- Вбудована підсвітка в камерах СВН

Принципи роботи, основні параметри, погляд на життєздатність рішень All-in-One

Непогано було б уміти людині бачити вночі так само добре, як і днем. Однак ця ідея по утопічності може позмагатися хіба що з можливістю відростити крила. Точно так же мрії про існування камери, що дає картинку вночі таку ж кольорову і яскраву, як і днем, так і залишаються мріями розробників і споживачів. Здавалося б, технології не стоять на місці і така начебто на перший погляд не найбільша проблема повинна бути вирішена, але немає - все ніяк якість нічного зображення не зрівняється з якістю зображення денного. Чому так, і як взагалі можливо здійснити отримання зображення з камери вночі в непроглядній пітьмі і спробуємо розібратися.

Перше, що спадає на думку, якщо поставити перед собою таке завдання - висвітлити спостережуваний об'єкт штучним світлом, наприклад, газорозрядними лампами. Але, а якщо об'єкт має лінійні розміри 100-200 м або площу близько 10000 м3? Неважко прикинути, що таке підприємство обійдеться недешево. Чи є інші способи? А спосіб є: використовувати прилади інфрачервоного підсвічування. При цьому можна вбити відразу двох зайців: непогано знизити потенційні витрати, заощадивши на проведенні освітлення, витрати електроенергії і не створювати зайвого світла, якого так бояться останнім часом в Європі борці зі світловим забрудненням середовища.

Вся суть ІК-підсвічування полягає в тому, щоб висвітлити спостережуваний об'єкт в темний час доби джерелом інфрачервоного випромінювання. Інфрачервоне випромінювання не видно людському оку, проте, прекрасно фіксується телекамерами. При цьому вибираються такі довжини хвиль, щоб спектр випромінювання знаходився в ближній інфрачервоній зоні (довжина хвилі близько 800-1000 нм: так званий, ближній ІЧ-діапазон), де чутливість матриці ще достатня для отримання монохромного зображення. Чутливість камери до ближнього інфрачервоного випромінювання і забезпечує можливість застосування ІК-підсвічування.

Спектральна чутливість ПЗС-матриць характеризує залежність чутливості матриці від довжини хвилі випромінювання, що приймається. У порівнянні з людським оком спектральна чутливість більшості камер, як правило, більш широка і простягається в інфрачервоний діапазон до довжин хвиль, близько 1000 нм, якщо при виробництві матриць не застосовуються спеціальні фільтри. Таким чином, на відміну від ока, спектральна чутливість якого обмежена видимим діапазоном випромінювання, камера за рахунок свого принципово іншого пристрою здатна реєструвати ще й ближній діапазон ІЧ-випромінювання. На наступному малюнку можна побачити різницю між спектральною чутливістю EXviewHAD -матриці і звичайної "не-EXview». Добре видно, що чутливість EXviewHAD матриці в ІК-області - починаючи з 740нм в два рази вище, ніж у звичайної. Іншими словами: в темряві при освітленні ІК-світлом однієї і тієї ж інтенсивності картинка HAD-матриці буде набагато більш детальної і містити менше шумів, і навпаки - однакова якість картинки буде досягатися при в два рази меншою освітленості об'єкта перед HAD-матрицею.

Спектральна чутливість кольорових камер більш наближена до людського ока. Це пояснюється конструктивними особливостями кольоровий матриці і застосуванням інфрачервоного фільтра, що відтинає інфрачервоне випромінювання. Площа кожної світлочутливої ​​осередку кольорової камери в кілька разів менше, ніж чорно-білої, оскільки кожна така осередок - тріада, складається з трьох світлочутливих суб'ячеек, що відповідають трьом колірним складовим зображення: синьої, зеленої та червоної. Відповідно, при однакових розмірах чорно-білого та кольорового матриці, остання буде мати меншу площу суб'ячейкі. До того ж кожна суб'ячейка кольоровий матриці має свій світлофільтр: зелений, червоний або синій, який послаблює загальний світловий потік, спрямований до матриці. В результаті, для кольорових телекамер характерні менша чутливість в порівнянні з чорно-білими камерами і відсутність чутливості в інфрачервоній частині спектра.

Для кольорових камер, використовуваних в системах телевізійного спостереження, що працюють у видимій частині спектру, приймаються спеціальні заходи (використання інфрачервоних фільтрів) щодо обмеження спектральної характеристики і приведення її до видимої частини спектра. При відсутності перед об'єктивом камери фільтра, що затримує ІЧ-спектр, погіршення якості картинки стане відразу ж помітно у вигляді погіршення контрасту, появи шумів і добре помітного спотворення передачі кольору. У камерах типу день-ніч також застосовується рішення у вигляді механічного ІК-фільтра: вдень при достатньому освітленні він встановлений і камера знімає в видимому діапазоні, а вночі, коли бракує освітлення, камера переходить в чорно-білий режим, фільтр знімається і включається ІК -підсвічування.

Конструктивно інфрачервоний фільтр являє собою невелику пластинку зі скла або будь-якого світлопрозорого полімеру з нанесеним на нього шаром, що поглинає ІЧ-випромінювання. В кінці-кінців фільтр може являти собою просто тонку плівку відбиває інфрачервоне випромінювання матеріалу, нанесеного на лінзи оптики камери або на саму ПЗС-матрицю.

На наступному малюнку представлена ​​залежність коефіцієнта пропускання від довжини хвилі світла типового ІК-фільтра. Видно, що максимум пропускної здатності (близько 85-90%) припадає на видимий спектр, а мінімуми - на ближній інфрачервоний і ультрафіолетовий діапазони, де відбувається ослаблення ІЧ-спектра в 10-15 разів.

Основні властивості і параметри інфрачервоних освітлювачів в складі систем відеоспостереження.

Розглянемо коротко основні характеристики світлодіодів, що визначають параметри інфрачервоних випромінювачів, до складу яких вони входять.

Прилади з інфрачервоним випромінюванням описуються тими ж характеристиками, що і інші джерела світла. Одним з основних цікавлять нас параметрів світлодіода є довжина хвилі випромінюваного ІК-світла. Оскільки ПЗС-матриці зазвичай мають спад чутливості зі збільшенням довжини хвилі до області інфрачервоного діапазону, то зазвичай вибирають світлодіоди, основна випромінювальна здатність яких припадає на довжину хвилі 850 нм. При цьому у цих світлодіодів можна помітити червонувате світіння в темряві, тому що їх спектральна характеристика частково потрапляє в область видимого спектру. Повністю невидимим випромінюванням мають світлодіоди з максимумом спектральної характеристики, а саме в 930-950 нм. Якщо при організації відеоспостереження немає необхідності організації прихованої ІК-підсвічування, то, звичайно ж, не варто прагнути встановлювати освітлювачі діапазону 930-950 нм, т. К. Чутливість матриць в цій області нижче, ніж в області 830-850нм.

Осьова сила світла, яка вимірюється в канделах - один з важливих параметрів, т. К. Багато в чому визначає ще один параметр - дальність освітлення. Дальність підсвічування цілого пристрою, що складається з безлічі світлодіодів можна збільшити як застосуванням більш потужних світлодіодів, так і збільшенням їх кількості. Однак, факти говорять, що збільшення кількості світлодіодів, так само як і збільшення струму, що проходить через кожен світлодіод ІЧ-підсвічування, призводить до збільшення дальності виявлення тільки до певного моменту - досягнення так званої «області насичення». Дальність підсвічування можна оцінювати, наприклад, як відстань від випромінювача до вертикальній площині, що визначається з умови мінімальної освітленості, рівний 2 лк, точки перетину площини і осі випромінювача (для камери з чутливістю не гірше 0,1 лк).

