O tym, że dobór właściwego oświetlenia ma kluczowe znaczenie w przypadku dozoru wizyjnego, starałam się Państwa przekonać w poprzednim artykule, opublikowanym w numerze 5/2011 Zabezpieczeń. W niniejszym artykule chciałabym zwrócić uwagę na pozostałe kwestie związane z doborem oświetlenia i dostosowaniem go do wymogów systemów monitoringu, a także omówić sprawę wyboru kamery w zależności od warunków panujących w pomieszczeniach lub na zewnątrz budynku.
Wiązki świetlne
Aby zapewnić poprawne oświetlenie w telewizyjnych systemach nadzoru, kąt promieniowania powinien być tak dobrany, by cała obserwowana scena była odpowiednio oświetlona. Nowoczesne oświetlacze typu Adaptive Illumination pozwalają na dostosowanie kąta promieniowania do specyficznych wymogów obserwowanej sceny. Zbyt wąska wiązka światła wytwarza tzw. white out, czyli rozjaśnienie w środku sceny z jednoczesnym nieprawidłowym oświetleniem pozostałych obszarów. Z kolei oświetlenie zbyt szeroką wiązką oznacza stratę światła i zmniejszenie odległości skutecznej obserwacji.
Rys. 1. Wiązka światła jest zbyt wąska w stosunku do pola widzenia kamery
Rys. 2. Wiązka światła jest zbyt szeroka w stosunku do pola widzenia kamery
Rys. 3. Oświetlenie adaptacyjne zapewnia pokrycie wielu kątów widzenia
Rys. 4. Prawo odwrotnych kwadratów
W wielu instalacjach wykorzystywane są obiektywy o zmiennej ogniskowej i byłoby idealnie, gdyby dało się osiągnąć taki sam poziom elastyczności w zakresie oświetlenia, aby maksymalnie zwiększyć skuteczność działania systemu. Oświetlacze przeznaczone do pracy w systemach nadzoru wizyjnego, takie jak oferowane przez Axis, mają szeroki zakres kątów promieniowania, dlatego można wybrać kąt, który jest dokładnie dopasowany do pola widzenia kamer i zapewni przez to najlepszy obraz. Regulacja jest szybka i wygodna, a wymagany kąt promieniowania można łatwo uzyskać.
Prawo odwrotnych kwadratów
Natężenie oświetlenia w określonej lokalizacji jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła światła. Zwróćmy uwagę na to, jakie są praktyczne konsekwencje tej zasady. Światło wypromieniowane przez odległe, punktowe źródło rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach. W praktyce oznacza to, że jeśli oświetlany obiekt zostanie przeniesiony z danego punktu do innego, leżącego dwa razy dalej od źródła światła, to ilość docierającego do niego światła będzie czterokrotnie mniejsza. Jeśli oświetlenie obiektu położonego 10 m od źródła światła wynosi 100 lx, odsunięcie tego obiektu na odległość 40 m od źródła światła spowoduje szesnastokrotny spadek poziomu oświetlenia, w wyniku czego oświetlenie tego obiektu zmniejszy się do 6,25 lx. Prawo odwrotnych kwadratów dotyczy zarówno światła białego, jak i podczerwonego.
Odległości robocze dla produktów Axis
Wykres (rys. 5) ułatwia dobór odpowiedniego oświetlacza Axis pracującego w podczerwieni w zależności od kąta widzenia kamer i odległości obiektu od oświetlacza. Zauważmy, że pole wyróżnione kolorem odpowiada optymalnie wykorzystanemu obszarowi obserwacji, zaś pole zacienione oznacza obszar gorzej oświetlony.
Korzystanie z wielu oświetlaczy
Prawo odwrotnych kwadratów pozwala określić ilość światła padającego na obszar znajdujący się w pewnej odległości od pojedynczego źródła światła, ale może być wykorzystane również do obliczania liczby dodatkowych oświetlaczy niezbędnych do osiągnięcia wymaganego zasięgu. Jeżeli podwoimy odległość od jednego oświetlacza, ilość padającego światła spadnie do poziomu 25%. A więc do oświetlenia jakiegoś obszaru z dwukrotnie większej odległości konieczne jest użycie czterech oświetlaczy o tej samej mocy (22 = 4). By osiągnąć trzykrotnie większy zasięg oświetlenia, należy użyć dziewięciu oświetlaczy o tej samej mocy (32 = 9).
