Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Nocne oświetlanie obiektów monitorowanych przez systemy telewizji dozorowej

Printer Friendly and PDF

lead.jpg Trudno przecenić rolę światła w systemach telewizji dozorowej. Bez jego udziału nie byłoby możliwe wytworzenie jakichkolwiek obrazów. Za sprawą światła świat staje się widzialny, zarówno dla ludzkich oczu, jak i dla przetworników kamer telewizyjnych. Poprawne działanie każdego systemu telewizyjnego zależy od jakości i równomierności oświetlenia obserwowanych scen. Lokalizacja źródła światła oraz jego intensywność decydują o wyglądzie obserwowanych obiektów. W wielu przypadkach przesądzają o tym, czy dany obiekt w ogóle będzie widoczny, czy utonie w przysłowiowym mroku.

Jak powszechnie wiadomo, widzialny fragment widma promieniowania świetlnego odpowiada długościom fal elektromagnetycznych mieszczącym się w zakresie od 400 nm do 700 nm. Emisje o długościach fal wykraczających poza ten zakres nie są zauważane przez oczy ludzkie, ale mogą być rejestrowane przez kamery telewizyjne. Promieniowanie ultrafioletowe, szczególnie w przypadku długotrwałego naświetlania, może być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego, dlatego kamery uczulone na fale krótsze niż 400 nm rozpowszechniły się jedynie w specjalistycznych aplikacjach przemysłowych. Tymczasem promieniowanie podczerwone, nawet bardzo intensywne, nie ma negatywnego wpływu na funkcjonowanie organizmów żywych i między innymi z tego powodu znajduje zastosowanie w systemach technicznej ochrony mienia.

Systemy klasyczne, czyli praca w świetle białym

Osobnym zagadnieniem jest poprawna reprodukcja barw w systemach monitoringu telewizyjnego, którą najprościej osiągnąć, stosując oświetlenie światłem białym. Przez światło białe rozumie się emisję odznaczającą się pewnym charakterystycznym, ciągłym rozkładem energii w całym widmie widzialnym, ale nie jest to zbyt ścisła i jednoznaczna definicja. Światło białe pochodzące z różnych źródeł może mieć pewne cechy indywidualne.

Drastycznym przykładem negatywnym mogą tu być niskociśnieniowe lampy sodowe, masowo stosowane w latarniach ulicznych, których emisja niczym nie przypomina światła białego. Widmo ich promieniowania ma charakter prążkowy, a więc jest pozbawione ciągłości i ma wyraźną żółtą dominantę. W takim oświetleniu szczególnie źle spisują się kamery kolorowe, wymagające do swojej pracy oświetlenia o widmie ciągłym i barwie możliwie zbliżonej do białej.

Użycie oświetlenia, którego barwa znacznie odbiega od bieli, powoduje istotne pogorszenie jakości kolorowego obrazu telewizyjnego. Śmiało można stwierdzić, że każda kamera pracuje na tyle dobrze, na ile pozwala jej jakość oświetlenia obserwowanej sceny.

Systemy pracujące w świetle podczerwonym

Widmo światła podczerwonego nie zawiera żadnego z kolorów składających się na światło białe, co całkowicie wyklucza zastosowanie kamer kolorowych do dyskretnej obserwacji nocnej. Ten zakres emisji może być wykorzystywany wyłącznie przez kamery monochromatyczne lub specjalnie do tego przystosowane kamery z funkcją „dzień – noc”. Obrazy telewizyjne powstające z wykorzystaniem światła podczerwonego są z definicji monochromatyczne, niezależnie od rodzaju użytej kamery.

Ze względów praktycznych w telewizji dozorowej nie stosuje się promieniowania podczerwonego o długości fali przekraczającej 1000 nm. W miarę oddalania się od tej wartości klasyczne kamery telewizyjne wykazują coraz niższą czułość, pojawiają się także problemy z konstrukcją dobrze działających obiektywów. Jako granicę zastosowań praktycznych przyjmuje się fale o długości od 900 nm do 950 nm.

Aspekty praktyczne

Pierwszym problemem, z którym muszą się zmierzyć projektanci systemów telewizji dozorowej, jest konieczność wyboru trybu pracy kamer w warunkach nocnych. Często zdarza się, że użytkownik końcowy preferuje tryb kolorowy, co wiąże się z koniecznością całonocnego oświetlenia terenu światłem białym. W wielu przypadkach, z zupełnie innych względów, światło białe wykorzystuje się jako podstawowe oświetlenie nocne. Jego użycie przyczynia się do wzrostu ogólnego poziomu bezpieczeństwa, a także ułatwia pracę osobom sprawującym nadzór nad danym obszarem. Światło białe stwarza dobre warunki pracy dla kamer telewizyjnych, zarówno monochromatycznych, jak i kolorowych, jednakże musi ono mieć odpowiedni rozkład widmowy, który pozwoli na poprawną reprodukcję barw.

W sytuacjach, gdy oświetlenie światłem białym mogłoby okazać się zbyt natarczywe (w niektórych krajach problem ten jest uregulowany prawnie), a także w sytuacjach, w których wymagane jest zachowanie dyskrecji, użycie światła podczerwonego staje się koniecznością.

W systemach telewizji dozorowej światło podczerwone wykorzystuje się jako dyskretne nocne oświetlenie obserwowanych przestrzeni. Nawet w przypadku użycia źródeł o dużej mocy nie wywołuje ono nieprzyjemnych efektów wzrokowych, typowych dla bardzo jaskrawego światła białego.

Pomimo tego, że światło podczerwone jest niewidzialne dla ludzkich oczu, bezpośrednia obserwacja promienników podczerwieni stosowanych w systemach telewizji dozorowej może wywoływać pewne wrażenia wzrokowe. Maksimum gęstości widma emitowanego przez te promienniki przypada na zakres niewidzialny, jednakże emitują one pewną część energii na krańcu widma widzialnego, dlatego stają się widoczne. Z praktyki wynika, że:

  • działanie oświetlaczy pracujących w zakresie od 715 nm do 730 nm jest wyraźnie widoczne; w warunkach nocnych efekt jest podobny do działania świateł sygnalizacji ulicznej;
  • oświetlacze pracujące w zakresie od 815 nm do 850 nm wytwarzają rodzaj delikatnej czerwonawej poświaty, jednak nadal, szczególnie w nocy, ich działanie jest wyraźnie widoczne;
  • oświetlacze pracujące w zakresie od 940 nm do 950 nm nie wytwarzają żadnej poświaty zauważalnej dla ludzkich oczu.

Przejdźmy teraz do omówienia różnego rodzaju sztucznych źródeł światła, stosowanych w telewizji dozorowej.

Lampy żarowe

W zastosowaniach związanych z telewizją dozorową lampy żarowe wykazują pewne wady. Mają one ograniczoną żywotność, a ponadto są energochłonne. Typowa moc pojedynczego oświetlacza wynosi około 500 W, zaś dla zachowania ciągłości pracy konieczna jest wymiana żarników przeciętnie trzy razy do roku. Z tych względów eksploatacja lamp żarowych jest droga i uciążliwa.
Klasyczne żarówki są relatywnie starym wynalazkiem i odznaczają się bardzo niską sprawnością energetyczną. Około 90% swojej mocy tracą na wytwarzanie ciepła, przez co rozgrzewają się do wysokiej temperatury, co zmusza do stosowania odpowiednich opraw.

Żarówki halogenowe mają wyższą sprawność, lecz nadal tracą około 85% swojej mocy na wytwarzanie ciepła. Są one mniejsze od zwykłych żarówek, ponadto są wypełnione mniej rozrzedzonym gazem, przez co rozgrzewają się do jeszcze wyższych temperatur, stwarzając niebezpieczeństwo poparzenia obsługujących je osób.

Zarówno w przypadku klasycznych żarówek, jak i lamp halogenowych mamy do czynienia z emisją światła odbiegającego swoim rozkładem widmowym od tego, co przyjęło się uważać za światło białe. Występuje tu wyraźna dominanta barw żółtej i czerwonej, jednakże ze względu na ciągłość widma współczesne kamery kolorowe są w stanie skompensować powstałe rozbieżności i poprawnie reprodukować barwy. Było to niemożliwe w przypadku lamp sodowych, emitujących widmo prążkowe.

Świetlówki

Głównym czynnikiem ograniczającym stosowanie świetlówek w systemach telewizji dozorowej jest uciążliwe zjawisko migotania. Jest ono niemal niedostrzegalne dla ludzkiego oka, lecz wpływa negatywnie na pracę kamer telewizyjnych. Co prawda najnowsze ich modele są na to przygotowane i dysponują opcjami pozwalającymi na redukcję szkodliwego wpływu migotania na jakość wytwarzanego obrazu, niemniej jednak zjawisko nadal istnieje i może na przykład powodować efekty stroboskopowe, utrudniające obserwację obiektów ruchomych. Świetlówki mają przeważnie małą moc i są stosowane do oświetlania przestrzeni wewnętrznej budynków. Ich znaczne rozmiary utrudniają konstrukcję refl ektorów ogniskujących światło w wąskim kącie promieniowania.
Zaletą świetlówek jest wysoka sprawność energetyczna, dochodząca do 40%. W porównaniu ze zwykłymi żarówkami o zbliżonej mocy wytwarzają one znacznie więcej światła i nie rozgrzewają się do tak wysokich temperatur. Jeśli dodać do tego ich wysoką trwałość, trudno się dziwić, że są one masowo stosowane w gospodarstwach domowych jako podstawowe źródło światła elektrycznego.
W sensie widmowym świetlówki emitują światło pozwalające na poprawną reprodukcję barw. Z tego względu mogą być wykorzystywane jako oszczędne źródła światła przy oświetleniu ogólnym o niewielkiej mocy pojedynczego punktu świetlnego. Poza tą funkcją ich stosowanie w systemach telewizji dozorowej jest ograniczone.

Lampy metalowo-halidowe

Popularność tego typu lamp w Polsce była dotychczas niewielka. Przyczyniała się do tego ich słaba dostępność, wysoka cena oraz brak odpowiednich publikacji wyjaśniających ich działanie, jednakże obecnie ogromne zalety eksploatacyjne tego typu lamp powodują wzrost zainteresowania nimi projektantów i instalatorów systemów monitoringu wizyjnego.

Ze względu na swoją zasadę działania lampy metalowo-halidowe należą do grupy lamp wyładowczych. Ich zaletami są: wysoka sprawność energetyczna, odpowiedni rozkład widmowy emitowanego światła oraz duża trwałość, dochodząca do 12 tys. godzin. Wszystko to czyni je wysoce przydatnymi do zastosowań w systemach telewizji przemysłowej.

Sprawność energetyczna lamp metalowo-halidowych zawiera się w przedziale od 60% do 80%. Emitują one światło białe o rozkładzie widmowym pozwalającym na bardzo dobrą reprodukcję barw. W porównaniu z klasycznymi żarówkami lub świetlówkami lampy metalowo-halidowe mają niewielkie rozmiary, co ułatwia konstrukcję opraw i reflektorów.

Oświetlacze wykorzystujące diody LED

W dziedzinie elektrycznych źródeł światła diody LED stanowią obecnie jedną z najszybciej rozwijających się technologii. Tego rodzaju oświetlacze odznaczają się bardzo wysoką sprawnością energetyczną oraz niespotykaną jak dotychczas trwałością. Ponadto są tanie w eksploatacji. Moc pojedynczego punktu świetlnego rzadko kiedy przekracza 100 W, zaś czas bezawaryjnej pracy sięga 10 lat.

Diody LED są elementami półprzewodnikowymi, które z natury rzeczy emitują światło o ograniczonej szerokości widma, co zwalnia z konieczności stosowania filtrów barwnych. W przypadku diod LED nie występują więc straty wynikające z rozproszenia znacznej części mocy na skutek działania filtra podczerwieni, z jakimi mamy do czynienia, gdy źródłem światła są żarówki.

Na rynku oświetleniowym diody LED stanowią relatywnie nowe rozwiązanie, lecz zakres ich zastosowań dynamicznie się rozszerza. Pomimo wysokich cen oświetlacze podczerwone bazujące na diodach LED zyskują sporą popularność, do czego przyczynia się ich wysoka trwałość (do 100000 godzin działania). W przypadku świetlówek ten sam parametr wynosi około 10000 godzin, a w przypadku żarówek tylko 1000 godzin.

Sprawność energetyczna diod LED mieści się w granicach od 80% do 90% i osiąga największą wartość w przypadku diod czerwonych. Tak wysoka sprawność pociąga za sobą niski pobór mocy i niewielki przyrost temperatury podczas pracy. Do kolejnych zalet diod LED należy zaliczyć natychmiastowy rozruch, wysoką stabilność widmową w całym okresie eksploatacji, odporność na wstrząsy i wibracje, trwałość mechaniczną. W celu optymalnego wykorzystania zdolności emisyjnych diod LED o dużej mocy należy zadbać o ich odpowiednie chłodzenie oraz kontrolować wartość pobieranego prądu.

Sposób na zmniejszenie kontrastu

Przejdźmy teraz do omówienia sposobów wykorzystania sztucznych źródeł światła w realnych warunkach występujących w każdym monitorowanym obiekcie. Jednym z najistotniejszych problemów związanych z nocnym oświetleniem jest jego nierównomierność. Wbrew przysłowiu najjaśniej jest pod latarnią, a w miarę oddalania się od źródła światła poziom oświetlenia szybko spada. Powoduje to bardzo znaczny wzrost kontrastu obserwowanych scen, z czym nie radzą sobie ani oczy ludzkie, ani kamery.

Co prawda pojawiły się już technologie pozwalające na uzyskanie dynamiki zmian oświetlenia w ramach jednego kadru telewizyjnego na poziomie 96 dB, a nawet (szczytowo) 120 dB, jednakże nie zwalnia to projektantów systemów monitoringu z obowiązku dbałości o równomierność oświetlenia obiektów.

Równomierność oświetlenia obserwowanych scen

Możliwość zapewnienia dobrych warunków pracy kamerom telewizyjnym wykorzystywanym w porze nocnej jest związana nie tyle z siłą oświetlenia, co z jego równomiernością. Światło z natury rzeczy nie przenika przez większość przeszkód materialnych, dlatego powstaje problem cieni, nieunikniony nawet w sytuacji zastosowania bardzo silnych oświetlaczy. Dotyczy to w równym stopniu użycia światła białego, jak i podczerwonego.

Jednym z możliwych sposobów poprawy sytuacji jest stosowanie wielu źródeł światła o niewielkiej mocy, rozmieszczonych wewnątrz obserwowanego obszaru, jednakże ze względów praktycznych nie zawsze można przyjąć tego typu rozwiązanie, poza tym trudno poradzić sobie z problemem świecenia wprost w obiektyw kamery. Należy stosować specjalnego typu oprawy oświetleniowe, zaś kamery instalować powyżej źródeł światła. Metoda jest kapryśna i nieprzewidywalna, wiele zależy od topologii obiektu i warunków lokalnych.

Innym często stosowanym sposobem na zmniejszenie nierównomierności oświetlenia jest oddalenie źródła światła od obserwowanego obiektu, co daje dość dobre rezultaty, lecz wiąże się z koniecznością stosowania oświetlaczy o bardzo dużej mocy. Przykładem może być oświetlenie niewielkiego obiektu o strategicznym znaczeniu, położonego w przestrzeni otwartej, obserwowanego przez kamerę obrotową. Błędem jest umieszczenie silnego źródła światła w bezpośredniej bliskości tego obiektu. Lepszym rozwiązaniem jest umieszczenie wąskokątnego refl ektora w pobliżu kamery. Poziom oświetlenia będzie co prawda znacznie niższy, lecz nie wystąpi efekt białej plamy, typowy dla oświetlenia lokalnego, z małej odległości.