Визначення дальності підсвічування інфрачервоного випромінювача.

Інфрачервоний освітлювач має таку властивість як розподіл світлового потоку в просторі, яке можна представити у вигляді діаграми просторового розподілу сили світла (діаграма спрямованості). Дана діаграма показує частку випромінюваної енергії в обраному напрямку від загальної інтенсивності. Простіше кажучи, ця діаграма говорить про те, наскільки ефективно випромінювач концентрує світлову енергію в потрібному напрямку і, по можливості, менше розсіює її інших напрямках. Кут випромінювання джерела освітлення визначається по діаграмі спрямованості як кут, утворений променями, що виходять з точкового джерела, що проходять через точки перетину діаграми спрямованості і лінії, що визначає рівень половини відносної осьової сили світла.

Точну діаграму просторового розподілу сили світла можна побудувати, використовуючи спеціальний прилад, т.зв. гоніометр. Грубу діаграму спрямованості можна отримати з використанням фотодатчика, вручну обертаючи його в горизонтальній площині по радіусу кола, в центрі якої знаходиться світлодіод, і реєструючи рівень виходу і кут повороту датчика. Однак на високу точність такого методу розраховувати не доводиться.

Якщо ж розглядати не весь випромінювач цілком, а тільки один окремо взятий діод, то типова діаграма спрямованості для нього буде виглядати, приблизно, в такий спосіб.

Деякі виробники світлодіодів надають приблизно таку або схожу картинку в якості графічного представлення діаграми спрямованості світлодіода. Відхилення в геометрії лінзи, похибки, внесені в ході виробництва, і старіння матеріалу корпусу з часом, можуть суттєво зашкодити оптичні властивості світлодіодів. Варто враховувати, що нерівномірність діаграми спрямованості ІЧ-випромінювача знаходиться в сильній залежності від конструкції випромінювача, якості його виробництва і кута випромінювання світлодіодів.

Окрема тема для обговорення, це довговічність світлодіодів або час їх напрацювання на відмову. Бажано, звичайно, щоб це брешемо було не менше розрахункового терміну служби камери. Термін служби - важливий (і хворий) експлуатаційний параметр напівпровідникових джерел світла. Тут можна розрізнити два критерії: повний (поки прилад повністю не вийде з ладу) і корисний (поки світловий потік не впаде нижче певної межі) терміни служби. Проектуючи ІК-освітлювачі, не можна забувати про їх подальшої експлуатації, зокрема, про можливість заміни ІК-блоку підсвічування в вуличних камерах.

Основні причини виходу з ладу та скорочення терміну служби ІК-діодів

Деградація активної області

Випромінювання світла в светодиоде відбувається в результаті рекомбінації інжектованих носіїв в активній області. Зародження і зростання дефектів кристалічної решітки напівпровідника, призводить до його деградації. Фізичні процеси, що відбуваються в напівпровіднику (висока щільність инжектированного струму і пов'язаний з нею розігрів напівпровідника) неминуче прискорюють розвиток дефекту. Але так як дефекти кристалічної решітки присутні у всіх напівпровідникових приладах, то розвитку деградації активної області піддаються всі світлодіоди. Підвищений напругу живлення значно сприяють цьому.

термічна деградація

Кількість тепла, що виділяється при роботі ІЧ-світлодіодів, вимагає їх монтажу на радіатор. Перегрів напівпровідника веде до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду (електронів в p-області і дірок в n-області), що утворюють зворотний струм, сильно залежить від температури. Безконтрольне зростання температури може стати причиною виходу з ладу напівпровідника світлодіода внаслідок теплового пробою. Тривала робота при підвищеній температурі призводить до термічного руйнування кристалічної структури напівпровідника через лавиноподібного збільшення числа міграцій атомів з одних областей в інші.

електростатичний розряд

Напівпровідники дуже чутливі до електростатичного розряду. Пошкодження електростатичним розрядом може проявлятися як раптова відмова або внутрішнє пошкодження, що приводить до швидкого виходу з ладу в процесі подальшої експлуатації. Згідно з існуючими нормативами, чутливість світлодіодів до електростатичного розряду повинна бути не менше 100 В. Пробій через статичну розряду може виявитися істотною проблемою для світлодіодів, що використовуються в ІК-освітлювачах, оскільки кабель живлення може збирати на себе статичну електрику під час грози, а ніяких розрядників виробниками для ІК-підсвічування зазвичай не передбачається.

З вищесказаного можна зробити наступні висновки. Для збільшення терміну служби і запобігання виходу з ладу світлодіодів інфрачервоного підсвічування (та й взагалі будь-яких світлодіодів) необхідно дотримуватися тепловий режим їх роботи (використовувати термоізоляцію блоків ІК-підсвічування, стабілізувати номінальна напруга живлення) і забезпечити захист від стрибків, викликаних статичною електрикою.
Більшість поставляються сьогодні промисловістю світлодіодів в різному ступені деградує протягом декількох років, незважаючи на те, що виробники зазвичай гарантують термін служби своїх світлодіодів близько 100000 годин або близько 11 років безперервної роботи. Однак це всього лише теоретичні розрахунки, в яких передбачається, що діод буде працювати в «тепличних» умовах. На ділі ж все набагато складніше. Досвід аналізу численних відмов пристроїв ІЧ-підсвічування дозволив зробити деякі досить приблизні висновки. Мабуть, найбільш деструктивними факторами є невисока якість збірки або виробництва, температура і нестабільність напруги живлення. Якість збірки відсотків на 40 визначає довговічність роботи, гранична і підвищена температура ще на 30% скорочує термін служби світлодіода, нестабільність напруги живлення забирає 20% від розрахункового терміну експлуатації. Такі фактори, як дефекти в кристалічній решітці напівпровідника, електростатичні розряди, втома матеріалу і всілякі механічні напруги в приладі складним чином впливають на термін служби світлодіода, і врахувати їх не представляється можливим, але все в сумі вони дають решту 10% надійності.

Доцільність застосування камер день / ніч спільно з вбудованою ІЧ-підсвіткою

Підсумовуючи вищевикладене, і поки що, не звертаючи уваги на ресурс і деякі можливі підводні камені ІК-підсвічування, відзначимо деякі важливі факти.

Нічне відеоспостереження із застосуванням окремих світлодіодних ІК-прожекторів взагалі і вбудованої підсвічування (знову ж таки - світлодіодним) в камерах "All-in-one", мабуть, є найприйнятнішим за сукупністю критеріїв якість зображення / ціна, якщо порівнювати з камерами з накопиченням і застосуванням штучного освітлення. Знову ж таки, якщо навіть камера з накопиченням і буде давати подібне за якістю статичне зображення, то її застосування там, де необхідно проводити зйомку рухомих об'єктів, взагалі позбавлене сенсу через її здатності перетворювати рухомі об'єкти в напівпрозорі привиди.

Якщо ж порівнювати спостереження із застосуванням ІЧ-підсвічування як альтернативу спостереження при використанні штучного освітлення, то з економічної точки зору перший спосіб поза конкуренцією: вартість витрат на обладнання освітлення і енергоспоживання набагато в кілька разів вище (якщо не на порядок), ніж застосування камер з ІК-підсвічуванням. Простий підрахунок: на довжині периметра 100м можна поставити, наприклад, 3 ліхтаря по 500 Вт або 4-5 ІК-освітлювачів по 10-15 Вт: економія очевидна.

Прихована підсвічування не привертає увагу до прихованої ж відеокамері, що дозволяє успішніше протистояти, наприклад, навмисної крадіжці обладнання.

Необхідно, також, виділити дві умови застосування ІК-підсвічування. В одному з них допустимо демаскує світіння самих джерел випромінювання. При цьому можливе застосування випромінювачів з довжиною хвилі 920, 880 і 850 нм. Практично всі світлодіоди, що випромінюють в області 840-880 нм, мають досить інтенсивну видиму складову світло-червоного кольору, особливо при максимальних токах. В іншому випадку потрібно безумовна невидимість самого випромінювача навіть при прямому візуальному спостереженні його з близької відстані. Для цього застосовуються випромінювачі з довжиною хвилі 930..950 нм. Але потрібно враховувати, що чутливість ПЗС-матриці вище до довжин хвиль 840-880 нм вище, ніж до довжин 930-950, тому при інших рівних умовах використання освітлювачів діапазону 840-880 нм буде краще.

Що стосується порівняння зовнішньої підсвічування и ІК-прожекторів, вбудований в кожух камери, то тут не все так однозначно. Інфрачервоний прожектор может дати більш потужній и рівномірній потік випромінювання, в тій же година спожіває более потужності, требует додаткової установки, некомпактен. Вбудована підсвітка компактна, що не требует Додатковий монтажу и Досить економічна. Альо прітаманні їй и суттєві недоліки: при питань комерційної торгівлі условиях вбудований джерело підсвічування может створюваті відбліскі и засвічення об'єктива камери, а просторова Розподіл світла может залішаті бажати кращий. Ще один цікавий факт - узгодженість роботи підсвічування і камери. У камерах «all-in-one» як правило, ІК-блок і механічний світлофільтр працюють узгоджено: включення підсвічування і зняття фільтра відбуваються одночасно. У той час як окремий ІК-прожектор з вбудованим фотодатчиком може включитися пізніше зняття фільтра в камері - тоді на якийсь час камера «сліпне» в темряві.

Розглянемо як приклади реалізації камер All-in-one різні типові рішення присутні сьогодні на ринку.

Найпростіший тип камери з ІК-підсвічуванням інакше, як іграшкою не назвеш - 6 світлодіодів через малу випромінюваної потужності і неузгодженості діаграми спрямованості нічим не можуть похвалитися на відстані більше 2 - 3 м і то - тільки для центральної частини кадру. Коротше кажучи - імітація наявності підсвічування.

Зараз, судячи з реклами в каталогах CCTV обладнання, досить широко поширені камери в кожухах, наприклад, як на малюнку нижче

За загальним з камерою склом розташовується освітлювач з декількох десятків ІК-діодів, воно ж і є головним мінусом такої конструкції: частина ІЧ-випромінювання неминуче потрапить в об'єктив за рахунок всіляких перевідбиттів всередині кожуха, і, чим якісніше підігнані деталі камери і світлозахисну бленди, тим менше буде засвічення.

Ще більші проблеми із засвіченням можуть виникнути в процесі експлуатації у зовнішніх герметичних купольних телекамер з вбудованою ІЧ-підсвічуванням. У таких камер складно домогтися щільного контакту об'єктива з напівсферичним куполом, а сам купол являє собою монолітну півсферу, у якій частині загального скла, закривають об'єктив і блок підсвічування ніяк не розділені для запобігання засвічення камери. Через якийсь час пил і бруд, що осів на куполі, стануть додатковим джерелом засвічення, відображаючи інфрачервоне світло назад - в об'єктив, і через пару місяців споживач в подиві буде спостерігати світіння брудного скла замість картинки.

Інший негативний фактор вбудованого освітлювача - заважає зворотне розсіювання середовища при високій її щільності: снігу або дощу. Найпростішим методом мінімізації цього заважає фактора є застосування розподіленої підсвічування - окремих освітлювачів, що створюють рівномірний світлове поле в області огляду камери.

В цілому, з наведених вище міркувань, можна зробити висновок про те, що при всій зручності використання вбудованої ІК-підсвічування для телекамер, її можна рекомендувати лише для вирішення простих і не дуже відповідальних завдань. У випадках же, де до відеоспостереження в нічний час або в умовах недостатнього освітлення пред'являються підвищені вимоги найбільш виправдано використання окремих освітлювачів з діаграмами спрямованості, узгодженими з полем зору телекамери. Точно так же для створення відносно рівномірного світлового потоку і зменшення зворотного розсіювання середовища доцільно використовувати зовнішні освітлювачі, що розташовуються поруч (зазвичай симетрично з боків) з камерою.

Останнім часом виробники вуличних камер «All-in-One» в умовах конкурентної боротьби за ринок цілком зрозуміло намагаються удосконалювати свої продукти в напрямку поліпшення якості зйомки камер в нічному режимі при використанні інфрачервоної освітлення. Одним з таких напрямків є застосування технології адаптивної підсвічування, покликаної нівелювати засвічення близько розташованих до камери об'єктів зйомки. Однією з перших в лінійці своїх камер Monalisa адаптивну підсвічування реалізувала компанія CNB. Суть її досить проста: за рівнем освітленості об'єкта, що спостерігається регулюється сила світла вбудованого ІК-освітлювача, тобто утворюється своєрідна оптична зворотний зв'язок між матрицею і блоком підсвічування.

Нами був проведений невеликий тест в порівнянні двох камер, одна з яких використовує технологію адаптивної підсвічування, а інша обладнана нерегульованим ІК-освітлювачем. У якості піддослідних були вибрані камери корейського виробника CNB: CNB WCL-21S і CNB B-2310PWF. Короткі цікавлять нас характеристики камер представлені в наступній таблиці.

Перевірка проводилася в ізольованому від зовнішніх джерел світла абсолютно темному приміщенні.

Як показали випробування (на малюнках нижче), камера з адаптивною підсвіткою дає суттєву перевагу перед камерою з нерегульованим блоком підсвічування, дозволяючи однозначно ідентифікувати особу стоїть перед нею людини ціною невеликого зниження яскравості заднього плану.

Рішеннями з адаптивною підсвіткою зараз поступово наповнюються і лінійки відеокамер інших виробників, наприклад, одного з корейських лідерів ринку систем відеоспостереження, компанії Samsung.

Підіб'ємо остаточний підсумок нашим міркуванням про проблеми застосування інфрачервоного підсвічування в системах відеоспостереження.

Найкращим способом реалізації відеоспостереження в нічний час і в умовах низької освітленості можна вважати використання зовнішніх ІК-прожекторів і освітлювачів, але далеко не завжди воно буде оптимальним. Звичайно, системи «All-in-One», що використовують найпростіші ІК-освітлювачі не є найсерйознішим рішенням цієї проблеми, але, мабуть, є найбільш оптимальним при обліку такого фактора як ціна / якість, оскільки дозволяють отримати прийнятну якість картинки з мінімумом витрат на нього в більшості випадків. Слід також враховувати, що індустрія не стоїть на місці і пропонує нові життєздатні рішення, до таких такі як, наприклад, адаптивна підсвічування. А це дозволяє сказати, що системи «All-in-One», незважаючи на властиві їм недоліки, в доступному для огляду майбутньому будуть користуватися високою популярністю.

література

1. Чура Н.І. Деякі аспекти застосування ІК-підсвічування при відеоспостереження // Спеціальна техніка. 2002. №3. С. 35-39.
2. Чура Н.І. Деякі аспекти застосування ІК-підсвічування при відеоспостереження // Спеціальна техніка. 2003. №5. С. 35-38.
3. Никифоров С. Г. Проблеми, теорія і реальність світлодіодів для сучасних систем відображення інформації екстра-класу // Компоненти та технології. 2005. №5. С. 48-57.
4. Никифоров С. Г. Чому світлодіоди не завжди працюють так, як хочуть їх виробники? // Компоненти та технології. 2005. №7. С. 16-24.
взято з http://www.os-info.ru