Prawo odwróconych kwadratów może być wykorzystane także do obliczenia wpływu liczby zastosowanych oświetlaczy na ich wypadkowy zasięg. W takim przypadku współczynnikiem korygującym zasięg jest pierwiastek kwadratowy z liczby użytych oświetlaczy. Na przykład wykorzystując cztery oświetlacze, uzyskamy dwukrotny wzrost zasięgu (√4 = 2), a wykorzystując dwadzieścia pięć oświetlaczy, uzyskamy pięciokrotny wzrost zasięgu (√25 = 5).
WSKAZÓWKA 1
Nie zawsze trzeba zastosować wiele oświetlaczy, by osiągnąć wzrost zasięgu. Oświetlacze z węższymi kątami promieniowania lub odznaczające się większą mocą mogą zapewnić wymagany dodatkowy wzrost zasięgu.
WSKAZÓWKA 2
Jeżeli konieczne jest oświetlenie pewnego obiektu znajdującego się w określonej odległości od źródła światła, a w systemie telewizyjnym wykorzystywane są obiektywy zmiennoogniskowe, możliwe jest umieszczenie oświetlacza o małej mocy w pobliżu obserwowanego obiektu. Przykładem takiego zastosowania może być brama oddalona od budynków i innych elementów infrastruktury.
WSKAZÓWKA 3
Podwojenie zasięgu oświetlenia wymaga czterokrotnie większej mocy.
WSKAZÓWKA 4
Podwojenie liczby oświetlaczy zapewnia wzrost zasięgu o około 41%
Rys. 5. Wykres ułatwiający dobór oświetlaczy. Zależność maksymalnej odległości od kąta widzenia kamery i modelu użytego oświetlacza
Pomiar oświetlenia
Światło białe
Oświetlenie światłem białym jest mierzone w luksach. Luks jest jednostką oświetlenia w układzie SI, która nie charakteryzuje źródła światła, lecz jasność oświetlenia powierzchni, na którą pada światło. 1 lx = 1 lumen na metr kwadratowy. Oświetlenie obserwowanej sceny światłem białym może być mierzone z użyciem luksomierza. Typowe poziomy natężenia światła w luksach są zilustrowane na rysunku nr 6.
Światło podczerwone
Rys. 6. Korelacja liczby oświetlaczy z oświetlanym dystansem
Luks jest miarą oświetlenia światłem widzialnym, tymczasem światło podczerwone nie jest widzialne dla oka ludzkiego. Dlatego luks nie może być miarą oświetlenia światłem podczerwonym. Najpopularniejszym sposobem pomiaru intensywności oświetlenia światłem podczerwonym jest określenie mocy światła mierzonej w watach, przypadającej na metr kwadratowy oświetlanej powierzchni.
Potrzeba równomiernego oświetlenia
Podczas projektowania jakiegokolwiek systemu oświetlenia najważniejsze jest osiągnięcie równomiernego oświetlenia. Zarówno ludzkie oko, jak i kamera telewizyjna i jej obiektyw muszą dostosowywać się do znacznych różnic w poziomie oświetlenia w obrębie pola widzenia.
Prowadząc samochód w nocy, widzimy drogę, po której jedziemy, dzięki przednim światłom, jednakże gdy inny samochód zbliża się z przeciwka, nasza zdolność do obserwacji drogi ulega ograniczeniu, mimo iż poziom oświetlenia znacznie wzrasta. Dzieje się tak, ponieważ w centralnej części obserwowanej sceny umieszczone jest silne źródło światła, co powoduje zamykanie źrenicy w tęczówce oka. Takie same procesy zachodzą w kamerach pracujących w systemach dozorowych – jasna plama w obrębie obrazu spowoduje zamykanie się przesłony obiektywu i pogorszy zdolność urządzenia do obserwacji obszarów słabo oświetlonych. Aby uzyskać możliwie najlepszy obraz w nocy, oświetlenie musi być równomiernie rozprowadzone przy wykorzystaniu oświetlaczy zaprojektowanych do tych celów.
Wybór właściwej kamery
Czułość
Czułość jest parametrem określającym wrażliwość kamery na światło i zasadniczo oznacza minimalny poziom oświetlenia koniecznego do wytworzenia obrazu o akceptowalnej jakości, aczkolwiek określanie tej akceptowalnej jakości jest bardzo subiektywne. Dana jakość obrazu dla jednych może być akceptowalna, a dla innych nie do przyjęcia. Czułość kamer jest zazwyczaj mierzona w luksach, jednakże często nie wiadomo, czy wartości podawane przez producentów dotyczą minimalnego poziomu oświetlenia obserwowanej sceny, czy odnoszą się do poziomu oświetlenia przetwornika kamery światłem przechodzącym przez obiektyw. W przypadku kamer Axis wartość ta odnosi się do poziomu oświetlenia obserwowanej sceny. Chociaż podawane wartości liczbowe wydają się zawyżone i dotyczą jedynie światła widzialnego, wyrażanie czułości kamery w luksach jest powszechnie stosowane ze względu na łatwość i dostępność tej metody pomiaru.
WSKAZÓWKA 1
Nie istnieją kamery zdolne do pracy w zupełnej ciemności – każda kamera potrzebuje światła, by wytworzyć obraz o wysokiej jakości. Nawet najczulsze kamery działają lepiej w dobrych warunkach oświetleniowych, co przekłada się na wzrost amplitudy sygnału wyjściowego oraz poprawę stosunku sygnału do szumu.
Wyjątkiem są kamery termowizyjne, które tworzą obrazy z wykorzystaniem promieniowania cieplnego emitowanego przez pojazdy czy organizmy żywe, co pozwala na prowadzenie obserwacji także w kompletnych ciemnościach. Ciekawym rozwiązaniem jest również technologia Lightfinder firmy Axis, która została opisana w 4(80) numerze Zabezpieczeń.
WSKAZÓWKA 2
Aby dowiedzieć się więcej na temat światłoczułości kamer, można zapoznać się z naszymi dokumentami technicznymi „W najlepszym świetle” pod adresem: www.axis.com/corporate/corp/tech_papers.htm.
Dobór właściwego obiektywu
Fot. 1. Natężenie światła w różnych typowych sytuacjach
F-stop
Wartość F-stop (apertura) określa zdolność obiektywu do przepuszczania światła z obserwowanej sceny do przetwornika kamery. Mówiąc prosto – im niższa wartość F-stop, tym więcej światła przechodzi przez obiektyw. Tabela nr 1 ilustruje zależność poziomu oświetlenia od apertury obiektywu.
WSKAZÓWKA
Im niższa wartość F-stop obiektywu, tym więcej światła przechodzi na przetwornik. W przypadku obiektywów zmiennoogniskowych najmniejsza wartość F-stop jest osiągana przy ustawieniu „szerokokątnym”, gdyż wartość F-stop jest wprost proporcjonalna do ogniskowej obiektywu.
Transmisja
Tab. 1. Zależność poziomu oświetlenia od apertury obiektywu
Zdolność do transmisji światła przez obiektyw określa wartość użytkową tego obiektywu. Część światła przechodzącego przez obiektyw zostaje utracona – zależnie od jakości materiałów, z jakich został on wykonany. Wartość F-stop obiektywu nie jest miarą jego zdolności do przepuszczania światła.
WSKAZÓWKA
Zdolność do przepuszczania światła przez obiektyw zmienia się wraz z długością fali. Na przykład – jeden obiektyw może przepuścić 95% widzialnego światła i 80% światła podczerwonego o długości fali równej 850 nm, podczas gdy inny obiektyw może przekazać 95% widzialnego światła i 50% światła podczerwonego o długości fali równej 850 nm. Dobierając obiektyw, należy wziąć pod uwagę zakres widmowy, w jakim będzie on wykorzystywany. Należy również pamiętać, że ilość utraconego światła jest mniejsza w przypadku soczewek szklanych niż w przypadku soczewek plastikowych.
Obiektywy przystosowane do pracy w podczerwieni
Obiektywy przystosowane do pracy w podczerwieni są zaprojektowane tak, by wyeliminować problem utraty ostrości podczas przechodzenia z trybu dziennego pracy do trybu nocnego. W tym celu aberracja chromatyczna obiektywu musi być skorygowana w znacznie szerszym zakresie widmowym, zaś zastosowane warstwy przeciwodblaskowe muszą mieć lepsze właściwości.
Obiektywy przeznaczone do pracy w świetle widzialnym
Zakres widmowy światła emitowanego przez naturalne źródła, na przykład przez słońce, pokrywa się z zakresem, w którym oko ludzkie reaguje na światło. Tego typu promieniowanie jest określane jako światło białe. W efekcie obiektyw przenoszący światło z obserwowanej sceny na przetwornik w kamerze musi poprawnie działać w szerokim zakresie widmowym. Wiele tanich obiektywów nieskutecznie odwzorowuje kolory mieszczące się w widmie widzialnym, co w rezultacie powoduje niedokładne odwzorowanie barw w materiale wizyjnym. Obiektywy przeznaczone do pracy w świetle białym przepuszczają tylko światło widzialne i mają skorygowaną aberrację chromatyczną jedynie w zakresie widzialnym. Ze względu na to większość obiektywów przeznaczonych do pracy w świetle białym nie jest odpowiednia do stosowania w świetle podczerwonym, chociaż istnieją pewne wyjątki.
Opracowała Agata Majkucińska
Axis Communications
Zabezpieczenia 6/2011