Раздел: СТОП-КАДР Тема: Комплексные системы безопасности Автор: Кухаренко Максим, инженер компании "Арсенал Безопасности"
Современные тенденции развития и применения инфракрасной подсветки в камерах видеонаблюдения
Неплохо было бы 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 создание камеры, дающей ночью такую же цветную и яркую картинку, как и днем, ос-тается мечтой разработчиков и потребителей. Казалось бы, технологии не стоят на месте и такая на первый взгляд не самая большая проблема должна быть разрешена, но нет, качество ночного изображения даже сравниться не может с картинкой, которую камеры дают днем. Возможно ли получение изображение с камеры в кромешной ночной тьме? Попробуем разобраться. Первое, что приходит в голову, – осветить наблюдаемый объект искусственным светом, например, газоразрядными лампами. А если объект имеет линейные размеры 100–200 м или площадь порядка 2000 м2? Нетрудно прикинуть, что такое предприятие обойдется недешево. Есть ли другие способы? Есть: использовать приборы инфракрасной подсветки. При этом можно убить сразу двух зайцев: снизить потенциальные затраты, сэко-номив на проведении освещения, расходах электроэнергии, и не создавать лишнего света, которого так боятся в последнее время в Европе борцы со световым загрязнением среды. Суть ИК-подсветки состоит в том, чтобы осветить наблюдаемый объект в темное время суток источником инфракрасного излучения. Инфракрас-ное 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 чув-ствительность матрицы еще достаточна для получения монохромного изображения. Чувствительность камеры к ближнему инфракрасному излу-чению и обеспечивает возможность применения ИК-подсветки (рис. 1).
Рис. 1 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 инфракрас-ный 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 устрой-ства способна регистрировать еще и ближний диапазон ИК-излучения. На рисунке 2 можно увидеть разницу между спектральной чувствительно-стью EXviewHAD матрицы и обычной «не-EXview». Хорошо видно, что чувствительность EXviewHAD матрицы в ИК-области начиная с 740 нм в два раза выше, чем у обычной. Другими словами, в темноте при освещении ИК-светом одной и той же интенсивности картинка HAD-матрицы бу-дет намного более детальной и содержать меньше шумов, и, наоборот, одинаковое качество картинки будет достигаться при в два раза меньшей освещенности объекта перед HAD-матрицей.
Рис. 2 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, которая 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 и работающих в видимой части спектра, принимаются специальные меры (использование инфракрасных фильтров) по ограничению спектральной характеристики и приведению ее к видимой части спектра. При от-сутствии перед объективом камеры фильтра, задерживающего ИК-спектр, ухудшение качества картинки станет сразу же заметно: уменьшается контраст, появляются шумы и 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 недостает 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 из отражающего инфра-красное излучение материала, нанесенного на линзы оптики камеры или на саму ПЗС-матрицу. На рисунке 3 представлена зависимость коэффициента пропускания от длины волны света типичного ИК-фильтра. Видно, что максимум пропуск-ной способности (около 85–90%) приходится на видимый спектр, а минимум – на ближний инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны, где происходит ослабление ИК-спектра в 10–15 раз.
Рис. 3 Основные свойства и параметры инфракрасных осветителей в составе систем видеонаблюдения Рассмотрим основные характеристики светодиодов, определяющие параметры инфракрасных излучателей, в состав которых они входят. Приборы с инфракрасным излучением обладают 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 увели-чением длины волны к области инфракрасного диапазона, то обычно выбирают светодиоды, основная излучательная способность которых прихо-дится на длину волны 850 нм. У этих светодиодов можно заметить красноватое свечение в темноте, потому что их спектральная характеристика частично попадает в область видимого спектра. Полностью невидимым излучением обладают светодиоды с максимумом спектральной характери-стики, приходящимся на 930–950 нм. Если при организации видеонаблюдения нет необходимости организации скрытой ИК-подсветки, то, конеч-но же, не стоит стремиться устанавливать осветители диапазона 930–950 нм, так как чувствительность матриц в этой области ниже, чем в области 830–850нм. Осевая сила света, измеряемая в канделах, во многом определяет еще один параметр – дальность освещения. Дальность подсветки целого устрой-ства, состоящего из множества светодиодов, можно увеличить как применением более мощных светодиодов, так и увеличением их количества. Однако увеличение количества светодиодов, равно как и увеличение тока, проходящего через каждый светодиод ИК-подсветки, приводит к уве-личению дальности обнаружения только до определенного момента – достижения так называемой области насыщения. Дальность подсветки (рис. 4) 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).
Рис. 4 Определение дальности подсветки инфракрасного излучателя. Инфракрасный осветитель обладает таким свойством, как распределение светового потока в пространстве, которое можно представить в виде диа-граммы (рис. 5) пространственного распределения силы света (диаграмма направленности). Данная диаграмма показывает долю излучаемой энер-гии в выбранном направлении от общей интенсивности. Иными словами, насколько эффективно излучатель концентрирует световую энергию в нужном направлении и по возможности меньше рассеивает ее в других направлениях. Угол излучения источника освещения определяется по диа-грамме направленности как угол, образованный лучами, выходящими из точечного источника, проходящими через точки пересечения диаграммы направленности и линии, определяющей уровень половины относительной осевой силы света.
Рис. 5 Точную диаграмму пространственного распределения силы света можно построить, используя специальный прибор – гониометр. Грубую диа-грамму направленности можно получить с использованием фотодатчика, вручную вращая его в горизонтальной плоскости по радиусу окружно-сти, 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 (рис. 6).
Рис. 6 Некоторые производители светодиодов предоставляют примерно такую или похожую картинку в качестве графического представления диаграм-мы направленности светодиода. Отклонения в геометрии линзы, погрешности, внесенные в ходе производства, и старение со временем материала корпуса могут существенно затронуть оптические свойства светодиодов (рис. 7). Стоит учитывать, что неравномерность диаграммы направленно-сти ИК-излучателя находится в сильной зависимости от конструкции излучателя, качества его производства и угла излучения светодиодов.
Рис. 7 Отдельная тема для обсуждения – долговечность светодиодов или время их наработки на отказ. Желательно, конечно, чтобы это время 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 опре-деленного предела) сроки службы. Проектируя ИК-осветители, нельзя забывать об их дальнейшей эксплуатации, в частности, о возможности за-мены 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 дефек-тов кристаллической решетки полупроводника приводит к его деградации. Физические процессы, происходящие в полупроводнике (высокая плотность инжектированного тока и связанный с ней разогрев полупроводника), неизбежно ускоряют развитие дефекта. Но так как дефекты кри-сталлической решетки присутствуют во всех полупроводниковых приборах, то развитию деградации активной области подвержены все светодио-ды. 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 не основных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области), образующих обратный ток, сильно зависящий от тем-пературы. 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 вне-запный отказ или внутреннее повреждение, приводящее к быстрому выходу из строя в процессе последующей эксплуатации. Согласно сущест-вующим нормативам чувствительность светодиодов к электростатическому разряду должна быть не менее 100 В. Пробой из-за статического раз-ряда 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 инфра-красной 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 100 000 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. Анализ многочисленных отказов устройств ИК-подсветки позволил сделать следующие 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 пи-тающего 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 служ-бы 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 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 качеством изображения/цена, если сравнивать с камерами с накоплением и применением искусственного освещения. Опять же даже если камера с накоплением и будет давать подобное по качеству статич-ное 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 рассматривать 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 в несколько раз (если не на порядок) выше, чем применение камер с ИК-подсветкой. Простой подсчет: на длине периметра 100 м 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 обо-рудования. Необходимо также, выделить два условия применения ИК-подсветки. Во-первых, допустимо демаскирующее свечение самих источников излуче-ния. При этом возможно применение излучателей с длиной 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. Во-вторых, требуется безусловная невидимость самого излучателя даже при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излуча-тели с длиной волны 930–950 нм. Но нужно учитывать, что чувствительность ПЗС-матрицы к длинам волн 840–880 нм выше, чем к длинам 930–950 нм, 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 однозначно. Инфракрасный прожектор может дать более мощный и равномерный поток излучения, но в то же время потребляет больше мощности, требует дополнительной установки, некомпактен. Встроенная подсветка компактна, не требует дополнительного монтажа и достаточно экономична. Но при определенных условиях встроенный источник подсветки может создавать блики и засветку объектива камеры, а пространственное распределение света зачастую оставляет желать лучшего. Еще один интересный факт: согласованность работы подсветки и камеры. В камерах All-in-One, как правило, ИК-блок и механи-ческий 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 имеют малую излучаемую мощность и несогласо-ванную диаграмму направленности, поэтому такая подсветка эффективна на расстоянии более 2–3 м, и то только для центральной части кадра. Сейчас достаточно широко распространены камеры в кожухах. За общим с камерой стеклом располагается осветитель из нескольких десятков ИК-диодов, это стекло и является главным минусом такой конструкции: часть ИК-излучения неизбежно попадет в объектив за счет всевозможных пе-реотражений 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 моно-литную 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 рассеивание среды при высокой ее плотности: снега или дождя. Простейшим методом его минимизации является применение распределенной подсветки – отдельных осветителей, создающих равномерное све-товое поле в области обзора камеры. В целом 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 оправданно использование отдельных осветителей с диаграммами направленно-сти, согласованными с полем зрения телекамеры. Точно так же для создания относительно равномерного светового потока и уменьшения обратно-го рассеивания 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 улучшают качество съемки камер в ноч-ном режиме при использовании инфракрасного освещения. Одним из таких направлений является применение технологии адаптивной подсветки, призванной нивелировать засветку близко расположенных к камере объектов съемки. Суть ее проста: по уровню освещенности наблюдаемого объекта регулируется сила света встроенного ИК-осветителя, т. е. образуется своеобразная оптическая обратная связь между матрицей и блоком подсветки. Подведем итог. Наилучшим способом реализации видеонаблюдения в ночное время и в условиях пониженной освещенности можно считать ис-пользование внешних ИК-прожекторов и осветителей. Системы All-in-One, использующие простейшие ИК-осветители, пожалуй, являются наибо-лее оптимальным выбором, если учитывать соотношение цены и качества. К тому же индустрия не стоит на месте и предлагает новые жизнеспо-собные решения, такие, как, например, адаптивная подсветка. А это позволяет надеяться, что системы All-in-One, несмотря на присущие им не-достатки, в обозримом будущем будут пользоваться высокой популярностью. Литература Чура Н. И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2002. № 3. С. 35–39. Чура Н. И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2003. № 5. С. 35–38. Никифоров С. Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества // Компонен-ты и технологии. 2005. № 5. С. 48–57. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // Компоненты и технологии. 2005. № 7. С. 16–24.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: