных типов матриц. Цветные камеры практически нечувствительна к инфракрасным осветителям.

ИК-фильтры ослабляют чувствительность в видимой области спектра сильнее, чем в инфракрасной области. В результате матрицы камер день / ночь имеют пониженную чувствительность в видимой области спектра. Но при этом повышенную относительную чувствительность в инфракрасной области.


Альтернативы ИК-подсветке

ИК-подсветка — далеко не единственный способ получать изображение при недостатке освещенности на объекте съемки. Более того, для ряда задач и ряда объектов защиты — ИК-подсветка вообще слабо применима либо неэффективна. Разберем альтернативные варианты.

Охранное освещение в видимом диапазоне

Охранное освещение – система гораздо более интеллектуальная, чем просто наличие света на объекте. Охранное освещение можно включать на отдельных участках, его можно увязывать с датчиками тревожной сигнализации. При этом каждый участок, находящийся в зоне ответственности определенного извещателя или группы извещателей, имеет на вооружении различные варианты оперативного включения или регулирование освещенности.

Достоинства охранного освещения в видимом диапазоне

  • сохранение цветности изображения
  • сохранение высокого контраста изображения
  • отсутствие путаницы между видимыми и ИК изображениями (темные цвета на черно-белом изображении теряют свой цвет после сглаживания контраста)
  • возможность применения камер высокого разрешения с низкой светочувствительностью
  • визуальная идентификация нарушителя и определение его местонахождения на объекте в реальном времени
  • деморализующее действие на нарушителя при быстром включении, резком увеличении яркости света

Применение тепловизионных камер

Слева — изображение с камеры круглосуточного применения со встроенной ИК подсветкой, справа — изображение с тепловизионной камеры, регистрирующей пассивное тепловое излучение

Если стандартные камеры воспринимают видимый свет и ближний ИК диапазон, то тепловизоры фиксируют излучение инфракрасного спектра (тепловое излучение). Получаемое изображение — лишь отчасти напоминает привычное нам, ведь вместо отраженного от предметов света мы видим их тепловое излучение. Это означает, что целевые задачи тепловизионного видеонаблюдения будут отличаться от целевых задач видеонаблюдения.

Достоинства тепловизора:

  • вообще не нуждаются в источниках света, могут снимать в полной темноте (регистрируют естественное тепловое излучение, испускаемое всеми предметами);
  • имеют колоссальную дальность обнаружения, доходящую до нескольких километров;
  • эффективно решают задачи обнаружения;
  • высокая контрастность цели;
  • не боится “засветки” объектива контровым светом;
  • практически не зависит от плохих погодных условиях: дождя, тумана, снега, града и т.п.

Недостатки тепловизора:

  • не подходит для решения целевых задач распознавания и идентификации;
  • высокая стоимость;
  • снижение эффективности при температурах фона, близких к температуре целей наблюдения.

Выводы

ИК-подсветка — один из способов получить изображение при недостаточной освещенности. Этот способ имеет как сильные, так и слабые стороны. Но на практике снижение стоимости технологии привело к повсеместному включению ИК светодиодов в конструкцию камер видеонаблюдения. В технических описаниях камеры обычно можно прочесть лишь максимальную дистанцию ИК-подсветки, без дополнительных характеристик — что не позволяет корректно учитывать ИК-подсветку при планировании / проектировании системы видеонаблюдения.

В последние годы распространение получила технология адаптируемой («smart IR») ИК-подсветки, которая заметно увеличивает эффективность применения, особенно в ближней зоне наблюдения (защита от засветки объектива при переотражении от ближних предметов, а также пересвета самого объекта съемки в ближней зоне наблюдения). Однако в ряде случаев предпочтительным остается использование внешней ИК-подсветки, где нет ограничений в применении числа и мощности светодиодов — что дает больший световой поток на более дальние расстояния. Кроме того, внешняя ИК-подсветка позволяет разнести оси видеокамеры и подсветки чисто физически, что сразу убирает ряд помех: мошкару и насекомых, переотражения от осадков и купола, от предметов в области съемки (стекол, водной поверхности, стен и т.п.).

Во многих случаях эффективнее использовать не ИК-подсветку, а охранное освещение видимого света — если необходимо охранное демонстративное наблюдение. Либо применение тепловизионных камер, если требуется обнаружение объектов на больших расстояниях от камеры при нулевой видимости.




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.