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.

Взято с http://www.os-info.ru