Парадоксы и недоразумения использования ИК-подсветки с цветными видеокамерами

Инфракрасная подсветка продолжает играть существенную роль в обеспечении ночного видеонаблюдения или наблюдения в условиях недостаточной освещенности. Она практически неизбежна при скрытом теленаблюдении, если не применять эксклюзивные камеры сверхвысокой чувствительности или тепловидение. Вместе с тем ее широкое применение в случаях открытого наблюдения можно отнести к неким парадоксам или недоразумениям. Особенно если это касается цветных камер с режимом "день/ночь", которые при ИК-подсветке естественно переходят в черно-белый режим, утрачивая цветовую информацию.

Развенчание ИК-мифа

Некая эксклюзивная эффективность ИК-подсветки не вполне соответствует реальности ни по эффективности самих излучателей, ни по использованию данного излучения телекамерой. Так, например, эффективность преобразования энергии питания светодиодов в практически монохромное ИК-излучение в диапазоне 850–950 нм не превышает 10–13% (КПД). Из современных источников видимого света этому уступают только традиционные и устаревшие лампы накаливания (4,5–6,8%). КПД остальных распространенных современных источников света лежит в диапазоне от 10–14% для галогенных и до 23–36% для люминесцентных ламп. КПД металлогалогенных и натриевых ламп достигает даже 45–60%.

Эффективность же использования телекамерой (чувствительность на длине волны генерации светодиода относительно интегрального видимого спектра) излучения ИК-подсветки 850 и 950 нм составляет около 7 и 4% для CCD Exview HAD. Для самых современных матриц SONY CCD Exview HAD II и CMOS Exmor эта эффективность достигает 16 и 12% соответственно.

Очевидно, при любой возможности предпочтительно использовать видимое (белое) освещение, тем более для цветных камер, пусть даже это будет режим "ночь"

Повсеместный "день/ночь"

Цветные камеры в сравнении с черно-белыми по принципу действия имеют меньшую чувствительность. Это происходит в результате неизбежных потерь в цветовых фильтрах и использования каждым пикселем только части цветового спектра. В CCD-матрицах, традиционно работающих с четырехцветной системой CMYK, такие потери почти в два раза меньше, чем в CMOS-матрицах с трехцветной системой RGB.

Для увеличения чувствительности современные цветные камеры практически повсеместно снабжаются режимом "день/ночь". В первую очередь это реализуется за счет расширения спектрального диапазона чувствительности в инфракрасную (ИК) область. Причем в основном за счет коротковолновой ИК-области от 700 до 850 нм. Различают две основные технологии режима "день/ночь".

1. Технология начального уровня с постоянной ИК-чувствительностью – то есть с заведомо более высокой чувствительностью в сравнении с типовой камерой цветного изображения. В этом случае перед производителем всегда стоит нелегкий выбор. Получить максимальную чувствительность за счет энергии ИК-области или адекватную цветопередачу при смешанном искусственном освещении и в дневное время. Особенно серьезные цветовые искажения наблюдаются при освещении лампами накаливания и галогенными осветителями с преобладанием ИК-составляющей (вспомним их КПД, все остальное уходит в тепло с максимумом на 1000 нм).

2. Технология "день/ночь" с подвижным ИК-фильтром (ICR или IRC) – самая оптимальная и сейчас наиболее широко применяемая. Благодаря совершенствованию и расширению производства подобных устройств с электромагнитным или магнитоэлектрическим управлением их стоимость значительно снизилась. Часто управляемый фильтр совмещается с малогабаритным вариофокальным объективом. В этом случае используется тонкая пластиковая пленка с напыленным интерференционным фильтром.

Более сложные системы со сменными матрицами или отдельными модулями цветного и черно-белого изображения имеют существенную стоимость и не нашли широкого применения, несмотря на самые лучшие возможности по качеству изображения и чувствительности.

Часто еще встречаются довольно бессмысленные модели "день/ночь" просто с отключением цветности при уменьшении освещенности. Подобные видеокамеры не имеют никаких преимуществ по сравнению с типовыми камерами цветного изображения.

