Wybierając kamerę do dozoru wizyjnego w ciągu dnia lub w nocy, musimy wziąć pod uwagę kilka czynników wpływających na jakość obrazu. Niniejszy artykuł ma na celu uświadomienie czytelnikom, jak oświetlenie wpływa na obraz i jakie czynniki należy brać pod uwagę przy oświetlaniu obserwowanych obszarów.
Czym jest światło?
Działanie systemów dozoru wizyjnego zależy głównie od światła. To właśnie światło odbite od obserwowanych przedmiotów sprawia, że obrazy są widoczne zarówno dla ludzkich oczu, jak też dla kamer. Dlatego skuteczność działania dowolnego systemu dozoru wizyjnego zależy nie tylko od kamer i obiektywów, ale również ilości, jakości i rozkładu oświetlenia. Światło jest energią w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Długość fali światła określa jego kolor i charakter. Jedynie bardzo wąski zakres długości fal elektromagnetycznych jest widoczny dla ludzkiego oka – od około 400 nm (fiolet) do 700 nm (czerwony). Kamery telewizyjne reagują jednak na światło spoza zakresu widzialnego dla ludzkiego oka, co pozwala wykorzystywać je nie tylko w świetle białym, ale również w świetle mieszczącym się w zakresie bliskiej podczerwieni (od 715 nm do 950 nm) do dozoru nocnego.
Zachowanie światła zmienia się w zależności od materiału lub powierzchni, na którą pada – ulega ono odbiciu, rozproszeniu lub wchłonięciu. Światło odbija się od większości powierzchni. Im jaśniejsza jest powierzchnia, tym więcej światła odbija. Czarne powierzchnie pochłaniają, zaś białe odbijają padające na nie światło widzialne. Światło mieszczące się w zakresie podczerwieni nie zawsze zachowuje się w taki sam sposób jak światło widzialne. Zależy to od rodzaju materiału, na który pada (zob. wykres współczynnika odbicia na następnej stronie).
Czym jest kolor?
Rys. 1. Długości fal widma widzialnego
Procesy, dzięki którym człowiek widzi kolory, są bardzo złożone, a podana tu definicja koloru jest z konieczności uproszczona. Monochromatyczne światło widzialne jest interpretowane przez mózg jako barwne w zależności od jego długości fali, przy czym 400 nm odpowiada barwie fioletowej, a 700 nm odpowiada czerwieni. Wszystkie inne widzialne barwy światła monochromatycznego (indygo, niebieski, błękitny, zielony, żółty i pomarańczowy) mieszczą się pomiędzy tymi długościami fal, co można dostrzec, oglądając tęczę. Obserwacja światła zawierającego wszystkie te długości fal daje wrażenie światła białego. Zielony liść wygląda na zielony, ponieważ odbija światło o długości fali odpowiadającej barwie zielonej, obecne w świetle białym. Jeżeli ten sam liść zostanie oświetlony monochromatycznym światłem czerwonym, będzie robił wrażenie czarnego, ponieważ w świetle czerwonym nie występują długości fal odpowiadające zieleni. To samo ma miejsce, gdy kupujemy kolorowe elementy ubioru i podchodzimy do drzwi lub okna, by sprawdzić, jak wyglądają w świetle dziennym.
Odcień koloru zmienia się na skutek tego, że rozkład spektralny fal składających się na oświetlenie wewnętrzne jest nieco inny niż w przypadku oświetlenia zewnętrznego. Z dokładnie takimi samymi zależnościami mamy do czynienia w nadzorze wizyjnym. Barwa światła emitowanego przez reflektor wpływa na barwę obrazu widzianego przez kamerę, jak to ma miejsce na przykład w przypadku żółtawego światła lamp sodowych stanowiących oświetlenie uliczne. By zapewnić poprawną reprodukcję barw w obrazie, źródła światła białego muszą zapewnić poprawne oświetlenie, dopasowane spektralnie do widma światła widzialnego. Kolorowe obiekty odbijają światło wybiórczo, to znaczy odbijają tylko wybrane fragmenty widma i wchłaniają resztę. Na przykład czerwony kwiat zawiera cząstki pigmentu, które pochłaniają wszystkie składniki światła białego inne niż czerwone, a światło czerwone jest jedynym odbijanym składnikiem. Fale świetlne, których długość mieści się poniżej granicy widma widzialnego, są określane jako ultrafioletowe (UV). Mogą one powodować poparzenia skóry i dlatego nie są stosowane w wizyjnych systemach dozorowych. Fale świetlne, których długość mieści się powyżej granicy widma widzialnego, są określane jako podczerwone.
Czym jest podczerwień?
Podczerwień (IR) jest światłem o długościach fal mieszczących się powyżej granicy światła widzialnego. W systemach nadzoru wizyjnego wykorzystywane jest światło podczerwone, którego widmo mieści się w zakresie pomiędzy 700 nm a 1100 nm. Ten zakres jest również znany jako bliska podczerwień (NIR). Jako że kamera może „widzieć” światło podczerwone, które jest niewidoczne dla oka ludzkiego, istnieje wiele form prezentacji tak powstałych obrazów na ekranie komputera. Zwykle pokazywany jest obraz czarno-biały, podobny do postrzeganego przez ludzkie oko w widmie widzialnym, lecz pozbawiony barw. Dla uwypuklenia fragmentów obrazu powstałych z użyciem światła podczerwonego stosowane są sztucznie wprowadzone barwy. Czasami znajduje to zastosowanie w zobrazowaniach tworzonych dla potrzeb naukowych. Oświetlenie z użyciem światła podczerwonego jest bardzo przydatne w zastosowaniach wymagających dyskretnego nadzoru lub całkowitego braku oświetlenia światłem widzialnym.
Obrazy kolorowe czy monochromatyczne?
Jeśli chce się wybrać oświetlenie do systemu nocnego nadzoru wizyjnego, należy zastanowić się, czy potrzebny jest obraz kolorowy czy monochromatyczny. Często preferowany jest obraz kolorowy, jednak w takich przypadkach trzeba zwrócić uwagę na zapewnienie poprawnej reprodukcji barw, co można osiągnąć przy użyciu oświetlaczy emitujących światło o odpowiednim składzie widmowym. Rozważmy żółte światło dostarczane przez niskociśnieniowe uliczne lampy sodowe – niczym nie przypomina ono światła białego i w takim przypadku żadna, nawet najlepsza kamera nie jest w stanie zapewnić poprawnej reprodukcji barw. Światło podczerwone powinno być z zasady stosowane we wszystkich przypadkach, w których białe światło byłoby zbyt inwazyjne lub gdy wymagany jest dyskretny nadzór. Podczerwień może być również stosowana jako element dodatkowego oświetlenia rozległych obszarów, na dystansach niedostępnych dla światła białego o podobnej intensywności.
Jaskrawość światła
Jaskrawość światła jest subiektywnym odczuciem wynikającym z intensywności oświetlenia danego obszaru. Intensywne światło może powodować odblaski skutkujące nadmiernym wzrostem kontrastu pomiędzy jasnymi i ciemnymi obszarami w obrębie pola widzenia. Stanowi to większy problem w warunkach nocnych, gdy kontrast pomiędzy jasnymi i ciemnymi obszarami utrudnia ludzkiemu oku (i kamerom wykorzystującym światło podczerwone) dostosowanie się do zmian w jaskrawości.
Światło i powierzchnie
To, w jaki sposób reagujemy na światło, jest zależne od jego składu widmowego i od właściwości powierzchni, na którą to światło pada. Promieniowanie monochromatyczne jest interpretowane przez mózg ludzki jako światło o określonej barwie w zależności od długości fali tego promieniowania. Wrażenie światła białego daje mieszanina wielu rodzajów promieniowania, która ma ciągłe pokrycie widmowe w zakresie od 400 nm (fiolet) do 700 nm (czerwień). W przypadku światła odbitego od jakiejś powierzchni wrażenie barwy oraz intensywności światła jest zależne od rodzaju tej powierzchni, co jest krótko opisane poniżej.
Dyfuzja
Materiał o działaniu dyfuzyjnym rozprasza przechodzące przezeń światło, zmieniając kierunek i intensywność promieniowania w zależności od rodzaju tego materiału.
Odbicie
Kiedy światło pada na jakąś powierzchnię, może ulec odbiciu. Rodzaj powierzchni wpływa na sposób, w jaki światło się odbija. Bardzo szorstkie powierzchnie rozpraszają światło ze względu na drobne nieregularności w ich budowie, a gładkie, takie jak lustro, zapewniają ukierunkowane odbicie.
Odbicie zwierciadlane
Jeżeli powierzchnia odbija światło jak lustro, mówi się, że mamy do czynienia z odbiciem lustrzanym. W przypadku powierzchni lustrzanych kąt padania jest równy kątowi odbicia.
Rys. 2. Dyfuzja światła
Rys. 3. Odbicie lustrzane
Odbicie rozproszone
Powierzchnie rozpraszające odbijają światło we wszystkich kierunkach ze względu na drobne nieregularności w ich budowie. Na przykład drobnoziarnista faktura odbije światło w różnych kierunkach. Powierzchnie rozpraszające odbijają światło we wszystkich kierunkach w równych proporcjach.
Odblask (retrorefleksja)
Odblask powstaje, gdy powierzchnia odbijająca odbija światło dokładnie w kierunku, z jakiego ono pochodzi. Znaki drogowe i tablice rejestracyjne pojazdów mają powierzchnie retrorefleksyjne.
Rys. 4. Odbicie rozproszone
Rys. 5. Odblask
Poziomy odbicia
Rys. 6. Absorbcja
Odbicie jest miarą mocy odbitej w stosunku do mocy padającej. Obiekty odbijają światło z różną intensywnością, a część energii, która nie uległa odbiciu, zostaje wchłonięta i zamieniona w ciepło. Obiekty o niskim współczynniku odbicia pochłaniają dużo energii, dlatego np. ściany z cegieł nagrzewają się na skutek oświetlenia światłem słonecznym. Należy pamiętać, że kamera obserwująca daną scenę nie reaguje na światło padające, wykrywane przez światłomierz, tylko na światło odbite przez obiekty znajdujące się na obserwowanym obszarze.
Absorbcja
Każda powierzchnia wchłania część padającego na nią światła. Kolorowe powierzchnie absorbują część światła i odbijają resztę, dlatego mają określoną barwę. Czarna powierzchnia wchłania większą część padającego na nią światła. Energia świetlna jest zwykle zamieniana w ciepło, więc ciemne materiały łatwo się nagrzewają.
Źródła światła
Żarówki (w tym halogenowe)
Żarówki były pierwszymi elektrycznymi źródłami światła skonstruowanymi przez człowieka. Mają one niską wydajność, marnują 90% pobieranej energii, zamieniając ją na ciepło, co powoduje, że silnie się nagrzewają. Żarówki halogenowe mają większą sprawność, ale nadal marnują 85% pobieranej energii, zamieniając ją na ciepło. Żarówki są mało przydatne jako elementy oświetleniowe w wizyjnych systemach dozorowych.
Lampy fluorescencyjne
Wykorzystanie tych lamp w systemach nadzoru wizyjnego jest ograniczone ze względu na efekt pulsowania obrazu wytwarzanego przez kamerę. Lampy te mają przeważnie niski pobór mocy i są przeznaczone głównie do zastosowań wewnątrz pomieszczeń. Mają one duże rozmiary, dlatego trudno jest zbudować oświetlacz pozwalający na skupienie strumienia światła.
Lampy HID (High Intensity Discharge)
Są to wydajne źródła światła, które zapewniają poprawną reprodukcję barw i mają dużą żywotność dochodzącą do 12000 godzin. Lampy HID mogą być stosowane w systemach dozorowych, ale ich mankamentem jest długi czas uruchamiania (2–3 minuty). Ponadto nie mogą być natychmiast włączone, nawet w przypadku ich krótkotrwałego wyłączenia.
Lampy wykorzystujące diody LED
Diody elektroluminescencyjne stanowią najszybciej rozwijający się rodzaj oświetlaczy stosowanych w systemach dozoru wizyjnego. Ich sprawność wynosi przeciętnie 80–90% i jest największa w przypadku diod emitujących światło podczerwone.
Oświetlenie LED jest często stosowane w systemach dozoru wizyjnego z powodu swoich zalet, do których należy bardzo niskie zużycie energii, niska temperatura pracy i stabilność widmowa w całym cyklu eksploatacji. W odróżnieniu od tradycyjnych żarówek diody LED są bardzo trwałe, odporne na wibracje, a ich konstrukcja sprawia, że trudno je uszkodzić. Są one również w stanie emitować światło o wymaganej długości fal bez konieczności stosowania filtrów i zaczynają świecić natychmiast po doprowadzeniu zasilania. Ze względu na dużą sprawność diod LED koszty utrzymania systemu dozorowego, w którym są zastosowane, są najniższe w porównaniu z systemami wykorzystującymi inne źródła światła (ich nominalna moc jest relatywnie niska i nie przekracza 100 W dla pojedynczych paneli). Ponadto wyróżnia je długi czas działania dochodzący do 100000 godzin (10 lat). Dla porównania żywotność świetlówek to zazwyczaj maksymalnie 10000 godzin, a żywotność żarówek jest jeszcze mniejsza i nie przekracza 1000 godzin.
Oświetlenie w nadzorze wizyjnym. Dobór długości fal
Światło białe
Światło białe to mieszanka zapewniająca równomierne pokrycie widma w zakresie od 400 nm do 700 nm.
Praktyczne zastosowania światła białego:
- oświetlenie obszaru obserwowanego przez system dozoru wizyjnego,
- oświetlenie o charakterze ogólnym w pomieszczeniach, w których pracują ludzie,
- zmniejszanie przestępczości dzięki oświetleniu obszaru, na którym mogą zdarzyć się włamania,
- może być stosowane z kamerami monochromatycznymi, kolorowymi, pracującymi w trybie dzień/noc.
Podczerwień
Oświetlacze wykorzystujące widmo w zakresie od 715 nm do 730 nm wytwarzają wyraźnie widoczną czerwoną poświatę, podobną do czerwonych świateł ulicznych, co stwarza problemy z ich ukryciem.
Oświetlacze wykorzystujące widmo w zakresie od 815 nm do 850 nm wytwarzają słabo widoczną czerwoną poświatę umożliwiającą ich częściowe ukrycie.
Oświetlacze wykorzystujące widmo w zakresie od 940 do 950 nm są niewidoczne dla ludzkiego oka, dlatego łatwo je ukryć. Praktyczne zastosowania podczerwieni:
- zapewnienie dyskretnego lub ukrytego oświetlenia w wizyjnych systemach dozorowych,
- zapewnienie intensywnego oświetlenia o dużym zasięgu,
- możliwość współpracy z kamerami monochromatycznymi lub z kamerami działającymi w trybie dzień/noc.
Światło a bezpieczeństwo
Światło białe jest widoczne dla oka ludzkiego. Organizm ludzki zapewnia nam naturalną ochronę przed nadmierną ekspozycją. Tęczówki i powieki zamykają się, by zredukować ilość widzialnego światła absorbowanego przez oko ludzkie. Jeżeli to nie wystarcza, po prostu odwracamy się od źródła światła. Nie możemy zobaczyć światła podczerwonego, dlatego nasze oczy nie mogą automatycznie dostosować się do nadmiernej ekspozycji. Podczerwień wytwarza jednak ciepło, które może być wykorzystane jako miernik bezpieczeństwa. Jeżeli czujemy ciepło bijące od oświetlacza IR, starajmy się nie patrzeć na to źródło światła. Nawet najpotężniejsze oświetlacze IR, wytwarzające wiązki o szerokości dziesięciu stopni, nie stwarzają zagrożenia dla oka ludzkiego, o ile odległość od oświetlacza przekracza dwa metry.
Podsumowanie
Problematyka doboru właściwych urządzeń do nadzoru wizyjnego jest wciąż gorącym tematem, szczególnie dla firm, które jako nowe wchodzą na ten obszar rynku lub zaczynają instalować systemy IP zamiast systemów analogowych, a także, a może przede wszystkim dla użytkowników końcowych, którzy, zdecydowawszy się na implementację takiego systemu, powinni otrzymać to, czego oczekują.
Mam nadzieję, że publikacja przewodnika Axis zawierającego wiele informacji o oświetleniu przyczyni się do lepszego zrozumienia zagadnień z nim związanych i umożliwi właściwy dobór urządzeń, poparty testami i uwzględniający całokształt warunków panujących w miejscu docelowej instalacji, a nie tylko kilka parametrów podanych w karcie katalogowej urządzenia.
Ciąg dalszy w numerze 6 Zabezpieczeń.
Opracowała Agata Majkucińska
Axis Communications
Zabezpieczenia 5/2011