Oświetlenie w monitoringu

Do większości zdarzeń na terenach monitorowanych przez kamery dochodzi nocą. Do stworzenia profesjonalnego systemu monitorowania terenu przez całą dobę potrzebna jest podstawowa wiedza o oświetleniu.

Światło to energia w formie promieniowania elektromagnetycznego. Ludzkie oko widzi promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie długości fali od 380 do 780 nm. Kamery CCTV oprócz światła widzialnego potrafią rejestrować światło w zakresie podczerwieni o długości fali do około 970 nm.

Niezależnie od tego czy mówimy o siatkówce ludzkiego oka, czy o matrycy CCD (CMOS) kamery - początkowy etap kształtowania obrazu polega na przetwarzaniu informacji ze strumienia świetlnego na sygnał elektryczny. Aby strumień świetlny mógł nieść użyteczne informacje, musi najpierw ulec zjawisku odbicia i pochłonięcia przez oglądane przedmioty. Światło odbite od przedmiotu niesie informacje o jego kształtach. W zależności od długości fali ulega większemu lub mniejszemu odbiciu/pochłonięciu. To, ile i jakie długości fali zostaną zaabsorbowane, daje informację o kolorze powierzchni.

Ilość odbitego światła, a więc i skuteczność oświetlenia zależy w dużym stopniu od rodzaju oświetlanych przedmiotów i ich otoczenia. Przykładowo, znacznie lepsze efekty działania oświetlaczy podczerwieni zaobserwować można w pomieszczeniach niż na zewnątrz.

Kolor jaki widzimy jest zależny zarówno od tego jakie światło absorbuje przedmiot oraz od typu oświetlenia. Przykładowo zielony obiekt odbija fale o długości odpowiadającej kolorowi zielonemu, natomiast pochłania fale o innym kolorze. Oświetlony światłem widzialnym będzie zielony, ale po oświetleniu światłem czerwonym, niezawierającym koloru zielonego, będzie wydawał się czarny.

Wielkością, która najlepiej dla celów CCTV definiuje oświetlenie, jest jego natężenie. Określa ono jasność w danym punkcie. Jednostką pomiaru natężenia światła jest luks [lx], a jego pomiaru można dokonać luksometrem.

Poniższa tabela przedstawia typowe wartości natężenia światła odniesione do przykładów z natury.

Kiedy ilość światła jest niewystarczająca do utworzenia użytecznego obrazu, należy zastosować dodatkowe źródło światła. Może to być:

• oświetlenie tradycyjne – widzialne (lampy, reflektory)
• reflektory podczerwieni

Oświetlenie tradycyjne to światło widoczne, pochodzące zwykle od lamp żarowych lub jarzeniowych, umożliwia otrzymanie wyrazistego, kolorowego obrazu. Z drugiej strony fakt, że jest widoczne pozwala na łatwe obejście stref oświetlonych. Oprócz tego, wymaga sporo energii i częstej konserwacji, co generuje wysokie koszty.

Reflektory podczerwieni generują światło w zakresie bliskiej podczerwieni, tj. fale o długości 700-1000 nm. Wraz ze wzrostem długości fali, światło żarzącego się reflektora jest mniej widoczne dla ludzkiego oka. Reflektory podczerwieni posiadają wbudowane filtry: 750 nm (widoczne żarzenie reflektora), 830 nm („efekt matowy” - prawie niewidoczny dla oka), 940 nm (całkowicie niewidoczny dla oka ludzkiego).
Reflektory podczerwieni pozwalają na stworzenie dyskretnego systemu monitoringu o niskim koszcie utrzymania.

Promieniowanie podczerwone nie niesie wystarczającej informacji o barwie, dlatego kamery CCTV reagujące na to promieniowanie przełączają się w tryb czarno-biały. O tym jak "dobry" będzie obraz z kamery decyduje jej czułość w zakresie długości fal generowanych przez reflektor podczerwieni. Przykładową zależność pomiędzy nimi widać na wykresie poniżej:

Z wykresu wynika, że typowe przetworniki mają słabą czułość w zakresie fal o długości powyżej 700 nm, a dla fal o długości powyżej 900 nm jest ona zupełnie niewystarczająca.
Nowoczesne przetworniki radzą sobie z tym problemem o wiele lepiej. Przykładowo, polepszona czułość przetwornika Exview - ponad dwukrotnie większa od typowych przetworników w zakresie fal podczerwonych - sprawia, że efektywność oświetlania reflektorami IR jest znacznie większa. Przy oświetleniu falami o dużych długościach należy, oprócz stosowania specjalnych przetworników, pamiętać o stosowaniu dobrej jakości obiektywów. Powinny to być obiektywy z korekcją w zakresie podczerwieni (na przykład.: M2315, M23135, M2311, M2136, M2139). Warto wybierać obiektywy o jak największej jasności (parametr F o jak najmniejszej wartości).
Korekcja w zakresie podczerwieni pozwala uniknąć problemów ze zmianą ostrości po przejściu kamery w tryb czarno/biały, a obiektyw o dużej jasności przepuści więcej światła.

Jak już było wspomniane, zasięg reflektora IR jest zależny od rodzaju oświetlanych powierzchni i przedmiotów. Parametrem, który pozwoli w przybliżeniu ustalić czy reflektor będzie działał na mniejszą lub większą odległość, jest współczynnik odbicia światła. Określa on z jaką intensywnością dany materiał odbija światło. Jest to ważny parametr, ponieważ do przetwornika kamery dociera światło odbite od obiektu. Tabela poniżej prezentuje orientacyjną wartość tego współczynnika dla różnych powierzchni i materiałów.

Przy wyborze odpowiedniej mocy oświetlenia dla kamer należy pamiętać, że natężenie światła maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła.
W praktyce oznacza to, że jeśli obiekt w odległości 10 m od źródła światła otrzymuje 90 luksów, to po przeniesieniu go na odległości 30 m natężenie światła wyniesie 10 luksów (3 razy większa odległość to 9 razy mniejsze natężenie).

Do kamer ustawionych na szeroki kąt widzenia wymagany jest oświetlacz podczerwieni o szerokim kącie emisji światła, jak np. Redbeam IR40 M1640. Emituje on wiązkę światła o szerokości 60° i zasięgu 30 m. Jeśli wymagany jest większy zasięg, to zgodnie z regułą odwrotności kwadratu odległości, łącząc 4 reflektory osiągniemy 2-krotne powiększenie zasięgu świecenia przy tym samym kącie świecenia.

Reflektory podczerwieni RedBeam zbudowane są w oparciu o matrycę LED (a nie jak w konwencjonalnych reflektorach pojedyncze diody), której wiązka świetlna kształtowana jest za pomocą soczewki lub zespołu soczewek.

Aby wykonać reflektor o takiej samej mocy jak jego odpowiednik wyposażony w matrycę LED, jego rozmiary muszą być znacznie większe. Dla przykładu, reflektor o mocy 1500 mW musi posiadać 100 diod o mocy 15 mW każda. Oczywiście takie rozwiązanie jest wykonalne, jednak rozmiary takiego reflektora są znacznie większe niż podobnej mocy reflektora Redbeam.

Niewielkie rozmiary matrycy powodują, że wiązkę światła łatwo jest kształtować za pomocą soczewek. W tradycyjnych reflektorach, kąt wiązki światła zależy od wzajemnego ułożenia diod, przez co nie jest to rozwiązanie elastyczne. Przy wykorzystaniu matryc LED osiągnąć można praktycznie dowolny kąt. Przykładem są kopułowe modele M1642 oraz M1643, generujące wiązkę o kącie 180°.

Kolejną zaletą reflektora Redbeam jest żywotność zastosowanych materiałów. Czas działania standardowej diody określa się na ok. 6000 godzin. Dla porównania, matryca jest w stanie pracować przez ok. 50000 godzin. W przypadku pracy przez 12 godzin na dobę, daje to ponad 10 lat!

W zależności od miejsca montażu wyróżnić można dwa rodzaje reflektorów: kierunkowe oraz dookolne. Obydwa typy występują w wersjach o mocy 1800 mW oraz 3000 mW. Pierwszy model służy do zamocowania obok kamery i charakteryzuje się zwartą wiązką światła. Przez co jego zasięg wynosi do 40 lub 80 m. W przypadku zastosowania modelu dookolnego, mocowanego do sufitu, zamiast zasięgu łatwiej jest stosować pojęcie oświetlanej powierzchni. I tak można wybrać do 60 lub do 120 m².

Dodatkowo reflektor zainstalowany obok kamery (a nie zintegrowany z kamerą) ma taką zaletę, że nie prześwietla obiektów, które pojawiają się bezpośrednio przed obiektywem kamery. Przez co zastosowanie go nie stwarza problemów związanych z padaniem śniegu, przelatującymi owadami czy pojawieniem się pajęczyny na pierwszym planie.

Test reflektorów IR - Redbeam we współpracy z kamerami 0,3 i 0,03 lx. Do testu użyto następujących urządzeń:

Klikając można powiększyć zdjęcia.

Jak dowodzą powyższe testy zasięg reflektora w znacznym stopniu zależy od czułości użytej kamery. Odczucia subiektywne zostały potwierdzone przez automatykę rejestratora ULTIMAX-104 M71040, który detekcją ruchu wykrywał ruchomy obiekt na obrazie z czulszej kamery na odległość 60 metrów, podczas gdy dla słabszej było to możliwe jedynie z 20 m. Proszę zwrócić uwagę, że oświetlenie sceny z mocniejszym reflektorem przy mniej czułej kamerze jest podobne do oświetlenia przez słabszy reflektor przy bardziej czułej kamerze.

Reflektory zintegrowane z kamerami są bardzo praktyczne, ponieważ ograniczają liczbę dodatkowych elementów zmniejszając koszt instalacji. Większość takich kamer ma reflektor podczerwieni złożony z diod LED. Ich zasięg zależny jest od mocy, liczby diod oraz sposobu rozmieszczenia diod (kierunku świecenia).

Wśród kamer kompaktowych można wyróżnić kamery bez filtra podczerwieni oraz kamery z ruchomym filtrem podczerwieni (ICR). Kamery drugiego typu są droższe ze względu na koszt serwomechanizmu, ale jakość obrazu jest lepsza - chodzi głównie o dokładniejsze odwzorowanie kolorów a także lepszy balans bieli (widoczne szczególnie przy świcie i zmierzchu).