Принцип действия
Инфракрасное излучение, применяемое для систем видеонаблюдения, относится к так называемой ближней области инфракрасного спектра. Видимое излучение, часто называемое светом, — это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Оно характеризуется длинами волн в диапазоне от 380 нм с энергией 3,1 эВ до 760 нм с энергией 1,6 эВ. То есть, чем больше длина волны излучения, тем меньше его энергия. Максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зеленой» области 550 нм, на которую приходится максимум чувствительности глаза. Инфракрасное излучение невидимо человеческому глазу. Оно делится на коротковолновое с длиной волны – 0,76-2,5 мкм (ближняя область ИК-спектра), средневолновое – 2,5-50 мкм и длинноволновое - 50-2000 мкм (дальняя область ИК-спектра).
Исходя из ряда соображений, для регистрации видимого излучения выбран кремний (Si) — один из самых распространенных на Земле материалов. Ширина его запрещенной зоны составляет 1,1 эВ, а максимум спектральной характеристики расположен на 0,85 мкм, т.е. в ближней области ИК-спектра. Фоточувствительные матрицы на его основе применяются в камерах видеонаблюдения. Именно возможность использования кремниевых матриц в качестве фоточувствительного элемента камер видеонаблюдения позволила сделать цены на это оборудование доступными, а применение - широким.
При выборе видеокамер, работа которых предполагается с использованием ИК-подсветки, предпочтение следует отдавать камерам с матрицей SONYExView HAD ПЗС, не из-за чувствительности вообще, а из-за повышенной чувствительности в ИК-диапазоне. С учетом общего увеличения чувствительности, эти камеры более эффективны при использовании ИК-подсветки.
Необходимо наглядно проиллюстрировать еще одну широко известную, но немаловажную деталь. Для работы с ИК-подсветкой необходимо выбирать черно-белые камеры. В случае использования камер типа «день-ночь», необходимо выбирать камеры с механическим ИК-фильтром.
В обычных цветных камерах, предназначенных для работы днем при высоких освещенностях, установлены ИК-фильтры, защищающие чувствительный элемент от засветок.
Для ИК-подсветок применяются излучающие устройства, имеющие максимум спектральной характеристики на длине волны 0,75 мкм и, имеющие максимум на длине волны 0,83 мкм. На жаргонном лексиконе инсталляторов подсветка с максимумом на длине волны 0,75 мкм называется «видимой», а именно красной. Это не потому, что человеческий глаз вдруг увидел инфракрасное излучение, а потому, что создать излучатель с монохроматическим спектром излучения невозможно. Спектральная характеристика любых излучателей включает в себя несколько длин волн. Излучение с длиной волны 0,75 мкм фиксируется человеческим глазом как красное, а рабочим инфракрасным излучением (которое нас в данном случае интересует) является область спектральной характеристики с длиной волны более 0,76 мкм.
Следовательно, если инсталлятору важна скрытость, незаметность ИК-подсветок, то надо выбирать невидимые подсветки, имеющие максимум на длине волны 0,83 мкм. Если это не столь важно, то можно применить ИК-подсветки, имеющие максимум спектральной характеристики на длине волны 0,75 мкм.
Как и в любой технической проблеме, здесь существует вторая сторона вопроса. Понятно, что чем больше длина волны излучения, тем меньше его энергия. А значит, излучение с большей длиной волны при тех же равных условиях будет действовать на меньшее расстояние, охватывать меньший угол, чем излучение с меньшей длиной волны.
Таким образом, инфракрасная подсветка с меньшей длиной волны предпочтительнее (с точки зрения эффективности подсветки). В то же время, светодиоды (излучатели) с длиной волны менее 850 нм заметны невооруженным глазом. Все это означает что при работе на небольших расстояниях (до 10-15 м) применение ИК-прожекторов с длиной волны излучения 870 нм с целью скрыть подсветку не всегда подходит. Поэтому приходится идти на компромисс между эффективностью (870 нм) и незаметностью, скрытностью (930-950) нм.
При использовании инфракрасных прожекторов на больших расстояниях и при малых углах излучения важнее эффективность, так как визуально найти такие прожектора затруднительно. Черно-белые видеокамеры, совместимые с ИК-подсветкой, «видят» в ИК-спектре, но несколько хуже, чем в видимом спектре, и с ростом длины волны их чувствительность уменьшается. Таким образом, инфракрасная подсветка с меньшей длиной волны предпочтительнее (с точки зрения эффективности подсветки). В то же время светодиоды (излучатели) с длиной волны 870 нм заметны невооруженным глазом.
При одинаковом ценовом уровне подсветка, действующая на большее расстояние, захватывает меньший угол. Подсветка с меньшей длиной волны имеет больший радиус действия или захватывает больший угол, чем подсветка с большей длиной волны для аппаратуры одинакового ценового диапазона.
Вообще, в качестве инфракрасных излучателей применяются или галогенные осветители или светодиоды и лазеры. Следует отметить, что при высокой мощности галогенного осветителя 300-500 Вт, его срок службы невелик (1000-2000 часов). ИК-светодиоды и лазерные ИК-диоды имеют существенно больший срок службы. Однако следует отметить, что при современном высочайшем уровне развития полупроводниковой электроники, ресурс службы твердотельных излучающих диодов существенно меньше, чем у всей остальной элементной базы. Это одна из немногих нерешенных проблем в современной полупроводниковой электронике. Поэтому, приобретая дешевые камеры с встроенными диодами, можно быть уверенными, что максимум через год службы сама камера будет функционировать исправно, а излучающие ИК-диоды выйдут из строя.
Объективы для систем видеонаблюдения с ИК-подсветкой
Фокусные расстояния для ИК-излучения и видимого света несколько различаются, так как длина волны инфракрасного излучения больше, чем длина волны видимого излучения. Поэтому ИК-излучение имеет меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного изображения обычно размещается позади плоскости матрицы. Если днем изображение резкое, то в ночное время при использовании ИК-подсветки объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. То есть, некоторые части изображений, полученные в инфракрасном и видимом свете, могут оказаться расфокусированными. При прочих равных условиях этот эффект более заметен при использовании дешевой пластиковой оптики. Чтобы минимизировать этот эффект применяются специальные объективы с ИК-коррекцией в черно-белых камерах и камерах день-ночь, особенно в случае использования ИК-подсветки. Это дорогостоящие объективы.
Существует более практичное и общее решение. Нужно настроить задний фокус объектива видеокамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а все объекты окажутся в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете. В случае использования черно-белой телекамеры с некоторым запасом по чувствительности, можно фильтром выделить только ИК-излучение и по нему осуществить фокусировку.
Для компенсации этих искажений можно использовать ручное или автоматическое изменение фокусировки объектива для различных режимов.
Особенности изображения, полученного с помощью ИК-подсветки
Изображение, полученное с помощью ИК-подсветки, несколько отличается от обычного видеоизображения. Растения отражают ИК-свет, так что изображение деревьев, лужаек и другой растительности в поле зрения ПЗС-видеокамеры с ПК-чувствительностью имеет высокую яркость. Это приводит к ошибке наблюдателя, принимающего ночные изображения за дневные. Кроме того, отраженный ИК-свет может поднимать уровень яркости заднего плана до уровня, где действительно ярко, что будет значительно влиять на восприятие изображения.
Человеческая кожа отражает существенное количество ИК-излучения, но кровеносные сосуды, волосяной покров, а также ткани и части тела с высокой цветовой плотностью, типа шрамов, поглощают ИК-излучение. Черты лица при ИК-подсветке часто кажутся искаженными.
Различные косметические изделия и крашеные волосы отражают ИК-свет по-разному, что может путать и нарушать идентификацию при использовании ИК-изображений. Очки создают сильнейшее искажение.
Кроме того, различия в отражающей способности ИК-излучения вызывается одеждой, различными тканями (способом их изготовления и окраской). Все это может создать серьезные искажения в полученных изображениях, препятствуя идентификации объектов.
Пыль, дождь, туман, летающие насекомые, стеклянные окна в высоких зданиях, кафель или краска, заснеженная земля, пустынная поверхность, поверхности озер или рек могут создавать ослепляющую яркость перед видеокамерой, существенно блокируя или мешая наблюдению объектов.
Таким образом, характер изображения, получаемого с помощью ИК-подсветки, обусловлен, как спецификой отражения этого излучения, так и расфокусировкой.
Способы установки ИК-подсветки
Как известно, ИК-подсветки бывают встроенные в камеры видеонаблюдения и вынесенные. Остановимся на способах установки вынесенных ИК-подсветок. Необязательно устанавливать ИК-подсветку непосредственно под камерой. Подсветку модно установить и на перпендикулярной стене. Важно только, чтобы соблюдались некоторые условия.
Организация подсветки вещь сама по себе непростая. Искусство освещения очень высоко ценится на съемочных площадках киностудий, на телевизионных студиях, театральных сценах. Секрет состоит в том, что подсветка объекта в рамках кадра должна быть равномерной, в противном случае, будут плохо проработаны малоконтрастные детали изображения объекта. Особенно опасно это в ночных условиях, когда в поле зрения видеокамеры могут попасть неосвещенные участки объекта. Это обстоятельство приведет к тому, что значительная часть динамического диапазона по контрасту будет «съедена» неинформативным перепадом между освещенным и неосвещенным участками изображения на мониторе, при этом, малоконтрастные детали на упомянутых участках будут практически не различимы.
Если в поле зрения видеокамеры попадают неосвещенные участки объекта, это приводит к потере изображения.
Угол подсветки того или иного устройства должен соответствовать углу обзора видеокамеры, причем при выборе подсветки лучше выбирать угол подсвета немного меньше угла обзора видеокамеры. Эта рекомендация основана на том, что обычно на мониторе часть изображения выходит за пределы видимой части экрана, кроме того, периферия изображения обычно не очень важна. Следует учитывать, что устройство ИК-подсветки при одинаковой мощности излучения, но с более узким углом, светит дальше. При этом, важно «не перегнуть палку», как бывает в некоторых видеодомофонах, когда освещается только нос.
Наиболее целесообразны ИК-прожекторы небольшой мощности, которые имеют углы подсвета 40 и 70 градусов. Иногда (как правило, редко) используются видеокамеры на небольшие расстояния с углом менее 40 градусов.
Проблема выбора
Рядовому инсталлятору произвести выбор определенной подсветки для данной видеокамеры с определенной чувствительностью, как правило, непросто. Дело в том, что в паспортных данных видеокамеры приводятся характеристики по чувствительности на основе параметров видимого излучения (света), то есть в люксах, получаемых при освещении энергетическим потоком в люменах. На ИК-излучатели же в паспортных данных приводится спектральная характеристика излучаемой мощности в ваттах на микрометр и использовать ее при расчетах становится проблематичным. Расчеты показывают, что при освещении инфракрасной подсветкой, сигнал на выходе видеокамеры будет практически эквивалентен сигналу этой же видеокамеры естественной освещенности в дневное время.
Таким образом, применение инфракрасной подсветки с камерами видеонаблюдения — это компромиссный способ визуализации наблюдаемой картины при слабой освещенности между тепловизорами и камерами с высокочувствительным сенсором.
Журнал «Мир и безопасность»