Эксперимент

На фото 1 приведен счетверенный стоп-кадр, полученный телекамерой цветного изображения (color), камерой "день/ночь" без ИК-чувствительности (dn), камерой с постоянной ИК-чувствительностью (dn ir) и камерой с подвижным управляемым ИК-фильтром (dn cut). Освещение в измерительной камере производится лампами накаливания. Отчетливо заметны искажения цвета в камере с постоянной ИК-чувствительностью. Примечательно, что особенно подвержены изменению цвета синтетические материалы.

На фото 2 приведен стоп-кадр, полученный аналогичными камерами при минимальной освещенности. Все три камеры "день/ночь" перешли в черно-белый режим. Однако видно, что контрастность и яркость изображений цветной камеры и камеры "день/ночь" без ИК-чувствительности практически идентичны и явно уступают камерам с расширенным в область ИК спектральным диапазоном чувствительности.

Естественно, только камеры "день/ночь" с ИК-чувствительностью могут работать с ИК-подсветкой. Однако реальная чувствительность в области ИК, а уже тем более на конкретной длине волны ИК-осветителя, остается для потребителя "тайной за семью печатями". Отчасти и поэтому тоже такой популярностью пользуются телекамеры цветного изображения "день/ночь" со встроенной ИК-подсветкой. В таком случае производитель сообщает (если, конечно, это правда), на какой дальности можно вести наблюдение.

Если же вы применяете отдельный ИК-осветитель с телекамерой цветного изображения "день/ночь", вам не избежать "проб", а может быть "и ошибок". Причем, как правило, несколько мифические данные о ночной чувствительности в люксах здесь не помогут, поскольку ИК-излучение в люксах не нормируется. Для иллюстрации этой ситуации на фото 3 приведен стоп-кадр упомянутых выше камер при предельно малой освещенности от ламп накаливания.

Очевидно, что камера с постоянной ИК-чувствительностью имеет существенно меньшую интегральную чувствительность в сравнении с камерой ICR (cut). С другой стороны, при освещении ИК-осветителем с длиной 930 нм изображения этих камер практически идентичны, что представлено на фото 4. К сожалению, нам никогда не известны даже относительные спектральные характеристики чувствительности камер "день/ночь". И в данном случае информация производителей сенсоров нам помочь не в состоянии, поскольку весьма редко распространяется на ИК-диапазон в сравнении с черно-белыми сенсорами.

На рис. 1 (см. стр. 72) приведена спектральная характеристика чувствительности одной из самых популярных сейчас CCD-матриц – SONY Super HAD II, которая, как мы видим, нормируется только в видимом диапазоне.

Естественно, ее можно интерполировать в область ИК, учитывая ход аналогичных характеристик черно-белых сенсоров. Но мы же не знаем, какие фильтры использует производитель. Ведь даже камеры с ICR имеют порой серьезную чувствительность в области ИК. Очевидно этот "тренд" обусловлен стремлением вытянуть большую чувствительность в цветном (дневном) режиме.

Борьба с цветовыми искажениями

В последнее время на рынке стали появляться интересные модели с постоянной ИК-чувствительностью, но лишенные упомянутых выше серьезных цветовых искажений. Это достигается применением специального ИК-фильтра IRC 40 с узкой полосой прозрачности на длине волны генерации ИК-осветителя. При этом камера хорошо воспринимает излучение ИК-подсветки, вместе с тем эффективная фильтрация всего ИК-диапазона снижает цветовые искажения. Естественно, при этом существенного роста интегральной чувствительности камеры здесь не происходит.

Такие фильтры иногда называют байпас-фильтрами. Типовые характеристики пропускания срезающих ИК-фильтров приведены на рис 2 (см. стр. 72). Подобная технология позволяет создавать цветные камеры со встроенной ИК-подсветкой без подвижного фильтра, но с минимальными цветовыми искажениями. Правда чувствительность к естественному, да и к искусственному, широкополосному освещению здесь практически не растет.

Источник: http://www.secuteck.ru/