Oświetlacze adaptowalne

Istnieją także bardziej zaawansowane od opisanych powyżej rozwiązania, które umożliwiają poprawę równomierności sztucznego oświetlenia w porze nocnej. Cel ten może być osiągnięty przez zastosowanie adaptowalnych urządzeń oświetlających, pozwalających na modyfikację poziomu oświetlenia w poszczególnych fragmentach obserwowanej sceny.

Dotychczas oświetlenie adaptowalne nie zyskało dużej popularności, zarówno wśród projektantów, jak i instalatorów systemów monitoringu. Jest ono objęte zastrzeżeniami patentowymi, zaś szczegółowe dane są chronione przed publikacją. Niewielu producentów dostarcza tego typu oświetlacze.

Jak wiadomo, standardowe punkty świetlne, niezależnie od ich konstrukcji, powodują intensywne oświetlenie centralnych części pola obserwacji, jednakże poziom ten szybko maleje w miarę oddalania się od środka obszaru. Zależność nie jest liniowa, oświetlenie zmniejsza się nieproporcjonalnie w stosunku do wzrostu odległości od źródła światła, co dodatkowo pogarsza sytuację.
Adaptowalne punkty świetlne wyrównują poziom oświetlenia w obrębie obserwowanej sceny. Odbywa się to drogą zmniejszenia zbyt wysokiego poziomu oświetlenia w części centralnej oraz przesunięcia obszarów maksymalnej emisji światła w kierunku granic oświetlanego obszaru, gdzie droga promieni świetlnych jest dłuższa. Tym samym różnice w poziomie oświetlenia punktów bliskich i odległych ulegają znacznemu zmniejszeniu.

Oświetlacze działające na tej zasadzie mają budowę wielosegmentową i składają się z kilku mniejszych oświetlaczy. Każdy z nich może być ustawiony pod innym kątem oraz emitować światło o innej mocy. Stwarza to możliwość budowy oświetlaczy hybrydowych, wykorzystujących zarówno światło białe, jak i podczerwone. Odpowiednia kombinacja tych wszystkich ustawień prowadzi do skierowania większej liczby źródeł światła odznaczających się większą mocą w dalsze obszary obserwowanej sceny, zaś mniejszej liczby słabszych źródeł światła w bliższe obszary. Prowadzi to w efekcie do wyrównania poziomu oświetlenia na całym omawianym obszarze.

Kopułowe kamery szybkoobrotowe a praca w warunkach nocnych

Na koniec warto wspomnieć o popularnych kopułowych kamerach szybkoobrotowych, masowo stosowanych w systemach monitoringu, w przypadku których występują dodatkowe problemy związane z pracą w trybie nocnym. Kamery te są całkowicie ukryte wewnątrz obudów, nie jest więc możliwe łatwe ich sprzęgnięcie z obrotowymi oświetlaczami, świecącymi w tym kierunku, w którym w danej chwili zwrócony jest obiektyw kamery. Ponadto chroniące je przezroczyste czasze nie zawsze są całkiem przezroczyste – często, ze względów użytkowych, są wykonane z barwionego materiału, co powoduje zmniejszenie ilości światła docierającego do kamer. Dodatkowo sprawę pogarsza konstrukcja samych kamer, które z różnych względów bywają budowane z wykorzystaniem przetworników o małych rozmiarach, rzędu 1/4” lub nawet 1/6”, a to przyczynia się do zmniejszenia ich czułości. W przypadku tego typu kamer szczególnego znaczenia nabiera równomierność oświetlenia obserwowanych scen, a jedną z metod poprawy tej równomierności jest zastosowanie oświetlenia adaptowalnego.

Andrzej Walczyk

Literatura

http://www.rayteccctv.com

Zabezpieczenia 2/2009

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony